微電子及碳化硅技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用探討

賈子厚

（中北大學(xué)能源動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

《中國(guó)制造2025》提出要將“推動(dòng)集成電路及專用裝備發(fā)展”作為重點(diǎn)突破口，加快從制造大國(guó)轉(zhuǎn)向制造強(qiáng)國(guó)。微電子器件作為電子信息領(lǐng)域的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)通信、汽車電子、電力電子等領(lǐng)域。在如今碳中和大趨勢(shì)、大背景下，微電子技術(shù)和碳化硅技術(shù)的應(yīng)用以及新能源的普及已成為汽車產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向。

1 微電子技術(shù)及碳化硅技術(shù)的起源與發(fā)展

電子技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路等階段，世界集成電路產(chǎn)業(yè)的形成可以追溯到20 世紀(jì)70 年代。微電子技術(shù)的發(fā)展是隨著集成電路的發(fā)展而產(chǎn)生的。隨著半導(dǎo)體材料和技術(shù)的發(fā)展和不斷演化，微電子技術(shù)在追求集成性更高和功能性更全的道路上不斷發(fā)展，在電子電路系統(tǒng)的超小型化和微型化過程中逐漸發(fā)展起來，目前該技術(shù)可以在納米級(jí)別超小區(qū)域通過固體內(nèi)的微觀電子運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)信息的處理與傳遞。微電子學(xué)已成為一門發(fā)展極其迅速的學(xué)科，高度集成、高容量、超高頻、超低功耗、高性能、高可靠性是微電子的發(fā)展方向。

碳化硅是一種人工合成的應(yīng)用型新型材料，于19 世紀(jì)末由美國(guó)人發(fā)現(xiàn)。這種材料的生產(chǎn)以二氧化硅為原料，通過與氫氣等特殊氣體的反應(yīng)提純，再以碳質(zhì)材料為腔體或芯體，在電生長(zhǎng)爐中通過工藝溫度控制完成生長(zhǎng)。由于碳化硅材料硬度高、耐高溫，具有優(yōu)質(zhì)半導(dǎo)體屬性[1]，因此被廣泛應(yīng)用于功能陶瓷、高級(jí)耐火材料、冶金原料以及半導(dǎo)體芯片襯底及外延等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的發(fā)展，碳化硅材料正被應(yīng)用于更多領(lǐng)域，碳化硅材料技術(shù)同石墨烯材料技術(shù)一樣，將成為未來的新型材料技術(shù)之一。

2 微電子及碳化硅技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)汽車的功能要求越來越高，車輛工程逐步朝著更加智能化、信息化的方向發(fā)展。例如先進(jìn)的定位系統(tǒng)、車輛防碰撞系統(tǒng)、駕駛控制系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、緊急報(bào)警系統(tǒng)、人工智能系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)等都將在一輛小小的汽車上集成，每輛汽車上的電子產(chǎn)品會(huì)越來越多。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，在汽車功能不斷增加而空間不加大的前提下使之成為可能，汽車電子系統(tǒng)的多功能化將引導(dǎo)汽車步入多媒體、智能化、零排放和安全技術(shù)新時(shí)代。

2.1 微電子技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1） 微電子技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)介紹以低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC） 技術(shù)為例。LTCC 技術(shù)可以將諸多片式元器件（如低容值電容和電阻、濾波器、阻抗轉(zhuǎn)換器、耦合器等）埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，內(nèi)外電極可以分別使用銀、銅、金等金屬組裝在多塊高密度多層互連基板上，在900 ℃下燒結(jié)，封裝在外殼內(nèi)制成三維空間互聯(lián)電路基板及三維空間互不干擾的高密度電路，制成有源、無源集成的功能模塊，進(jìn)一步將電路小型化、高密度化。立體組裝就是在二維平面（x，y） 的基礎(chǔ)上向z 方向發(fā)展的高密度互聯(lián)技術(shù)，二維平面厚度可減小到紙片厚度再縱向疊加，展開面積可放大數(shù)十倍，也就是說同樣大小的芯片其功能呈指數(shù)級(jí)增加[2]。

2） 芯片各元器件之間互連線的長(zhǎng)度已成為影響系統(tǒng)信號(hào)傳輸延遲的關(guān)鍵，互連線越長(zhǎng)，寄生的電感、電容越大，延遲也越大。傳統(tǒng)二維芯片最短的互連線通常約為3 mm，采用三維芯片時(shí)z 軸方向最短互連距離僅為0.2 mm。微電子技術(shù)的應(yīng)用大幅度縮短了信號(hào)傳輸延遲時(shí)間，同時(shí)減少了噪聲。

3） 三維微電子技術(shù)可以使大小相同的二維芯片互連點(diǎn)數(shù)增加多個(gè)數(shù)量級(jí)，為疊層中心元件提供上百個(gè)相鄰元件，而在二維結(jié)構(gòu)中可提供的僅有幾個(gè)。三維微組裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部單位面積的互連點(diǎn)數(shù)大大增加，集成度更高，使系統(tǒng)的外部連接點(diǎn)數(shù)和插板大大減少。三維結(jié)構(gòu)對(duì)于二維結(jié)構(gòu)如同降維打擊。

4） 微電子技術(shù)正廣泛應(yīng)用于無線通信、汽車電子、功率半導(dǎo)體器件以及航天、航空電子和可穿戴設(shè)備，巨大的市場(chǎng)需求為元器件產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化提供了巨大動(dòng)力。隨著高端微電子器件國(guó)產(chǎn)化工程的開展，相關(guān)工藝的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程加快，我國(guó)電子裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展隨之加快，技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平之間的差距加速縮小，部分關(guān)鍵電子設(shè)備已經(jīng)具備了參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力，這將大大降低微電子器件的制造成本。

2.2 碳化硅技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1） 以碳化硅為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料具有高頻率、耐高壓、耐高溫、抗輻射、光電性優(yōu)異、禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速率高等特點(diǎn)。例如，應(yīng)用普通硅材料作為半導(dǎo)體材料時(shí)工作溫度的極限為300 ℃，而在使用碳化硅材料作為半導(dǎo)體材料時(shí)，由于其耐高溫特性，工作溫度的極限可提高到600 ℃以上。碳化硅半導(dǎo)體材料已被廣泛使用在微波射頻、光電子元器件中，與新能源汽車電氣化、高標(biāo)化要求契合，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器功率模塊、車載電機(jī)、電源轉(zhuǎn)換器中均可應(yīng)用碳化硅元器件。

2） 目前續(xù)航里程和充電時(shí)間是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的兩大因素，在超快充領(lǐng)域應(yīng)用碳化硅電氣元器件可以解決充電時(shí)間過長(zhǎng)的問題，充電時(shí)間將由原來的2 h 縮短至10 min，實(shí)現(xiàn)高效電能轉(zhuǎn)化。在氫燃料電池的氫轉(zhuǎn)電高速分離過程中，氫燃料電推升壓時(shí)普通硅器件無法承受系統(tǒng)高頻、高效需求，采用碳化硅器件能很好地解決這個(gè)問題。

3） 碳化硅器件可廣泛應(yīng)用于高壓輸電、逆變器、不間斷電源、智慧電網(wǎng)等功率應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅的應(yīng)用幾乎涵蓋了新基建涉及的大部分領(lǐng)域，市場(chǎng)需求大，國(guó)內(nèi)很多高新技術(shù)企業(yè)已展開布局。

3 微電子及碳化硅技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景

節(jié)能減排、碳中和已上升到國(guó)家戰(zhàn)略的高度，新能源汽車的普及也勢(shì)在必行。微電子產(chǎn)品小型化、輕量化、集成化的特點(diǎn)和碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料所具有的光電性、高效性、耐久性成為帶動(dòng)新能源汽車發(fā)展的基本技術(shù)支撐。

目前我國(guó)的汽車產(chǎn)銷量保持高速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2025 年汽車年產(chǎn)量將達(dá)到3 000 萬輛。新能源汽車普及加速，可以預(yù)見“十四五”期間新能源汽車市場(chǎng)將迎來空前發(fā)展機(jī)遇，我國(guó)的汽車企業(yè)將加快布局更多的產(chǎn)品，加速新能源汽車對(duì)傳統(tǒng)汽車的替代，預(yù)計(jì)2025 年新能源汽車銷量將達(dá)到700 萬輛以上。國(guó)內(nèi)各大汽車企業(yè)的“十四五”規(guī)劃已經(jīng)發(fā)布，各車企在電動(dòng)汽車領(lǐng)域均有布局，例如吉利汽車提出2025 年新能源汽車銷量占比達(dá)到40%；上汽集團(tuán)規(guī)劃“十四五”期間進(jìn)入轉(zhuǎn)型升級(jí)關(guān)鍵期，汽車電動(dòng)化、智能化、信息化目標(biāo)明確；東風(fēng)自主品牌新能源汽車的銷售目標(biāo)是100 萬輛[3]。

未來幾年汽車產(chǎn)業(yè)要朝著輕量化、電動(dòng)化、智能化、物聯(lián)化、共享化發(fā)展，微電子及碳化硅元器件普及應(yīng)用勢(shì)在必行。采用微電子技術(shù)和碳化硅技術(shù)的汽車電子系統(tǒng)可靠性更高，能夠在極其嚴(yán)酷的環(huán)境下使用，微電子和碳化硅產(chǎn)品的需求強(qiáng)勁。微電子和碳化硅技術(shù)在快充領(lǐng)域的應(yīng)用同樣廣泛，如果能夠配合石墨烯、鋰、氫等技術(shù)解決電池容量和續(xù)航問題，新能源汽車取代傳統(tǒng)汽車的前景將一片大好。微電子與碳化硅技術(shù)具有諸多先進(jìn)性，但是目前規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化不足，價(jià)格仍處高位，整車采用會(huì)增加成本，但綜合使用其系統(tǒng)性成本仍有優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)的電子行業(yè)發(fā)展起步較晚，整體發(fā)展水平較低。光刻是微電子技術(shù)工藝中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，主要用于外延晶片表面投射，對(duì)精度的要求極高，我國(guó)目前仍不能自主生產(chǎn)高水平的光刻設(shè)備，頂尖光刻設(shè)備的購買也受到外國(guó)限制。目前國(guó)內(nèi)光刻機(jī)最高量產(chǎn)工藝能夠達(dá)到90 nm，上海微電子第一臺(tái)28 nm 工藝的國(guó)產(chǎn)沉浸式光刻機(jī)雖然即將交付，但是這和荷蘭ASML 公司的5 nm 工藝還有很大差距，為此國(guó)家采取了必要的措施。隨著中電二所、山西爍科、上海微高、泰科天潤(rùn)、石家莊普興、上海微電子等電子類高新技術(shù)企業(yè)布局微電子及碳化硅產(chǎn)業(yè)，微電子及碳化硅裝備和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，相關(guān)技術(shù)取得很大進(jìn)步，正朝著專業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化方向邁進(jìn)。預(yù)計(jì)我國(guó)微電子及碳化硅產(chǎn)業(yè)技術(shù)、生產(chǎn)供應(yīng)鏈條將在2025 年得到全面完善，部分專業(yè)電子裝備將達(dá)到世界先進(jìn)水平。汽車企業(yè)可以根據(jù)自身需求進(jìn)行芯片的概念設(shè)想及構(gòu)架設(shè)計(jì)，其他工作交由專業(yè)芯片生產(chǎn)廠家完成，到時(shí)候物美價(jià)廉的微電子、碳化硅產(chǎn)品將引領(lǐng)我國(guó)由汽車制造業(yè)大國(guó)向汽車制造業(yè)強(qiáng)國(guó)挺進(jìn)。

4 結(jié)束語

以上是對(duì)微電子技術(shù)及碳化硅技術(shù)在新能源汽車控制和電氣系統(tǒng)中應(yīng)用的探討，該系統(tǒng)只是新能源汽車諸多系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)。如果將汽車比作一個(gè)生命體，以上更多的是大腦神經(jīng)控制方面的探討，一個(gè)生命體還應(yīng)該具有肌肉骨骼、皮膚毛發(fā)、心臟血脈、外形氣質(zhì)、學(xué)習(xí)能力等方方面面，將來還應(yīng)從材料技術(shù)、表面處理技術(shù)、電池技術(shù)、工藝設(shè)計(jì)技術(shù)、信息集成技術(shù)等方面進(jìn)行探討。相信更多新工藝和新材料的不斷研發(fā)及應(yīng)用將全方位地促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大。