窺探未來(lái)車(chē)用半導體技術(shù)發(fā)展

 拜科技進(jìn)步所賜，目前汽車(chē)產(chǎn)業(yè)所導入的半導體設備應用，其產(chǎn)品技術(shù)正賣(mài)力地往前進(jìn)。過(guò)去車(chē)上所采用的半導體元件只是旁枝末節的附加功能應用而已，但汽車(chē)本體從原本電氣系統為輔的機械系統，升級為電子系統為主的汽車(chē)專(zhuān)屬機電整合架構及電控系統，造就汽車(chē)制造廠(chǎng)與半導體廠(chǎng)就像魚(yú)幫水、水幫魚(yú)般地開(kāi)拓出汽車(chē)工業(yè)另一片天空。如來(lái)一來(lái)，該發(fā)展趨勢不僅促進(jìn)汽車(chē)市場(chǎng)對優(yōu)質(zhì)車(chē)電產(chǎn)品強大需求，還兼具降低成本效益的最佳解決方案。 

另外，要如何表述車(chē)用半導體技術(shù)進(jìn)步程度，除了微控制器、微處理器等產(chǎn)品在汽車(chē)獲得充分應用發(fā)展之外，砷化鎵（GaAs）、矽鍺（SiGe）等為基板的半導體技術(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(lái)應用面來(lái)看，將會(huì )是車(chē)用半導體元件主流。

半導廠(chǎng)商如何跟汽車(chē)工業(yè)打交道

過(guò)去，在汽車(chē)工業(yè)只重視電氣系統，卻不重視電子系統。舉例來(lái)說(shuō)，就像車(chē)用照明設備，過(guò)去大多采用繼電器、熔斷器和電源開(kāi)關(guān)作為主要模塊設計方式。而目前，許多半導體廠(chǎng)商則是開(kāi)始強調「智能化」矽解決方案，帶領(lǐng)汽車(chē)工業(yè)進(jìn)入嶄新的汽車(chē)設計時(shí)代。而這場(chǎng)汽車(chē)設計新興時(shí)代歷程，除了發(fā)生兼具傳統特質(zhì)的電氣系統中，還與機械系統密不可分。攤開(kāi)目前車(chē)上發(fā)動(dòng)機控制系統，幾乎沒(méi)有汽車(chē)廠(chǎng)商還在使用舊有機械／電氣控制方式，而是改用符合現代科技，如：微處理器／微控制器等功能，使引擎／發(fā)動(dòng)機充分發(fā)揮高效性能又安靜的電控系統，并可以遵循駕駛者需求準確地輸出引擎動(dòng)力。

那么，因應半導體介入汽車(chē)工業(yè)程度越來(lái)越深，加上半導體供應商持續發(fā)展新技術(shù)與新工藝制程同時(shí)，要如何滿(mǎn)足汽車(chē)工業(yè)對半導體產(chǎn)品需求，便成為當前車(chē)用半導體廠(chǎng)商的終極任務(wù)。另外，車(chē)用半導體發(fā)展過(guò)程將可引領(lǐng)汽車(chē)工業(yè)進(jìn)入成本、集成度都比目前車(chē)用系統應用的最佳方式。不過(guò)，這還是必須透過(guò)半導體供應商來(lái)跟汽車(chē)工業(yè)中的相關(guān)車(chē)電產(chǎn)業(yè)建立橋梁，才足以獲得上述進(jìn)步空間。

為了達到上述目標，汽車(chē)制造商及一級零組件供應商，就必須透過(guò)意法、瑞薩、飛思卡爾…等這類(lèi)型的半導體廠(chǎng)商，不斷地發(fā)展汽車(chē)專(zhuān)用技術(shù)及制程工藝，交由半導體供應商為車(chē)用半導體元件打造出專(zhuān)門(mén)技術(shù)與產(chǎn)品。而在同一時(shí)間，汽車(chē)制造商及一級零組件供應商，也開(kāi)始為車(chē)上專(zhuān)用系統或專(zhuān)用設備。從此便能發(fā)現，一個(gè)優(yōu)良的交流方式與過(guò)程，對汽車(chē)本身與車(chē)用半導體產(chǎn)品的拓展有多么重要。

基本上，被歸列為汽車(chē)工業(yè)中車(chē)用半導體開(kāi)發(fā)過(guò)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，半導體供應商必須直接面對到一級車(chē)電產(chǎn)品供應商，而一級供應商再轉向面對汽車(chē)廠(chǎng)，以達相互交流目的。這是因為一級零組件供應商在整車(chē)系統中，手中握有部份特殊應用設備開(kāi)發(fā)過(guò)程的專(zhuān)門(mén)技術(shù)訣竅。所以，這種交流方式對于打開(kāi)封閉汽車(chē)工業(yè)是極具效果。

不過(guò)，對于仰賴(lài)汽車(chē)的其它系統設備協(xié)助執行目標功能，汽車(chē)制造商適時(shí)的加入尤其重要。因此，由汽車(chē)制造商、一級零組件供應商和半導體供應商便自然形成一個(gè)大集團，而這一大集團則采用供應鏈模式，在集團成員之間建立交流橋梁，汽車(chē)工業(yè)也正享受這一方式結果所帶來(lái)的好處。

從此　能窺出汽車(chē)工業(yè)所帶來(lái)的好處

大多數半導體制造商各自擁有多項屬于自己專(zhuān)有的半導體技術(shù)及制程工藝，因此帶動(dòng)半導體生產(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(shuō)好了，當半導體產(chǎn)業(yè)開(kāi)始將注意力轉移到汽車(chē)工業(yè)時(shí)，這當中的好處將會(huì )由汽車(chē)制造商透過(guò)一級零組件供應商，最終還是會(huì )轉移到消費者身上。

那么，真正令人滿(mǎn)意的好處為何？今日的汽車(chē)制造商在長(cháng)時(shí)間耕耘之后，已經(jīng)開(kāi)始獲得應有回報（當然，車(chē)用半導體廠(chǎng)商也是如此），目前可以見(jiàn)到許多路上奔馳中一般中等價(jià)位或經(jīng)濟型的生活用車(chē)，內裝車(chē)電子系統搭載了智能化設備；由此可見(jiàn)，新開(kāi)發(fā)中的汽車(chē)總成本其結構組成將與半導體設備成本，逐漸構成不可分的關(guān)系，而半導體的技術(shù)演進(jìn)過(guò)程正大力地刺激汽車(chē)成本，促使汽車(chē)聰明程度日漸提升，反而成本卻是越來(lái)越低。

矽技術(shù)在車(chē)上應用必先突破

自晶體管（transistor）問(wèn)世之后，便成為近代電子電路學(xué)中的核心應用元件，其主要功能可作為電流開(kāi)關(guān)，就像控制水管中水流量的閥（valve），并與一般機械開(kāi)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(lái)加以控制（如下圖所示），使得它的切換開(kāi)關(guān)速度非?？欤蛇_100GHz以上）。另外，這幾年晶體管演進(jìn)過(guò)程，已經(jīng)由原本的「鍺」轉變?yōu)椤肝沟倪\用，這其中的變化使得矽半導體發(fā)展態(tài)勢，有了全面性改頭換面潮流。不過(guò)，最主要還是「應用環(huán)境」的問(wèn)題，一旦矽技術(shù)要導入汽車(chē)上來(lái)加以應用，則必須要打破「矽」先天上在高可靠度需求及惡劣環(huán)境中的應用局限。若晶體管對于環(huán)境適應能力還遲遲無(wú)法改變，又或者矽技術(shù)無(wú)法突破原有應用領(lǐng)域巢臼，傳統機電型繼電器將持續以低成本、可靠度等優(yōu)勢作為車(chē)用開(kāi)關(guān)解決方案。

　圖說(shuō)：(a)機械閥與(b)晶體管功能比較圖。（資料來(lái)源：中興大學(xué)）

在半導體發(fā)展過(guò)程中，可以見(jiàn)到矽技術(shù)正快速地顛覆過(guò)去傳統觀(guān)念，并在先進(jìn)矽技術(shù)之后，半導體廠(chǎng)商所開(kāi)發(fā)的元件，不僅朝芯片大小及封裝尺寸方向來(lái)走，還要求提高元件內部智能技術(shù)含量。而所謂的智能技術(shù)含量，就是該技術(shù)能夠開(kāi)發(fā)出對使用者更具有助益性的智能化應用。比方說(shuō)：具有智能型無(wú)需熔斷器的汽車(chē)頭前燈控制器，可以用來(lái)保護汽車(chē)頭燈與車(chē)上電流上；又或者是智能型電動(dòng)車(chē)窗升降，則不需要再另行安裝特定傳感器，就能達到即時(shí)監控車(chē)窗使用狀態(tài)與安全性。 

不過(guò)，要如何在單一又具獨立性半導體元件中，建構出嵌入式系統功能的矽技術(shù)是非常重要。因為這項技術(shù)必須要能整合控制電路與場(chǎng)效應MOS驅動(dòng)器，再搭配車(chē)上其它半導體元件來(lái)加以運用，便自然而然形成一項完善系統解決方案。不過(guò)，在一般情況下，矽結構下只允許設計一個(gè)低通態(tài)電阻的開(kāi)關(guān)元件，如此一來(lái)，僅需運用極少的半導體元件，就能做到驅動(dòng)性較大的負載作用；例如：直流電機、電磁閥及汽車(chē)頭燈等。再來(lái)，則在于有效率地整合出功率電子學(xué)，才得以適用于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)、交通運輸、流通物業(yè)…等方面，以解決在應用環(huán)境中的震動(dòng)（振動(dòng)）、溫度、濕度、耐久性開(kāi)／關(guān)功能，并持續將開(kāi)關(guān)感性負載，所引起的接觸退化等問(wèn)題降到最低，使半導體設備能適用于道路、軌道、空中、海上…等領(lǐng)域的交通工具。

由此可見(jiàn)，矽技術(shù)與半導體制程工藝逐漸結合成為一體，加快實(shí)現智能化控制器半導體技術(shù)。而當矽的先進(jìn)技術(shù)及制程工藝在相互整合后，便能為汽車(chē)工業(yè)創(chuàng )造出特有客制化設備，將以低成本達到高功能及最佳系統設計。不過(guò)，需要特別留意處，在于「認知上要能有所了解」。這是因為當設計驅動(dòng)外部負載的車(chē)電系統時(shí)，首先要先認清采用矽元件的優(yōu)點(diǎn)及局限，才能為車(chē)電系統中的設備，確定半導體內部架構及分布設計后，選用能即時(shí)應用的健全架構，確保汽車(chē)保持良好質(zhì)量及高可靠性，再結合一級車(chē)用零組件供應鏈中的專(zhuān)有系統技術(shù)，運用在汽車(chē)制造商開(kāi)發(fā)的每一臺汽車(chē)平臺上。

圖說(shuō)：由于大部分中等價(jià)位的汽車(chē)上都裝設導航、安全及信息娛樂(lè )等系統，因此液晶顯示器便成為汽車(chē)的標準裝置之一。美國國家半導體特別為汽車(chē)生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)芯片組，確保汽車(chē)可以采用更少互聯(lián)機路及更長(cháng)的電纜，以便降低汽車(chē)的整體系統成本。（資料來(lái)源：美國國家半導體）

非矽元件將誕生汽車(chē)工業(yè)應用 

據日本科技媒體報導指出，日本有許多半導體廠(chǎng)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(chē)應用領(lǐng)域中的半導體開(kāi)發(fā)技術(shù)。以日本電裝為例，該公司早在1995年時(shí)，就先行預測汽車(chē)領(lǐng)域的需求，并開(kāi)始著(zhù)手相關(guān)研究。從物理基礎應用原則來(lái)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，碳化硅元件導通電阻更低，還能大幅降低耗電量。依照理論計算，一旦將目前現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(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，碳化硅元件在半導體作用下，閥值焊接溫度高達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(chē)工業(yè)逐漸擴大應用趨勢，將有機會(huì )推動(dòng)碳化硅技術(shù)發(fā)展。這是因為汽車(chē)上需要120℃以上高溫環(huán)境下，還能正常工作的半導體元件，因此具有高溫適應能力的車(chē)用半導體元件，將會(huì )大幅增加。另外，在車(chē)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(lái)考量，在元件上加裝散熱裝置后再進(jìn)行比較的話(huà)，碳化硅元件實(shí)用門(mén)檻將會(huì )比矽元件來(lái)得較低。另一方面，在車(chē)上大電流驅動(dòng)方面，對于電動(dòng)汽車(chē)、燃料汽車(chē)及油電混合汽車(chē)等電力驅動(dòng)電路而言，碳化硅會(huì )比矽元件更為合適。

不過(guò)嚴格說(shuō)來(lái)，碳化硅元件在車(chē)電半導體產(chǎn)品中，其實(shí)際應用仍受到限制，除了半導體元件還未能符合實(shí)用水平之外，擴大普及化最大障礙，在于芯片缺陷密度高，無(wú)法提高成品良率，導致生產(chǎn)制造成本過(guò)高，將會(huì )是矽元件數倍之多。但…部分車(chē)用半導體廠(chǎng)商仍表示，一旦車(chē)載用碳化硅元件市場(chǎng)崛起，或者進(jìn)入量產(chǎn)階段，那么就會(huì )加快減小芯片缺陷的開(kāi)發(fā)，碳化硅元件成本過(guò)高劣勢將有所轉圜。

汽車(chē)半導體定位在高尖端科技

上世紀90年代前半期，LSI及FPD元件技術(shù)在市場(chǎng)發(fā)展原動(dòng)力，主要來(lái)自于個(gè)人計算機，進(jìn)入中后階段，則是以攜帶式通訊產(chǎn)品、無(wú)線(xiàn)設備逐漸替代之，成為在個(gè)人計算機之后的第二大市場(chǎng)動(dòng)力。至今，許多半導體元件開(kāi)發(fā)商開(kāi)始轉移目標到汽車(chē)領(lǐng)域，甚至已有部份車(chē)用半導體技術(shù)領(lǐng)先的廠(chǎng)商表示，汽車(chē)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(cháng)久以來(lái)，汽車(chē)工業(yè)不被歸類(lèi)為尖端技術(shù)，而對負責安全的汽車(chē)廠(chǎng)商，運用實(shí)用化技術(shù)的不變原則，未來(lái)也不會(huì )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(huà)，那么運用尖端技術(shù)來(lái)協(xié)助汽車(chē)工業(yè)發(fā)展腳步將不會(huì )有所退怯。

在日本地區的豐田汽車(chē)已先行訂出在未來(lái)15年之內，要將汽車(chē)事故減少50％以上為主要發(fā)展目標，并計畫(huà)將汽車(chē)設計成為電子繭網(wǎng)絡(luò )。換句話(huà)說(shuō)，就是采用百余個(gè)傳感器將汽車(chē)給覆蓋起來(lái)，并依據來(lái)自這些傳感器所偵測到的信息，利用電控系統對車(chē)上各設備進(jìn)行安全控制。因此，必須要有各類(lèi)型傳感器、可快速處理來(lái)自傳感器的大量信息的處理器、驅動(dòng)電控系統的高耐壓LSI，以及能夠將LSI的可靠性提高到跟飛機元件互相媲美程度。



圖說(shuō)：未來(lái)車(chē)用電子繭網(wǎng)絡(luò )架構圖。（資料來(lái)源：飛思卡爾）

未來(lái)車(chē)用半導體廠(chǎng)商　誰(shuí)來(lái)扮演？

甄選薄膜太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)、發(fā)電元件組件開(kāi)發(fā)、影像傳感器開(kāi)發(fā)、電極材料開(kāi)發(fā)、逆變器／轉換器制造…等技術(shù)開(kāi)發(fā)人員，提供上述技術(shù)開(kāi)發(fā)設計人員的單位，不是三洋電機或是夏普等元件廠(chǎng)商，而是日本豐田汽車(chē)在2004年開(kāi)始征選的技術(shù)開(kāi)發(fā)人員，由此不難窺探出汽車(chē)廠(chǎng)商積極地進(jìn)行車(chē)載元件的開(kāi)發(fā)動(dòng)作。

「汽車(chē)廠(chǎng)商將成為半導體廠(chǎng)商」…在不知情的情況下聽(tīng)到這句話(huà)，肯定有不少人會(huì )有所懷疑。但是，自從汽車(chē)廠(chǎng)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(lái)看，比方說(shuō)：Panasonic（松下電氣）、Sony（索尼）著(zhù)手開(kāi)發(fā)及量產(chǎn)數碼家電系統芯片；甚至在Sony方面，也開(kāi)始準備量產(chǎn)液晶面板…。這是因為Panasonic或Sony將半導體及顯示面板，比喻為電子產(chǎn)業(yè)最重要的關(guān)鍵元件。不可否認未來(lái)在汽車(chē)上，半導體將成為關(guān)鍵元件，到時(shí)候豐田汽車(chē)也仿效Panasonic或Sony自行生產(chǎn)半導體元件，就成為非常自然的動(dòng)作。

一般來(lái)說(shuō)，在車(chē)用半導體最大使用者，「汽車(chē)工業(yè)」將開(kāi)始自行生產(chǎn)半導體元件時(shí)，其中最大困難在于現有生產(chǎn)線(xiàn)，若在最初階段，還能克服生產(chǎn)線(xiàn)不足問(wèn)題。但是隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步生產(chǎn)線(xiàn)更新?lián)Q代后，現有生產(chǎn)線(xiàn)就只能成為最大的問(wèn)題。不過(guò)，無(wú)論是利用現有工藝即可生產(chǎn)的耐高壓LSI和傳感器，還是可與CELL媲美的高性能產(chǎn)品，估計均會(huì )在未來(lái)的汽車(chē)中得到應用，可以說(shuō)汽車(chē)領(lǐng)域將逐步具備適合于開(kāi)展半導體業(yè)務(wù)的應用價(jià)值。而最終汽車(chē)廠(chǎng)商自行開(kāi)發(fā)半導體元件會(huì )發(fā)展到哪里種程度，就讓我們拭目以待。