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未来车用半导体技术发展趋势将会怎样?

77 半导体 汽车工业 晶体管
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半导厂商如何跟汽车工业打交道?
未来车用半导体厂商谁来扮演?

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2021-5-14 07:19:40   评论 分享淘帖 邀请回答
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  拜科技进步所赐,目前汽车产业所导入的半导体设备应用,其产品技术正卖力地往前进。过去车上所采用的半导体元件只是旁枝末节的附加功能应用而已,但汽车本体从原本电气系统为辅的机械系统,升级为电子系统为主的汽车专属机电整合架构及电控系统,造就汽车制造厂与半导体厂就像鱼帮水、水帮鱼般地开拓出汽车工业另一片天空。如来一来,该发展趋势不仅促进汽车市场对优质车电产品强大需求,还兼具降低成本效益的最佳解决方案。
  另外,要如何表述车用半导体技术进步程度,除了微控制器、微处理器等产品在汽车获得充分应用发展之外,砷化镓(GaAs)、矽锗(SiGe)等为基板的半导体技术,或以矽为基板的IC工业,除了量产技术外,就以未来应用面来看,将会是车用半导体元件主流。
  半导厂商如何跟汽车工业打交道
  过去,在汽车工业只重视电气系统,却不重视电子系统。举例来说,就像车用照明设备,过去大多采用继电器、熔断器和电源开关作为主要模块设计方式。而目前,许多半导体厂商则是开始强调「智能化」矽解决方案,带领汽车工业进入崭新的汽车设计时代。而这场汽车设计新兴时代历程,除了发生兼具传统特质的电气系统中,还与机械系统密不可分。摊开目前车上发动机控制系统,几乎没有汽车厂商还在使用旧有机械/电气控制方式,而是改用符合现代科技,如:微处理器/微控制器等功能,使引擎/发动机充分发挥高效性能又安静的电控系统,并可以遵循驾驶者需求准确地输出引擎动力。
  那么,因应半导体介入汽车工业程度越来越深,加上半导体供应商持续发展新技术与新工艺制程同时,要如何满足汽车工业对半导体产品需求,便成为当前车用半导体厂商的终极任务。另外,车用半导体发展过程将可引领汽车工业进入成本、集成度都比目前车用系统应用的最佳方式。不过,这还是必须透过半导体供应商来跟汽车工业中的相关车电产业建立桥梁,才足以获得上述进步空间。
  为了达到上述目标,汽车制造商及一级零组件供应商,就必须透过意法、瑞萨、飞思卡尔…等这类型的半导体厂商,不断地发展汽车专用技术及制程工艺,交由半导体供应商为车用半导体元件打造出专门技术与产品。而在同一时间,汽车制造商及一级零组件供应商,也开始为车上专用系统或专用设备。从此便能发现,一个优良的交流方式与过程,对汽车本身与车用半导体产品的拓展有多么重要。
  基本上,被归列为汽车工业中车用半导体开发过程,其实是基于阶段性的交流方式,而在此发展模式之下,半导体供应商必须直接面对到一级车电产品供应商,而一级供应商再转向面对汽车厂,以达相互交流目的。这是因为一级零组件供应商在整车系统中,手中握有部份特殊应用设备开发过程的专门技术诀窍。所以,这种交流方式对于打开封闭汽车工业是极具效果。
  不过,对于仰赖汽车的其它系统设备协助执行目标功能,汽车制造商适时的加入尤其重要。因此,由汽车制造商、一级零组件供应商和半导体供应商便自然形成一个大集团,而这一大集团则采用供应链模式,在集团成员之间建立交流桥梁,汽车工业也正享受这一方式结果所带来的好处。
  从此能窥出汽车工业所带来的好处
  大多数半导体制造商各自拥有多项属于自己专有的半导体技术及制程工艺,因此带动半导体生产制造技术朝向高度智能化程度。另外,其低价成本更是主要关键;这么说好了,当半导体产业开始将注意力转移到汽车工业时,这当中的好处将会由汽车制造商透过一级零组件供应商,最终还是会转移到消费者身上。
  那么,真正令人满意的好处为何?今日的汽车制造商在长时间耕耘之后,已经开始获得应有回报(当然,车用半导体厂商也是如此),目前可以见到许多路上奔驰中一般中等价位或经济型的生活用车,内装车电子系统搭载了智能化设备;由此可见,新开发中的汽车总成本其结构组成将与半导体设备成本,逐渐构成不可分的关系,而半导体的技术演进过程正大力地刺激汽车成本,促使汽车聪明程度日渐提升,反而成本却是越来越低。
  矽技术在车上应用必先突破
  自晶体管(transistor)问世之后,便成为近代电子电路学中的核心应用元件,其主要功能可作为电流开关,就像控制水管中水流量的阀(valve),并与一般机械开关相较之下,最大差异在于晶体管是利用电流大小讯号来加以控制(如下图所示),使得它的切换开关速度非常快(可达100GHz以上)。另外,这几年晶体管演进过程,已经由原本的「锗」转变为「矽」的运用,这其中的变化使得矽半导体发展态势,有了全面性改头换面潮流。不过,最主要还是「应用环境」的问题,一旦矽技术要导入汽车上来加以应用,则必须要打破「矽」先天上在高可靠度需求及恶劣环境中的应用局限。若晶体管对于环境适应能力还迟迟无法改变,又或者矽技术无法突破原有应用领域巢臼,传统机电型继电器将持续以低成本、可靠度等优势作为车用开关解决方案。
  
  
  图说:(a)机械阀与(b)晶体管功能比较图。(资料来源:中兴大学)
  在半导体发展过程中,可以见到矽技术正快速地颠覆过去传统观念,并在先进矽技术之后,半导体厂商所开发的元件,不仅朝芯片大小及封装尺寸方向来走,还要求提高元件内部智能技术含量。而所谓的智能技术含量,就是该技术能够开发出对使用者更具有助益性的智能化应用。比方说:具有智能型无需熔断器的汽车头前灯控制器,可以用来保护汽车头灯与车上电流上;又或者是智能型电动车窗升降,则不需要再另行安装特定传感器,就能达到即时监控车窗使用状态与安全性。
  不过,要如何在单一又具独立性半导体元件中,建构出嵌入式系统功能的矽技术是非常重要。因为这项技术必须要能整合控制电路与场效应MOS驱动器,再搭配车上其它半导体元件来加以运用,便自然而然形成一项完善系统解决方案。不过,在一般情况下,矽结构下只允许设计一个低通态电阻的开关元件,如此一来,仅需运用极少的半导体元件,就能做到驱动性较大的负载作用;例如:直流电机、电磁阀及汽车头灯等。再来,则在于有效率地整合出功率电子学,才得以适用于汽车产业、交通运输、流通物业…等方面,以解决在
  应用环境中的震动(振动)、温度、湿度、耐久性开/关功能,并持续将开关感性负载,所引起的接触退化等问题降到最低,使半导体设备能适用于道路、轨道、空中、海上…等领域的交通工具。
  由此可见,矽技术与半导体制程工艺逐渐结合成为一体,加快实现智能化控制器半导体技术。而当矽的先进技术及制程工艺在相互整合后,便能为汽车工业创造出特有客制化设备,将以低成本达到高功能及最佳系统设计。不过,需要特别留意处,在于「认知上要能有所了解」。这是因为当设计驱动外部负载的车电系统时,首先要先认清采用矽元件的优点及局限,才能为车电系统中的设备,确定半导体内部架构及分布设计后,选用能即时应用的健全架构,确保汽车保持良好质量及高可靠性,再结合一级车用零组件供应链中的专有系统技术,运用在汽车制造商开发的每一台汽车平台上。
  
  
  图说:由于大部分中等价位的汽车上都装设导航、安全及信息娱乐等系统,因此液晶显示器便成为汽车的标准装置之一。美国国家半导体特别为汽车生产商开发芯片组,确保汽车可以采用更少互联机路及更长的电缆,以便降低汽车的整体系统成本。(资料来源:美国国家半导体)
  非矽元件将诞生汽车工业应用
  据日本科技媒体报导指出,日本有许多半导体厂商正在加快进行碳化硅(SiC)元件研究,而碳化硅涵盖了汽车应用领域中的半导体开发技术。以日本电装为例,该公司早在1995年时,就先行预测汽车领域的需求,并开始着手相关研究。从物理基础应用原则来看,碳化硅已是能够取代矽的制造工艺新技术,其优势与矽元件相比,碳化硅元件导通电阻更低,还能大幅降低耗电量。依照理论计算,一旦将目前现有矽元件更替为碳化硅元件,可减少两座核电站供电量。另一个优点在于,碳化硅元件在半导体作用下,阀值焊接温度高达400℃以上,而矽元件却只有175℃上下;因此,碳化硅元件在高温下也能维持正常作用。
  基本上,在汽车工业逐渐扩大应用趋势,将有机会推动碳化硅技术发展。这是因为汽车上需要120℃以上高温环境下,还能正常工作的半导体元件,因此具有高温适应能力的车用半导体元件,将会大幅增加。另外,在车上高温环境因素,矽元件还需要安装散热装置,而碳化硅元件则不需要散热装置还能正常使用,以成本来考量,在元件上加装散热装置后再进行比较的话,碳化硅元件实用门槛将会比矽元件来得较低。另一方面,在车上大电流驱动方面,对于电动汽车、燃料汽车及油电混合汽车等电力驱动电路而言,碳化硅会比矽元件更为合适。
  不过严格说来,碳化硅元件在车电半导体产品中,其实际应用仍受到限制,除了半导体元件还未能符合实用水平之外,扩大普及化最大障碍,在于芯片缺陷密度高,无法提高成品良率,导致生产制造成本过高,将会是矽元件数倍之多。但…部分车用半导体厂商仍表示,一旦车载用碳化硅元件市场崛起,或者进入量产阶段,那么就会加快减小芯片缺陷的开发,碳化硅元件成本过高劣势将有所转圜。
  汽车半导体定位在高尖端科技
  上世纪90年代前半期,LSI及FPD元件技术在市场发展原动力,主要来自于个人计算机,进入中后阶段,则是以携带式通讯产品、无线设备逐渐替代之,成为在个人计算机之后的第二大市场动力。至今,许多半导体元件开发商开始转移目标到汽车领域,甚至已有部份车用半导体技术领先的厂商表示,汽车已脱去「单使用性质成熟元件时代,今后则是往尖端技术方向发展」。长久以来,汽车工业不被归类为尖端技术,而对负责安全的汽车厂商,运用实用化技术的不变原则,未来也不会有所改变。但…若是为了驾驶安全,而不得不采用尖端技术的话,那么运用尖端技术来协助汽车工业发展脚步将不会有所退怯。
  在日本地区的丰田汽车已先行订出在未来15年之内,要将汽车事故减少50%以上为主要发展目标,并计画将汽车设计成为电子茧网络。换句话说,就是采用百余个传感器将汽车给覆盖起来,并依据来自这些传感器所侦测到的信息,利用电控系统对车上各设备进行安全控制。因此,必须要有各类型传感器、可快速处理来自传感器的大量信息的处理器、驱动电控系统的高耐压LSI,以及能够将LSI的可靠性提高到跟飞机元件互相媲美程度。
  
  图说:未来车用电子茧网络架构图。(资料来源:飞思卡尔)
  未来车用半导体厂商 谁来扮演?
  甄选薄膜太阳能电池开发、发电元件组件开发、影像传感器开发、电极材料开发、逆变器/转换器制造…等技术开发人员,提供上述技术开发设计人员的单位,不是三洋电机或是夏普等元件厂商,而是日本丰田汽车在2004年开始征选的技术开发人员,由此不难窥探出汽车厂商积极地进行车载元件的开发动作。
  「汽车厂商将成为半导体厂商」…在不知情的情况下听到这句话,肯定有不少人会有所怀疑。但是,自从汽车厂商喊出自产核心元件口号时,上述情况将变得很有可能。以电子产业先前例子来看,比方说:Panasonic(松下电气)、Sony(索尼)着手开发及量产数码家电系统芯片;甚至在Sony方面,也开始准备量产液晶面板…。这是因为Panasonic或Sony将半导体及显示面板,比喻为电子产业最重要的关键元件。不可否认未来在汽车上,半导体将成为关键元件,到时候丰田汽车也仿效Panasonic或Sony自行生产半导体元件,就成为非常自然的动作。
  一般来说,在车用半导体最大使用者,「汽车工业」将开始自行生产半导体元件时,其中最大困难在于现有生产线,若在最初阶段,还能克服生产线不足问题。但是随著技术的进步生产线更新换代后,现有生产线就只能成为最大的问题。不过,无论是利用现有工艺即可生产的耐高压LSI和传感器,还是可与CELL媲美的高性能产品,估计均会在未来的汽车中得到应用,可以说汽车领域将逐步具备适合于开展半导体业务的应用价值。而最终汽车厂商自行开发半导体元件会发展到哪里种程度,就让我们拭目以待。
2021-5-14 11:39:58 评论

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