[原创] 半导体材料助攻汽车电子
2020-07-06
14:00:39
来源: 半导体行业观察
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。
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。
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。”
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