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半导体材料助攻汽车电子

来源:半导体行业观察   2020-07-07 阅读:26

目前来看,汽车行业出现了几大发展趋势,可以概括为CASE,也就是互联、自动化、共享和电动化的英文首字母缩写。预计到2030年,5G汽车的销量会达到1600万,自动驾驶L3及以上车型销量会达到700万辆,电动汽车会达到2300万辆。

这些趋势给整个汽车产业带来了很多变化。在2007年,电子系统的成本在整车成本中占比只有20%,到2030年预计会达到50%,汽车行业的设计、创新,关键就是在电子系统部分,如果细分到CASE的每一个领域,从互联、共享、电动化以及自动化,每一部分成本会呈现2%~22%不等的增长。这给整个半导体行业、整个电子设计行业带来了很多机遇,同时也存在不少挑战。

眼下,自动驾驶和电动汽车成为汽车电子发展的两大发展引擎。

对于自动驾驶而言,在L1,自动驾驶部分的芯片元器件成本只有150美金,到L3会达到600美金,如果上升到L4、L5,整车半导体部分的成本会达到1200美金,特别是汽车的视觉系统、雷达等使汽车能够感知周边环境的部件,今后会大量装配。

电动化也会对汽车的成本以及整个动力系统产生很大的影响和改变,特别是增加的功率半导体成本从200美金到450美金不等,其中80%的成本用在了功率MOSFET上,而碳化硅将是其发展的新动力。

SOI应对挑战

这样的变化,给汽车的创新和设计带来了很多挑战:如何能够提高汽车的能效,继而提高行驶的里程;如何达到汽车最优的通讯;如何能够使整个系统高效地集成,以及对于自动驾驶来说有更好的传感器和显示;还有可靠性、安全性等。

而要解决这些问题和挑战,就需要在芯片以上的更高层级下功夫,例如用于生产集成电路的晶圆和衬底材料。可以说,汽车电子,特别是自动驾驶和电动汽车的发展,给半导体产业链上游的材料行业,如晶圆衬底材料,提供了更广阔的发展空间。Soitec正是一家这样的半导体企业。

据Soitec中国区战略发展总监张万鹏先生介绍,对于汽车业的发展,该公司有一系列的优化衬底产品组合可服务于汽车创新。如该公司在智能手机业受到广泛认可的RF-SOI,还有POI(Power-SOI)、FD-SOI,以及碳化硅和氮化镓。

最近几年,随着工艺的不断成熟,应用需求的提升,以及客户认可度的加强,FD-SOI工艺凭借其低功耗的特点,受到了越来越多地关注。目前,FD-SOI技术已经应用到很多汽车系统中,比如Arbe RobotICs公司的4D成像雷达就是在22nm的FD-SOI上实现的;Mobileye的EyeQ4视觉处理器是在28nm的FD-SOI上面实现的。这些都已经在业界开始应用。针对意法半导体的域控制器MCU、恩智浦用于信息娱乐的应用处理器,FD-SOI技术均为其系统提升了可靠性和性能。

对于汽车半导体,FD-SOI工艺有诸多优点,首先,对于视觉处理器和边缘计算来说,它在同一节点上速度可以比竞品提高40%,而且使用更低的功耗;其次,对于片上微波和毫米波系统,它可以实现片上的集成,解决长程和短程雷达的问题;第三,它可以通过自适应基底偏压实现更稳定的操作,尤其对于车规产品来说可靠性要求是非常高的;第四,低功耗MCU的能效会提高5倍,而且对于一些传感器来说,因为都是用电池供电的,可以实现整个汽车的低功耗;第五,整个SOI工艺流程在设计当中只需要很少的设计周期,产品上市时间会更短,使成本更有竞争力。

除了RF-SOI和FD-SOI,Soitec的特殊SOI业务也推出了一系列产品,主要服务于汽车市场,Power-SOI就是其中重要一环。该公司全球战略执行副总裁Thomas PILISZCZUK先生表示:“我们在密切关注汽车市场对于功率Power-SOI的需求。汽车市场在2020年呈现出些许疲软,我们预计它在2021年会开始慢慢复苏。”

Power-SOI从1995年发展到现在,工艺愈加成熟,预计今年有60亿台设备会使用Power-SOI衬底,更多应用在电池管理系统,包括汽车的D类音频放大器和制动器。

另外,Soitec独有的晶圆制造工艺Smart Cut技术可以显著提高晶圆材料的均匀性,降低材料的缺陷密度,以及使高质量的晶圆循环再利用。该技术从1992年公司成立一直使用到现在,在硅、碳化硅、蓝宝石衬底等各种半导体材料中都得到了实践应用,已经非常成熟。

据张万鹏介绍,Smart Cut碳化硅技术具有很多优势:第一,可以使用和回收高品质碳化硅衬底,碳化硅的供应量是比较小的,可以在循环使用的过程中保证供应链的稳定性。另外,Smart Cut碳化硅技术使缺陷密度显著降低,并且可以简化设备制造的流程。

张万鹏表示,基于Smart Cut工艺的碳化硅衬底MOSFET,性能上比传统硅IGBT器件有很大提升。在汽车当中,碳化硅MOSFET主要用于逆变器,纯电动车动力总成的逆变器是核心器件,基于碳化硅的逆变器,其尺寸会减小50%,带来的好处就是其重量会减轻。另外,其性能也会提升,而且碳化硅耐高温、耐高压,所以性能非常稳定,使用寿命也更长。

合作

关于生态建设和产业合作,Thomas PILISZCZUK表示:“我们的策略是和整个生态系统进行合作,既包括直接客户,也包括OEM、设计公司等。我想这种方式可以更好地理解整个市场,为客户提供实现他们目标的最佳方案。在进行基于Smart Cut的碳化硅业务运营时,我们也是遵循同样的方法,我们和设备、模块厂商,以及整车OEM都有合作,而且在世界各地的不同市场都是这样。”

张万鹏表示:“Soitec在整个汽车产业,跟Tier 1到Tier 3,以及整车厂有密切合作,我们也希望能够跟中国的汽车产业加强合作,希望利用我们的SOI技术为中国的整车、零部件,以及整个产业生态系统贡献我们的一份力量。”

标签: CASE

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