窺探未來車用半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展

 拜科技進(jìn)步所賜，目前汽車產(chǎn)業(yè)所導(dǎo)入的半導(dǎo)體設(shè)備應(yīng)用，其產(chǎn)品技術(shù)正賣力地往前進(jìn)。過去車上所采用的半導(dǎo)體元件只是旁枝末節(jié)的附加功能應(yīng)用而已，但汽車本體從原本電氣系統(tǒng)為輔的機(jī)械系統(tǒng)，升級為電子系統(tǒng)為主的汽車專屬機(jī)電整合架構(gòu)及電控系統(tǒng)，造就汽車制造廠與半導(dǎo)體廠就像魚幫水、水幫魚般地開拓出汽車工業(yè)另一片天空。如來一來，該發(fā)展趨勢不僅促進(jìn)汽車市場對優(yōu)質(zhì)車電產(chǎn)品強(qiáng)大需求，還兼具降低成本效益的最佳解決方案。 

另外，要如何表述車用半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步程度，除了微控制器、微處理器等產(chǎn)品在汽車獲得充分應(yīng)用發(fā)展之外，砷化鎵（GaAs）、矽鍺（SiGe）等為基板的半導(dǎo)體技術(shù)，或以矽為基板的IC工業(yè)，除了量產(chǎn)技術(shù)外，就以未來應(yīng)用面來看，將會是車用半導(dǎo)體元件主流。

半導(dǎo)廠商如何跟汽車工業(yè)打交道

過去，在汽車工業(yè)只重視電氣系統(tǒng)，卻不重視電子系統(tǒng)。舉例來說，就像車用照明設(shè)備，過去大多采用繼電器、熔斷器和電源開關(guān)作為主要模塊設(shè)計(jì)方式。而目前，許多半導(dǎo)體廠商則是開始強(qiáng)調(diào)「智能化」矽解決方案，帶領(lǐng)汽車工業(yè)進(jìn)入嶄新的汽車設(shè)計(jì)時(shí)代。而這場汽車設(shè)計(jì)新興時(shí)代歷程，除了發(fā)生兼具傳統(tǒng)特質(zhì)的電氣系統(tǒng)中，還與機(jī)械系統(tǒng)密不可分。攤開目前車上發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，幾乎沒有汽車廠商還在使用舊有機(jī)械／電氣控制方式，而是改用符合現(xiàn)代科技，如：微處理器／微控制器等功能，使引擎／發(fā)動機(jī)充分發(fā)揮高效性能又安靜的電控系統(tǒng)，并可以遵循駕駛者需求準(zhǔn)確地輸出引擎動力。

那么，因應(yīng)半導(dǎo)體介入汽車工業(yè)程度越來越深，加上半導(dǎo)體供應(yīng)商持續(xù)發(fā)展新技術(shù)與新工藝制程同時(shí)，要如何滿足汽車工業(yè)對半導(dǎo)體產(chǎn)品需求，便成為當(dāng)前車用半導(dǎo)體廠商的終極任務(wù)。另外，車用半導(dǎo)體發(fā)展過程將可引領(lǐng)汽車工業(yè)進(jìn)入成本、集成度都比目前車用系統(tǒng)應(yīng)用的最佳方式。不過，這還是必須透過半導(dǎo)體供應(yīng)商來跟汽車工業(yè)中的相關(guān)車電產(chǎn)業(yè)建立橋梁，才足以獲得上述進(jìn)步空間。

為了達(dá)到上述目標(biāo)，汽車制造商及一級零組件供應(yīng)商，就必須透過意法、瑞薩、飛思卡爾…等這類型的半導(dǎo)體廠商，不斷地發(fā)展汽車專用技術(shù)及制程工藝，交由半導(dǎo)體供應(yīng)商為車用半導(dǎo)體元件打造出專門技術(shù)與產(chǎn)品。而在同一時(shí)間，汽車制造商及一級零組件供應(yīng)商，也開始為車上專用系統(tǒng)或?qū)Ｓ迷O(shè)備。從此便能發(fā)現(xiàn)，一個優(yōu)良的交流方式與過程，對汽車本身與車用半導(dǎo)體產(chǎn)品的拓展有多么重要。

基本上，被歸列為汽車工業(yè)中車用半導(dǎo)體開發(fā)過程，其實(shí)是基于階段性的交流方式，而在此發(fā)展模式之下，半導(dǎo)體供應(yīng)商必須直接面對到一級車電產(chǎn)品供應(yīng)商，而一級供應(yīng)商再轉(zhuǎn)向面對汽車廠，以達(dá)相互交流目的。這是因?yàn)橐患壛憬M件供應(yīng)商在整車系統(tǒng)中，手中握有部份特殊應(yīng)用設(shè)備開發(fā)過程的專門技術(shù)訣竅。所以，這種交流方式對于打開封閉汽車工業(yè)是極具效果。

不過，對于仰賴汽車的其它系統(tǒng)設(shè)備協(xié)助執(zhí)行目標(biāo)功能，汽車制造商適時(shí)的加入尤其重要。因此，由汽車制造商、一級零組件供應(yīng)商和半導(dǎo)體供應(yīng)商便自然形成一個大集團(tuán)，而這一大集團(tuán)則采用供應(yīng)鏈模式，在集團(tuán)成員之間建立交流橋梁，汽車工業(yè)也正享受這一方式結(jié)果所帶來的好處。

從此　能窺出汽車工業(yè)所帶來的好處

大多數(shù)半導(dǎo)體制造商各自擁有多項(xiàng)屬于自己專有的半導(dǎo)體技術(shù)及制程工藝，因此帶動半導(dǎo)體生產(chǎn)制造技術(shù)朝向高度智能化程度。另外，其低價(jià)成本更是主要關(guān)鍵；這么說好了，當(dāng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開始將注意力轉(zhuǎn)移到汽車工業(yè)時(shí)，這當(dāng)中的好處將會由汽車制造商透過一級零組件供應(yīng)商，最終還是會轉(zhuǎn)移到消費(fèi)者身上。

那么，真正令人滿意的好處為何？今日的汽車制造商在長時(shí)間耕耘之后，已經(jīng)開始獲得應(yīng)有回報(bào)（當(dāng)然，車用半導(dǎo)體廠商也是如此），目前可以見到許多路上奔馳中一般中等價(jià)位或經(jīng)濟(jì)型的生活用車，內(nèi)裝車電子系統(tǒng)搭載了智能化設(shè)備；由此可見，新開發(fā)中的汽車總成本其結(jié)構(gòu)組成將與半導(dǎo)體設(shè)備成本，逐漸構(gòu)成不可分的關(guān)系，而半導(dǎo)體的技術(shù)演進(jìn)過程正大力地刺激汽車成本，促使汽車聰明程度日漸提升，反而成本卻是越來越低。

矽技術(shù)在車上應(yīng)用必先突破

自晶體管（transistor）問世之后，便成為近代電子電路學(xué)中的核心應(yīng)用元件，其主要功能可作為電流開關(guān)，就像控制水管中水流量的閥（valve），并與一般機(jī)械開關(guān)相較之下，最大差異在于晶體管是利用電流大小訊號來加以控制（如下圖所示），使得它的切換開關(guān)速度非常快（可達(dá)100GHz以上）。另外，這幾年晶體管演進(jìn)過程，已經(jīng)由原本的「鍺」轉(zhuǎn)變?yōu)椤肝沟倪\(yùn)用，這其中的變化使得矽半導(dǎo)體發(fā)展態(tài)勢，有了全面性改頭換面潮流。不過，最主要還是「應(yīng)用環(huán)境」的問題，一旦矽技術(shù)要導(dǎo)入汽車上來加以應(yīng)用，則必須要打破「矽」先天上在高可靠度需求及惡劣環(huán)境中的應(yīng)用局限。若晶體管對于環(huán)境適應(yīng)能力還遲遲無法改變，又或者矽技術(shù)無法突破原有應(yīng)用領(lǐng)域巢臼，傳統(tǒng)機(jī)電型繼電器將持續(xù)以低成本、可靠度等優(yōu)勢作為車用開關(guān)解決方案。

　圖說：(a)機(jī)械閥與(b)晶體管功能比較圖。（資料來源：中興大學(xué)）

在半導(dǎo)體發(fā)展過程中，可以見到矽技術(shù)正快速地顛覆過去傳統(tǒng)觀念，并在先進(jìn)矽技術(shù)之后，半導(dǎo)體廠商所開發(fā)的元件，不僅朝芯片大小及封裝尺寸方向來走，還要求提高元件內(nèi)部智能技術(shù)含量。而所謂的智能技術(shù)含量，就是該技術(shù)能夠開發(fā)出對使用者更具有助益性的智能化應(yīng)用。比方說：具有智能型無需熔斷器的汽車頭前燈控制器，可以用來保護(hù)汽車頭燈與車上電流上；又或者是智能型電動車窗升降，則不需要再另行安裝特定傳感器，就能達(dá)到即時(shí)監(jiān)控車窗使用狀態(tài)與安全性。 

不過，要如何在單一又具獨(dú)立性半導(dǎo)體元件中，建構(gòu)出嵌入式系統(tǒng)功能的矽技術(shù)是非常重要。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)必須要能整合控制電路與場效應(yīng)MOS驅(qū)動器，再搭配車上其它半導(dǎo)體元件來加以運(yùn)用，便自然而然形成一項(xiàng)完善系統(tǒng)解決方案。不過，在一般情況下，矽結(jié)構(gòu)下只允許設(shè)計(jì)一個低通態(tài)電阻的開關(guān)元件，如此一來，僅需運(yùn)用極少的半導(dǎo)體元件，就能做到驅(qū)動性較大的負(fù)載作用；例如：直流電機(jī)、電磁閥及汽車頭燈等。再來，則在于有效率地整合出功率電子學(xué)，才得以適用于汽車產(chǎn)業(yè)、交通運(yùn)輸、流通物業(yè)…等方面，以解決在應(yīng)用環(huán)境中的震動（振動）、溫度、濕度、耐久性開／關(guān)功能，并持續(xù)將開關(guān)感性負(fù)載，所引起的接觸退化等問題降到最低，使半導(dǎo)體設(shè)備能適用于道路、軌道、空中、海上…等領(lǐng)域的交通工具。

由此可見，矽技術(shù)與半導(dǎo)體制程工藝逐漸結(jié)合成為一體，加快實(shí)現(xiàn)智能化控制器半導(dǎo)體技術(shù)。而當(dāng)矽的先進(jìn)技術(shù)及制程工藝在相互整合后，便能為汽車工業(yè)創(chuàng)造出特有客制化設(shè)備，將以低成本達(dá)到高功能及最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì)。不過，需要特別留意處，在于「認(rèn)知上要能有所了解」。這是因?yàn)楫?dāng)設(shè)計(jì)驅(qū)動外部負(fù)載的車電系統(tǒng)時(shí)，首先要先認(rèn)清采用矽元件的優(yōu)點(diǎn)及局限，才能為車電系統(tǒng)中的設(shè)備，確定半導(dǎo)體內(nèi)部架構(gòu)及分布設(shè)計(jì)后，選用能即時(shí)應(yīng)用的健全架構(gòu)，確保汽車保持良好質(zhì)量及高可靠性，再結(jié)合一級車用零組件供應(yīng)鏈中的專有系統(tǒng)技術(shù)，運(yùn)用在汽車制造商開發(fā)的每一臺汽車平臺上。

圖說：由于大部分中等價(jià)位的汽車上都裝設(shè)導(dǎo)航、安全及信息娛樂等系統(tǒng)，因此液晶顯示器便成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)裝置之一。美國國家半導(dǎo)體特別為汽車生產(chǎn)商開發(fā)芯片組，確保汽車可以采用更少互聯(lián)機(jī)路及更長的電纜，以便降低汽車的整體系統(tǒng)成本。（資料來源：美國國家半導(dǎo)體）

非矽元件將誕生汽車工業(yè)應(yīng)用 

據(jù)日本科技媒體報(bào)導(dǎo)指出，日本有許多半導(dǎo)體廠商正在加快進(jìn)行碳化硅（SiC）元件研究，而碳化硅涵蓋了汽車應(yīng)用領(lǐng)域中的半導(dǎo)體開發(fā)技術(shù)。以日本電裝為例，該公司早在1995年時(shí)，就先行預(yù)測汽車領(lǐng)域的需求，并開始著手相關(guān)研究。從物理基礎(chǔ)應(yīng)用原則來看，碳化硅已是能夠取代矽的制造工藝新技術(shù)，其優(yōu)勢與矽元件相比，碳化硅元件導(dǎo)通電阻更低，還能大幅降低耗電量。依照理論計(jì)算，一旦將目前現(xiàn)有矽元件更替為碳化硅元件，可減少兩座核電站供電量。另一個優(yōu)點(diǎn)在于，碳化硅元件在半導(dǎo)體作用下，閥值焊接溫度高達(dá)400℃以上，而矽元件卻只有175℃上下；因此，碳化硅元件在高溫下也能維持正常作用。

基本上，在汽車工業(yè)逐漸擴(kuò)大應(yīng)用趨勢，將有機(jī)會推動碳化硅技術(shù)發(fā)展。這是因?yàn)槠嚿闲枰?20℃以上高溫環(huán)境下，還能正常工作的半導(dǎo)體元件，因此具有高溫適應(yīng)能力的車用半導(dǎo)體元件，將會大幅增加。另外，在車上高溫環(huán)境因素，矽元件還需要安裝散熱裝置，而碳化硅元件則不需要散熱裝置還能正常使用，以成本來考量，在元件上加裝散熱裝置后再進(jìn)行比較的話，碳化硅元件實(shí)用門檻將會比矽元件來得較低。另一方面，在車上大電流驅(qū)動方面，對于電動汽車、燃料汽車及油電混合汽車等電力驅(qū)動電路而言，碳化硅會比矽元件更為合適。

不過嚴(yán)格說來，碳化硅元件在車電半導(dǎo)體產(chǎn)品中，其實(shí)際應(yīng)用仍受到限制，除了半導(dǎo)體元件還未能符合實(shí)用水平之外，擴(kuò)大普及化最大障礙，在于芯片缺陷密度高，無法提高成品良率，導(dǎo)致生產(chǎn)制造成本過高，將會是矽元件數(shù)倍之多。但…部分車用半導(dǎo)體廠商仍表示，一旦車載用碳化硅元件市場崛起，或者進(jìn)入量產(chǎn)階段，那么就會加快減小芯片缺陷的開發(fā)，碳化硅元件成本過高劣勢將有所轉(zhuǎn)圜。

汽車半導(dǎo)體定位在高尖端科技

上世紀(jì)90年代前半期，LSI及FPD元件技術(shù)在市場發(fā)展原動力，主要來自于個人計(jì)算機(jī)，進(jìn)入中后階段，則是以攜帶式通訊產(chǎn)品、無線設(shè)備逐漸替代之，成為在個人計(jì)算機(jī)之后的第二大市場動力。至今，許多半導(dǎo)體元件開發(fā)商開始轉(zhuǎn)移目標(biāo)到汽車領(lǐng)域，甚至已有部份車用半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)先的廠商表示，汽車已脫去「單使用性質(zhì)成熟元件時(shí)代，今后則是往尖端技術(shù)方向發(fā)展」。長久以來，汽車工業(yè)不被歸類為尖端技術(shù)，而對負(fù)責(zé)安全的汽車廠商，運(yùn)用實(shí)用化技術(shù)的不變原則，未來也不會有所改變。但…若是為了駕駛安全，而不得不采用尖端技術(shù)的話，那么運(yùn)用尖端技術(shù)來協(xié)助汽車工業(yè)發(fā)展腳步將不會有所退怯。

在日本地區(qū)的豐田汽車已先行訂出在未來15年之內(nèi)，要將汽車事故減少50％以上為主要發(fā)展目標(biāo)，并計(jì)畫將汽車設(shè)計(jì)成為電子繭網(wǎng)絡(luò)。換句話說，就是采用百余個傳感器將汽車給覆蓋起來，并依據(jù)來自這些傳感器所偵測到的信息，利用電控系統(tǒng)對車上各設(shè)備進(jìn)行安全控制。因此，必須要有各類型傳感器、可快速處理來自傳感器的大量信息的處理器、驅(qū)動電控系統(tǒng)的高耐壓LSI，以及能夠?qū)SI的可靠性提高到跟飛機(jī)元件互相媲美程度。



圖說：未來車用電子繭網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。（資料來源：飛思卡爾）

未來車用半導(dǎo)體廠商　誰來扮演？

甄選薄膜太陽能電池開發(fā)、發(fā)電元件組件開發(fā)、影像傳感器開發(fā)、電極材料開發(fā)、逆變器／轉(zhuǎn)換器制造…等技術(shù)開發(fā)人員，提供上述技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)人員的單位，不是三洋電機(jī)或是夏普等元件廠商，而是日本豐田汽車在2004年開始征選的技術(shù)開發(fā)人員，由此不難窺探出汽車廠商積極地進(jìn)行車載元件的開發(fā)動作。

「汽車廠商將成為半導(dǎo)體廠商」…在不知情的情況下聽到這句話，肯定有不少人會有所懷疑。但是，自從汽車廠商喊出自產(chǎn)核心元件口號時(shí)，上述情況將變得很有可能。以電子產(chǎn)業(yè)先前例子來看，比方說：Panasonic（松下電氣）、Sony（索尼）著手開發(fā)及量產(chǎn)數(shù)碼家電系統(tǒng)芯片；甚至在Sony方面，也開始準(zhǔn)備量產(chǎn)液晶面板…。這是因?yàn)镻anasonic或Sony將半導(dǎo)體及顯示面板，比喻為電子產(chǎn)業(yè)最重要的關(guān)鍵元件。不可否認(rèn)未來在汽車上，半導(dǎo)體將成為關(guān)鍵元件，到時(shí)候豐田汽車也仿效Panasonic或Sony自行生產(chǎn)半導(dǎo)體元件，就成為非常自然的動作。

一般來說，在車用半導(dǎo)體最大使用者，「汽車工業(yè)」將開始自行生產(chǎn)半導(dǎo)體元件時(shí)，其中最大困難在于現(xiàn)有生產(chǎn)線，若在最初階段，還能克服生產(chǎn)線不足問題。但是隨著技術(shù)的進(jìn)步生產(chǎn)線更新?lián)Q代后，現(xiàn)有生產(chǎn)線就只能成為最大的問題。不過，無論是利用現(xiàn)有工藝即可生產(chǎn)的耐高壓LSI和傳感器，還是可與CELL媲美的高性能產(chǎn)品，估計(jì)均會在未來的汽車中得到應(yīng)用，可以說汽車領(lǐng)域?qū)⒅鸩骄邆溥m合于開展半導(dǎo)體業(yè)務(wù)的應(yīng)用價(jià)值。而最終汽車廠商自行開發(fā)半導(dǎo)體元件會發(fā)展到哪里種程度，就讓我們拭目以待。