Chips im Automobilbau Die Rolle der Halbleitertests in der Automobilindustrie

Anbieter zum Thema

Advantest Europe GmbH

ET System electronic GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

In modernen hybriden und batterieelektrischen Fahrzeugen wird immer mehr Elektronik verbaut. Damit einher gehen komplexere Testszenarien für die Halbleiterprüfung. Auch mit Blick auf die höheren Spannungen und schnelleren Schaltzeiten sind die Grenzen des Tests schnell erreicht.

Der Markt für das Testen von Automobilhalbleitern wächst organisch, da die Chiphersteller immer größere Stückzahlen für eine Reihe von Automobilanwendungen produzieren. Die Hersteller von automatisierten Testgeräten (ATE) stellen sich darauf ein, dass ihre Systeme Bauteile verarbeiten können, die von Displaytreibern für vollelektronische Armaturenbretter bis hin zu Siliziumkarbid-Leistungstransistoren (SiC) für Traktionswechselrichter reichen.

Der Einsatz von Halbleitern in der Automobilindustrie nimmt zu. Derzeit verbauen die Automobilhersteller etwa 8 bis 10 Prozent aller produzierten Halbleiter. Dieser Anteil wird voraussichtlich steigen, da der Marktanteil von Elektrofahrzeugen zunimmt und die Automobilhersteller ihre Fahrzeuge mit immer ausgereifteren Fahrerassistenzsystemen (ADAS) ausstatten. Dieser Trend wird auch durch den steigenden Anteil von Software in Fahrzeugen vorangetrieben, um ein höheres Maß an Autonomie zu erreichen, sowie durch die Verlagerung von Halbleitern, die früher hauptsächlich in Luxusmarken verwendet wurden, hin zu Fahrzeugen der mittleren und unteren Marktsegmente.

Steigender Halbleiter-Anteil bei Hybrid- und EV-Antrieben

Laut Gartner wird der weltweite Markt für Halbleiter in der Automobilindustrie von 67,5 Mrd. US-Dollar im Jahr 2022 auf 155,4 Mrd. US-Dollar im Jahr 2032 anwachsen. Dieser rasante Anstieg ist begründet durch softwaredefinierte Fahrzeuge, die 90 Prozent aller produzierten Autos ausmachen (gegenüber 4,1 Prozent im Jahr 2022), sowie durch eine breite Einführung von autonomen Fahrzeugen der Stufe 2 von 4,2 Mio. im Jahr 2022 auf 33,5 Mio. im Jahr 2032. Stufe 2 bedeutet eine Teilautomatisierung des Fahrens, bei der ein ADAS-System die Lenkung und die Geschwindigkeitsregelung übernehmen kann, aber ein Fahrer hinter dem Lenkrad sitzen muss, um jederzeit die Kontrolle des Fahrzeugs übernehmen zu können. Der Anteil der Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor sinkt unter 60 Prozent und wird durch Hybrid- und EV-Antriebe abgelöst, was zu einem steigenden Anteil an Halbleitern führt.

Auch in der Automobilindustrie gibt es Nachfrageschwankungen. Auf dem Höhepunkt der Corona-Pandemie war die Nachfrage sehr hoch und das Angebot knapp. Inzwischen hat sich die Nachfrage jedoch beruhigt, die Lieferketten haben sich gefüllt und die Automobilhersteller haben für viele der benötigten Chips zweite Bezugsquellen eingerichtet.

Gestiegene Anforderungen an die Testsysteme

Halbleiter hatten traditionell einige Hauptanwendungen im Automobilbau: Sie wurden zur Motorsteuerung sowie zur Steuerung von Getrieben, Fensterhebern, Servolenkung, Servobremsen, Sitzheizungen und Türschlössern eingesetzt. Mikrocontrollereinheiten (MCUs) übernahmen die Steuerungsfunktionen und verwalteten die Sensoren und Aktoren, die in einer verteilten oder Zonenarchitektur im gesamten Fahrzeug angeordnet und über einen CAN-Bus miteinander verbunden waren.

In diesem Szenario konnte ein Halbleitertestsystem, das in der Lage war, MCUs der Konsumgüterklasse zu testen, problemlos mit MCUs für die Automobilindustrie umgehen. Der Hauptunterschied bestand darin, dass sie den Qualitätsstandards der Automobilindustrie entsprachen und das Testen von ICs über einen größeren Temperaturbereich ermöglichten. Außerdem betrug die Standard-Batteriespannung 12 V, so dass die meisten verfügbaren Stromversorgungen und Analogtester ausreichten.

Heute hat sich die Technologie jedoch weiterentwickelt, und Autos enthalten viele verschiedene Geräte mit höherer Komplexität und höheren Spannungen. Traditionelle Funktionen wie Motor- und Getriebesteuerungen sind zwar nach wie vor vorhanden, aber die Anforderungen sind gestiegen, da die Automobilhersteller nach höherer Effizienz und bei Verbrennungsmotoren nach geringeren Emissionen streben.

Strengere Qualitätsaspekte bei den Mikroprozessoreinheiten

In diesem Szenario hält das High Performance Computing (HPC) Einzug in das Fahrzeug. HPC ist für Server typisch und es lassen sich immer ausgefeiltere ADAS-Funktionen implementieren, die sicherheitsrelevante und lebenswichtige Funktionen ausführen. Um die HPC-Funktionalität zu implementieren, gehen die Automobilhersteller von einer dezentralen zu einer zentralen Architektur über. Es lassen sich von den im Fahrzeug verteilten Sensoren zu einer zentralen elektronischen Steuereinheit (ECU) umfangreiche Daten übertragen. Dazu notwendig sind leistungsfähige Mikroprozessoreinheiten (MPU), die wiederum Hochgeschwindigkeitsschnittstellen zum Fahrzeugnetzwerk benötigen.

MPUs in Kraftfahrzeugen müssen im Vergleich zu Consumer-ICs strengere Qualitätsaspekte erfüllen. Dadurch erhöht sich typischerweise die Testabdeckung, es wird eine Ausreißererkennung durchgeführt und ein Burn-In-Testablauf eingeführt. Darüber hinaus ist das Testen über einen weiten Temperaturbereich von -40 bis 125/175 °C zwingend notwendig.

Eine steigende Spannungen in den Fahrzeugen

Höhere Spannungen in den Fahrzeugen, die sich aus der Entwicklung der Automobilelektronik ergeben, sind der Übergang von 12- zu 48-V-Architekturen. Mit der höheren Spannung lassen sich verstellbare Sitze, Fensterheber, Heizungen und sogar Mild-Hybrid-Fahrmotoren betreiben. ATE-Hersteller entwickeln Instrumente für höhere Spannungen und Ströme, um die ICs zu testen, die diese höheren Spannungsarchitekturen ermöglichen.

Hybridelektrofahrzeuge (HEVs) und vollelektrische Fahrzeuge (EVs) stellen andere Anforderungen an die Prüfung, da sie nicht nur MCUs und andere Niederspannungskomponenten erfordern, sondern auch Batteriemanagementsysteme (BMS) und Hochspannungsleistungsmodule. Hybridelektrofahrzeuge stellen einige Testherausforderungen dar, aber sie arbeiten im Vergleich zu vollelektrischen Fahrzeugen mit relativ niedrigen Spannungen und ihre batteriebetriebene Reichweite beträgt etwa 40 bis 60 km.

Im Gegensatz dazu enthalten vollelektrische Fahrzeuge mit mehreren hundert kW Leistung Wandlerelektronik, die mit bis zu 800 V betrieben werden kann. In dieser Hinsicht nähert sich die Fahrzeugelektronik der Elektronik von Schienenfahrzeugen, Windturbinen und Solarkraftwerken an und erfordert Hochleistungstestmethoden.

Das Besondere an der Siliziumkarbid- (SiC-)Technik

Für EV-Traktionsumrichter setzen Automobilhersteller aufgrund ihrer Hochspannungsfähigkeit und Effizienz zunehmend auf SiC-Bauelemente. SiC-Bauelemente können die Batteriereichweite eines hochwertigen Elektrofahrzeugs, um schätzungsweise 7 bis 15 Prozent erhöhen. Das Testen der SiC-Technik kann sich als schwierig erweisen. Regeneratives Bremsen kann die SiC-Bauteile belasten.

Die Automobilhersteller benötigen effektive Testgeräte. Sie stellen sicher, dass die Bauteile funktionieren. Besonders wichtig ist der Kurzschlusstest, bei dem das Bauteil schnell abgeschaltet werden muss. Das Prüfsystem muss bei derartigen Tests den Prüfling (DUT), den Handler, die Probe Card und das Prüfgerät selbst während des gesamten Testablaufs schützen, um Beschädigungen an der Anlage zu vermeiden.

Halbleitertestunternehmen müssen in der Lage sein, das gesamte Spektrum an Bauelementen – einschließlich DRAMs, Flash-Speicher, MCUs, Display-Treiber und Stromversorgungs-ICs – sowohl für herkömmliche als auch für neue Automobilanwendungen abzudecken. Sie können ihre Fähigkeiten für kommerzielle Anwendungen auf Automobilkomponenten übertragen, wobei der Hauptunterschied im Temperaturbereich und an den höheren Qualitätsanforderungen liegt.

Modulare ATE-Architektur ermöglicht mehr Tests

Herkömmliche MCUs und ähnliche Komponenten erfordern qualitativ hochwertige, kostengünstige Tests mit hohem Durchsatz. Eine modulare ATE-Architektur, die eine flexible Rekonfiguration ermöglicht, kann Digital-, Hochleistungs-Analog- und Power-Mixed-Signal-Funktionen aufnehmen, so dass Chiphersteller eine breite Palette von ICs testen können, einschließlich fortschrittlicher Automobil-ICs für ADAS-Anwendungen.

ADAS erfordern nicht nur HPC-MCUs/MPUs, sondern auch Kamera-, Radar-, Infrarot- und andere Sensoreingänge. Weitere Automobil-ICs, die effiziente Testlösungen erfordern, werden in Anwendungen wie der Airbag-Auslösung und in Antiblockiersystemen eingesetzt, wo ein intensiver Test aus Sicherheitsgründen unerlässlich ist. Auch hier ist eine flexible Testplattform der ideale Ansatz, um sicherzustellen, dass diese Testanforderungen erfüllt werden können, ebenso wie für RF-basierte ICs, die von Radarsensoren bis hin zu Infotainment-Systemkomponenten reichen.

Fahrzeuge werden auch in Zukunft eine Vielzahl weiterer Bausteine enthalten, darunter konventionelle MCUs für Armaturenbrettfunktionen, wobei für vollelektronische Armaturenbretter auch Display Driver Integrated Circuit (DDIC) Bausteine erforderlich sind. Testlösungen müssen in der Lage sein, die DDIC-Testanforderungen im Temperaturbereich von -40 bis 175 °C zu erfüllen. ICs, die höhere Spannungen und Ströme als Standard-Automobilkomponenten benötigen, erfordern Testmöglichkeiten bis zu 2.000 V oder >150 A unter Verwendung von parallel geschalteten Power-VI-Quellen.

Hohe Genauigkeit ist auch ein wichtiger Parameter für die Prüfung der neuesten Generation von BMS-Bauteilen. BMS übernehmen die Batterieladung, den Schutz, den Zellenausgleich und die Abschätzung des Ladezustands der Batterie. Batteriemanagementsysteme stellen eine große Herausforderung für die Prüfung dar, da Zellstapel mehr Zellen pro BMS-Chip enthalten und eine genaue Spannungsüberwachung immer wichtiger wird, um die nutzbare Kapazität zu maximieren und die Lebensdauer der Zellen zu verlängern. Zur Unterstützung von BMS-Prüfungen müssen ATE Systeme Spannungen bis 160 V liefern können und die Fähigkeit haben, bei hohen potentialfreien Spannungen hochgenaue Versorgungs- und Messgenauigkeiten von <100 µV bereit zu stellen.

Ein Fazit: Steigende Anforderungen an die Testgeräte

Prüfgeräte für Hochleistungs-ICs, wie sie in Antriebsumrichtern verwendet werden, erfordern noch höhere Spannungen, Ströme und Leistungen. Der Markt für High-Energy (HE)-Testgeräte war bisher relativ klein und konzentrierte sich auf Eisenbahn-, Windturbinen- und ähnliche Anwendungen. Der Markt für Elektrofahrzeuge wird jedoch die Anforderungen an HE-Testgeräte, die für den Betrieb mit 400 V/800 V geeignet sind, erhöhen.

Um dem wachsenden Markt für Leistungshalbleiter gerecht zu werden, der eine Vielzahl von effizienten Leistungsbauelementen einsetzt, werden ATE-Lösungen benötigt, die SiC- und Galliumnitrid- (GaN-)Implementierungen effizient und effektiv testen können. Diese Materialien erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, da Regierungen und Industrie in der Automobilindustrie und in vielen anderen Anwendungen Netto-Null-Emissionen anstreben.

Eine Partnerschaft mit Chipherstellern, um die optimale Lösung für die Testanforderungen zu identifizieren und zu entwickeln, ist in der Automobilindustrie besonders wichtig, da sich der Einsatz von Elektronik in Fahrzeugen ständig weiterentwickelt. Dies ermöglicht es ATE-Anbietern, neue Technologien zu erkennen und die notwendigen Lösungen zu entwickeln, um diese präzise, schnell und kostengünstig zu testen. Traditionelle elektronische ICs werden weiterhin verwendet, aber neue innovative Produkte, von MCUs für HPC bis hin zu Leistungsmodulen für den Einsatz in Traktionswechselrichtern, gewinnen zunehmend an Bedeutung.

Darüber hinaus führt die zunehmende Elektrifizierung zu einem steigenden Bedarf an Halbleitertests, um den hohen Anforderungen, dem schnellen Wachstum und der Komplexität gerecht zu werden. Die Entwicklung von universellen Lösungen, die durch benutzerfreundliche Software an die spezifischen Anforderungen der Anwendung angepasst werden können, ist der Schlüssel zum Erfolg für Testlösungen im Automobilbereich. (heh)

Halbleiterfertigung mit KI und ML

Von Chiplets bis Edge Computing: Wie sich eine Testbranche verändert

* Toni Dirscherl ist verantwortlich für Business Lead Power / Analog / Control bei Advantest.

(ID:50131504)