国产专用芯片应用质量分析及控制

■ 文/公安部第一研究所 肖培森 郭小波 何兰 高原

国产专用芯片应用质量分析及控制

■ 文/公安部第一研究所 肖培森 郭小波 何兰 高原

由我国自主研发的出入境证件专用芯片，经过市、省以及全国试点，如质量得到验证并满足应用要求即可开展大规模批量应用。本文针对国产专用芯片在应用中的质量问题，首先根据应用环节进行了分类，分别介绍稳定性和一致性问题现象。然后对不同环节的稳定性和一致性问题进行分析，得出解决方案。最后，从整体质量控制的角度，对国产专用芯片的整体产品质量进行统一管理，提升应用效果，达到千万级规模应用要求。

CP测试 一致性 稳定性 兼容性 质量控制 体系标准

1 引言

我国法定身份证件应用，具有使用人数多、应用要求高等特点，特别是出入境证件，对出入境管理和用户体验度要求相对更高，从而对该类证件核心器件——专用芯片提出了非常高的要求。出入境证件专用芯片产品，除了满足大容量、高速率、高安全等技术要求之外，还应满足兼容性、稳定性、一致性等生产应用要求，上述问题的集中体现就是产品整体质量。

产品质量中的兼容性问题，一般可以通过大规模应用之前的分级试点进行覆盖和解决。我国研制的出入境证件专用芯片，通过电子港澳证应用各环节的千级、万级以及十万级规模生产和试点应用，已完成对各环节读写设备兼容性的分析和解决，目前在兼容性方面产品配置已逐步完善，可开展大规模应用。

产品质量的稳定性和一致性，需要更大量级的应用进行验证和确认，规模至少百万级、千万级甚至亿级，随着量级的增加，稳定性和一致性问题有可能凸显甚至导致产品应用失败。为应对专用芯片产品大规模应用要求，需要对芯片的稳定性和一致性问题进行提前分析和预判并有效解决，确保产品成功开展大规模商用。

2 应用环节及质量问题

芯片产品的质量问题，会在应用各环节有不同表现。同时，对于不同应用环节，也有不同的质量要求。总体上来说，质量问题在各环节出现的概率是随着应用环节的先后顺序逐步降低的。

2.1 国产专用芯片应用流程

集成电路芯片产品，经过Wafer生产、CP测试、高温烘焙（BAKE）、减划以及模块封装后，形成模块条带产品，进入智能卡应用环节。我国出入境证件应用环节包括Inlay或卡体生产、初始化、制本及预个人化、个人化制证、签注以及边检通关等，我国本式出入境证件应用环节较多，如下图1所示。

图1 本式出入境证件应用流程

2.2 稳定性问题

芯片应用的稳定性是指在实际应用环节中射频信号受到环境干扰时芯片运行偏离正常状态，当干扰消失后，芯片经过自身调节能否以一定准确度恢复到正常状态的性能。专用芯片在出入境证件应用各环节均有稳定性问题出现的可能，多读卡器之间的相互干扰、射频信号丢失、读卡器所处金属环境以及应用时操作的不规范，均会引起稳定性问题，造成证件时读时不读等情况。

稳定性问题多是考验芯片产品的鲁棒性，是芯片自我修复能力或者容忍度的体现。集成电路研制初期，大多考虑产品的功能符合性、应用性能和兼容性，在应用过程中，产品稳定性是质量考核的重要方面，既体现产品技术水平，也体现产品的成熟度。

2.3 一致性问题

芯片应用的一致性是指芯片经过生产、加工、环境影响以及时间推移等过程，除可预见的变化外，其相关的特征或者特性与初始状态一致的性能。专用芯片在出入境证件应用各环节均有可能出现一致性问题，主要表现为踢卡、失效和不可读写等情况，指标体现为成品率或成功率。

出入境证件应用的最终环节为持证人使用，为保证证件快速通关和正常使用，该环节要求芯片尽可能实现零失效。因此，出入境证件芯片应用，在确保产品稳定性的基础上，要尽可能在持证人使用前将芯片一致性问题全部解决。

3 质量问题分析

国产专用芯片开展出入境证件应用，需要经过不同批量、批次的应用验证和试点应用，通过对每次测试过程中不同环节出现的质量问题进行分析，提出改进措施，并在下一次测试中予以实施，逐步迭代收敛问题，最终使产品质量处于一种良性稳定的控制状态，满足应用要求。

3.1 初始化生产

初始化生产包括Inlay或卡体生产、自动初始化两个环节，下面以电子港澳证应用为例介绍初始化生产时的质量问题。

电子港澳证卡体生产过程中的质量问题包括两个方面：一是填装、埋线和焊接（简称填埋焊）失效，二是卡体生产完成后成卡不读。填埋焊失效的实体是模块，成卡不读失效的实体是卡片，统计时一般将两种失效情况累计统计。

电子港澳证初始化生产中的质量问题也包括两个方面：一是自动初始化踢卡率，二是人工修复初始化失败率。自动初始化失败卡在修复成功时变为成品，流入下一步个人化制证环节，统计时也将修复失败的比例作为最终失效比例。

表1 初始化失效情况统计

下表1是国产专用芯片历次进行初始化测试时的失效比例情况，同时与国外芯片进行了对比。可以看出，经过失效分析和质量控制，失效情况逐步改善，并与国外芯片保持同一量级。

初始化生产环节的失效问题分析采用内部分析和第三方专业机构分析相结合，先内部分析初步排查电特性及应用软件操作问题，再将无法判断失效原因的卡片送第三方机构进行分析，出具问题分析报告。针对出现的问题进行分类统计，对每一类失效问题查找问题出现原因，追溯芯片生产过程，找到问题解决办法。下表2和表3是其中一次试验失效分析结果。

表2 初始化成卡不读问题分析

表3 初始化失败问题分析

3.2 个人化制证

与芯片相关的个人化制证过程包括个人信息电写入和电核验两个环节，电子港澳证个人化制证环节质量问题包括两个方面：一是电写入失败，二是电核验失败，两个环节对应的是数据写入和读取失效。整体失效情况表现为电特性踢卡率，统计时将电写入和电核验两种失效情况累计统计，最终表现为制证电性能废证率。下表4是历次个人化制证废证率情况。

针对第2批个人化制证失效情况，对81张电特性废卡进行分类，分析其失效原因及后续解决方案，如下表5所示。

表4 个人化制证废证情况统计

表5 失效卡情况分类分析及解决方案

3.3 边检通关查验

边检通关查验根据管理部门的不同分为出入境边检通关查验和边防边检通关查验两种情况，出入境边检通关查验采用了3M和MRE两种读写设备，边防边检通关查验采用3M和Regula两种读写设备。边检通关查验失效表现为两个方面：一是证件信息读取失败，二是出入境记录写入失败，两个环节对应的也是数据读取和写入失效。整体失效情况表现为非芯片信息通关，统计时两种失效情况累计统计。通关失效及分析情况如下表6所示。

表6 通关失效及分析情况

4 解决方案

针对初始化踢卡率较高、成卡不读、制证芯片废证比例相比国外芯片稍高以及边检查验可疑证件等情况，按照上述质量问题分析情况，从以下三个方面提出改进措施，形成质量问题解决方案。解决方案提出的原则是尽可能将质量控制方案措施放于前道工序，后续生产制发可考虑牺牲一定的成品率，最终目标是要确保边检查验应用环节高成功率或者零失效。

4.1 产业链控制

产业链控制主要控制流片厂的质量管理，通过加强和芯片流片厂的沟通及批量生产工艺磨合，结合wafer测试、后道生产加工及应用情况，加强WAT参数检测和工艺控制，使芯片在流片中尽可能保证工艺的一致性。针对初始化、制证签发和边检查验失效原因分析结果，将从非接触RF通讯、芯片漏电、EEPROM、RAM、ROM及上电响应时间等方面进行CP测试全覆盖加严筛选，通过在wafer测试中牺牲4～5%的良率和一定的测试时间，确保后道失效的减少。要求流片厂提高产品质量控制要求，质量偏差从±3σ减到±2σ，量化质量考核标准，对整体成品率低（设置阈值）的wafer批次全部废除。

另外，需要加强产业链中减薄划片和模块封装环节的质量控制，实施合格供方控制，加强出厂质检。对目前失效原因，与减薄划片和模块封装厂进行质量考核环节沟通交流，一是提高模块质量考核要求(减小芯片输入电容范围、多次上电询卡、高速射频通信指令筛选)，降低模块封装成品率要求；二是将前道工序中增加的质量考核方法用于模块封装质量控制工序中，提高质量筛查能力。

4.2 应用生产控制

应用生产控制主要解决初始化和证件签发两个环节问题，对边检查验问题，可通过产业链控制以及应用生产控制，达到应用要求。

4.2.1 初始化

目前，国产芯片初始化成品率已达到国外在用芯片水平。可以在批量应用初期，通过以下四个措施降低后道的失效概率：一是通过牺牲卡体生产成品率，对处于质检通过和不通过临界范围内的证件全部废除；二是加严成卡不读的筛查规则，对于首次不通过的问题证件全部标记为废品；三是对初始化踢卡证件修复时只进行一轮修复，暂不使用多轮次修复措施；四是针对问题证件与正常证件相关电特性参数，对所有质检合格证件再次进行电特性偏离较大的质量筛查。后期待产品前道质量控制稳定后恢复正常的初始化质量筛查措施，提高产品生产成品率。

4.2.2 制证签发

针对制证设备读卡器升级改造方案和各设备生产成品率情况，对成品率较低设备的读卡器进行电特性标定，在读卡器一致性方面进行微调，逐步磨合，提高生产效率和成品率。

5 质量控制及管理

5.1 体系标准

国产专用芯片的质量控制按照完善的质量管理体系进行。质量体系是基于ISO/TS 16949、ISO 9001和TL 9000基础上建立的，主要包括质量、环境和职业健康安全三大类管理体系。除此之外还包括客户特殊要求，产品特殊要求等。体系管理严格按照相关标准进行，针对国产专用芯片，又特别制定了《国产电子机读旅行证件专用芯片模块》（QZ/S 1379-2014和QZ/S 1431-2016）两个版本参照执行。

5.2 控制执行及管理

为保障国产专用芯片的产品质量达到出入境证件应用要求，在产品各产业链环节实施质量控制措施，分别制定了电子机读旅行证件专用芯片《硅片加工质量控制及保障》《Wafer测试项目及质量控制》《物料出入库管理规范》《硅片减薄和划片质量控制及保障》《模块封装质量控制及保障》以及《模块测试流程及检验规范》等系列规范，严格控制产品质量管理，形成合格批次产品进行应用。

6 结语

通过对出入境证件专用芯片的质量问题进行分析，针对各生产应用环节提出专项解决方案，并在逐步上量的规模应用中迭代实施，使专用芯片产品应用的问题逐步收敛并得到有效控制，产品质量不断提升，最终满足我国出入境证件大规模应用需要。出入境证件国产专用芯片的大规模应用，将打破国外芯片对出入境证件应用的垄断局面，每年将为国家节约数亿元的外汇支出，同时提高我国出入境证件的自主可控水平，促进我国集成电路产业的进一步发展。

[1]张之津,李胜广,薛艺泽.智能卡安全与设计[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]郭小波,肖培森.法定证照“中国芯”——国产高端芯片在电子机读旅行证件中的应用[J]. 警察技术, 2016 (1) :71-78.

[3]郭小波.国产电子机读旅行证件专用芯片应用失效分析[J].警察技术,2016 (6) :70-73.

[4]ISO/IEC 10373-6-2011. Identification cards-Test methods- Part 6:Proximity cards [S].