車用半導體技術發展趨勢

本文作者:陳慧娟產業分析師       點擊: 2011-10-15 22:58
前言:

車用半導體採用了各種不同的控制系統。在ECU以及智慧型驅動器中,使用了混載數位迴路、類比迴路以及負載驅動電路的複合IC、微控制器以及分離式元件等。汽車感應器則針對行駛、轉彎、停止、安全、舒適、環境、資訊、通訊的用途,搭載了可以偵測溫度、壓力、加速度、位置、角度、迴轉、流量等的感應器,並透過使用矽材料的MEMS技術極度縮小體積。

一、汽車電子領域的半導體技術

    大部分的汽車電子產品都具有ECU,並且以其為核心,處理感應器等的輸入資訊,驅動馬達等的驅動器,並以車內LAN網路(Local Area Network)實施ECU彼此之間的通訊。ECU配備有通訊電路,以當作維持與感應器、處理開關輸入的輸入處理迴路、AD(類比與數位)變換迴路、微控制器、電源、輸出處理迴路、電源元件以及其他ECU的通訊手段,而組成的零件幾乎都是半導體。【圖1】為ECU圖示。

    汽車對環境性能、安全性與舒適性的要求越來越高,為了實現這些要求,未來汽車電子的搭載數量將會越來越多。最近在車載感應器方面,出現了使用MEMS技術的壓力感應器以及加速度感應器等各種感應器,另外信號處理以及輸出處理迴路等也都使用了半導體。此外,在驅動器方面,比如搭載信號處理、輸出處理迴路、負荷驅動迴路等的智慧型驅動器也正式實用化。

 


  1:ECU方塊圖                               資料來源:金屬中心ITIS計畫整理(2011/03)

 

二、車用半導體必備的特徵

汽車使用地點五花八門,包括熱帶、沙漠、寒冷地區等,必須具有可以抗溫度、溼度、水、鹽害、耐震的性能,使用的環境十分嚴酷。因為引擎在室內有些地方最高溫度會達到150°C,而最低溫度可能降至零下40°CECU必須在這些狀況下仍然可以動作。此外,直接搭載在引擎上的ECU必須對抗30G的震動。因此,須具有可以對抗電壓變動、突波電壓(瞬間流入電路的大型電壓)、EMGElectro Magnetic Compatibility)等電氣外部干擾的性能。

如【圖2】所示,使用穩壓積納二極體保護ECU的半導體,以免因為負載突降等引發的高電壓造成損害,即便如此,還仍是會施加35V的電壓。也有可能會因為靜電現象而施加突波電壓。

智慧型驅動器使用的半導體如【圖3】所示,可以使用晶片電容器降低靜電突波。此外,有些安裝地點會讓半導體暴露在高溫下。

半導體的基本特性,如同【表1】所示會受到溫度的影響。如果是高溫環境,PN接合的順方向電壓下降,逆方向漏電流則增加。溫度若是高溫,二極半導體的電流增幅率以及MOSFET的臨界值也會增加。使用時必須考慮這些溫度帶來的影響。

汽車使用的半導體必須具有以下特徵。

1.      不會劣化,可長時間使用。

2.      體積小,使用容易。

3.      可以複合其他不同功能的元件。

4.      高精度。

5.      抗噪音性。

6.      驅動使用的能源少。

7.      具有自我診斷功能。

8.      成本低。

 

車用半導體採用了各種不同的控制系統。在ECU以及智慧型驅動器中,使用了混載數位迴路、類比迴路以及負載驅動電路的複合IC、微控制器以及分離式元件等。汽車感應器則針對行駛、轉彎、停止、安全、舒適、環境、資訊、通訊的用途,搭載了可以偵測溫度、壓力、加速度、位置、角度、迴轉、流量等的感應器,並透過使用矽材料的MEMS技術極度縮小體積。

車用半導體,比起民生用半導體必須具有更高水準的品質。比如說,在品質持久方面,溫度循環(零下40°C150°C2000次循環),抗濕負載(85°C,濕度8085%2000小時),抗高溫負載(150°C2000小時)等。這些特性比起民生用半導體要求的溫度循環(零下25°C85°C,數百次次循環),抗濕負載(40°C,濕度9095%500小時),抗高溫負載(85°C1000小時)而言,要求程度嚴格許多。

即使是初期品質,不良率也要求必須低於1ppm,比起民生半導體的50ppm來說更為嚴格。此外,依據理論計算出來的壽命設計要提供全部保證這一點,比起民生半導體的生產批次保證而言,品質上的要求更是嚴格。


2  ECU結構

資料來源:金屬中心ITIS計畫整理(2011/03

 

 


 

 

資料來源:金屬中心ITIS計畫整理(2011/03

 

 

 

                                              表1  溫度對半導體基本特性的影響

元件

特性

低溫高溫

PN二極體

順方向電壓

逆方向漏電壓

逆方向耐壓

(累崩二極體)

雙極電晶體

電流增加率

MOSFET

臨界電壓

                                              資料來源:金屬中心ITIS計畫整理(2011/03

 

 

 

3  智慧型驅動器結構

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