1.2.1 半導體與集成電路技術

半導體產業是一個極為龐大的產品家族，按功能來分包括計算、控制、通信、存儲、安全、傳感、模擬、驅動、電源、功率等，按單片所集成的邏輯運算單元個數，有小規模集成電路（基礎器件數＜100，Small Scale Integrated Circuits，SSIC）、中規模集成電路（基礎器件數＜1000，Medium Scale Integrated Circuits，MSIC）、大規模集成電路（基礎器件數＜10000，Large Scale Integrated Circuits，LSIC）、超大規模集成電路（基礎器件數<1×105，Very Large Scale Integrated Circuits，VLSIC）、特大規模集成電路（基礎器件數<1×106，Ultra Large Scale Integrated Circuits，ULSIC）和巨大規模集成電路（也被稱作極大規模集成電路或超特大規模集成電路，Giga Scale Integration Circuits，GSIC）。集成電路的工藝是極其復雜的，如化學清洗、弧光反應、退火、熱擴散、摻雜、掩膜光刻、蝕刻、物理真空沉淀、化學氣象沉積、化學機械研磨、旋涂、磁控濺射鍍層、直流濺射鍍層、蒸鍍、曝光、高溫密化、干式氧化等。我們經常聽到的28nm工藝、7nm工藝乃至2nm工藝等，就是基于上述工藝加工出如此尺度的邏輯運算單元。很顯然，尺度越小，在同樣大小的硅片上能做出更多的集成電路，且功耗更小、速度更快，這是集成電路制造工業界一直追求的趨勢。

其中又以單片微機數字集成電路和分立器件中的功率半導體器件對汽車電子影響最為深刻。

1.單片機和微控制器

單片機（Single-Chip Microcomputer，SCM）是采用超大規模集成電路技術把中央處理器（Central Process Unit，CPU）的頻率與規格做適當縮減，存儲器（包括RAM、ROM、Flash）、計數器（Timer）、數模轉換器、外設通信接口、網絡通信接口、輸入輸出、DMA等周邊接口，甚至LCD驅動電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制。一個典型的汽車單片機的配置如圖1-3所示。由于單片機被廣泛用于消費類電子控制、工業控制和汽車控制等領域，一般也稱為微型控制器（Micro Control Unit，MCU）。

單片機出現的歷史并不長，但發展十分迅猛，它的產生與發展與微處理器的研發與發展大體同步，自1971年美國Intel公司首先推出4位微處理器以來，它的發展到目前為止大致可分為5個階段。

1）20世紀70年代前期，是4位單片機誕生和技術初創期。全球第一個微處理器于1971年由Intel公司推出，集成度為2000只晶體管/片的4位微處理器Intel 4004，并配有RAM、ROM和移位寄存器，構成了第一臺MCS-4微處理器，而后又推出了8位微處理器Intel 8008以及其他各公司相繼推出的8位微處理器。微處理器的發明為數字化的電子控制系統奠定了基礎，在當時以機械、液力、熱能為主宰的汽車行業掀起了一場電子化革命。

2）20世紀70年代后期，是低性能4位單片機工業應用早期。1976年Intel公司推出的MCS-48系列為代表，采用將8位CPU、8位并行I/O接口、8位定時/計數器、RAM和ROM等集成于一塊半導體芯片上的單片結構，雖然其尋址范圍有限（不大于4KB），也沒有串行I/O，RAM、ROM容量小，中斷系統也較簡單，但功能可滿足一般工業控制和智能化儀器、儀表等的需要。1976年Intel公司在MCS-48的基礎上推出的MCS-51因性能可靠、簡單實用等優點成為工業界使用量最大的一款產品，在全球各大高校的單片機應用課程中都有使用MCS-51系列8位單片機的應用案例。

3）20世紀80年代前期，是高性能8位單片機誕生和工業應用期。這一階段推出的8位單片機普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統，多個16位定時器/計數器。片內RAM、ROM的容量加大，且尋址范圍可達64KB，個別片內還帶有A/D轉換接口。

4）20世紀80年代后期，是16位單片機應用階段。1983年Intel公司又推出了16位單片機MCS-96系列，由于其采用了最新的制造工藝，使芯片集成度高達12萬只晶體管/片。與此同時，美國的德州儀器TI、Atmel、Microchip、日本瑞薩等也都先后推出16位MCU產品。

5）20世紀90年代，是16位單片機技術成熟期與大規模商業應用階段。單片機在集成度、功能、速度、可靠性、應用領域等全方位向更高水平發展。我國汽車工業界也正是在這個階段引入了汽車電子技術，并逐步成為一個細分行業。

6）21世紀以來，是32位單片機大規模應用期。2000年之后，32位單片機逐步在發動機管理系統、電機控制系統等得到應用，對于32位單片機而言，2015年是具有標志性意義的一年，全球32位單片機出貨量超過4/8/16位的總和。近年來，基于不同指令集（X86、ARM、RISC-V和MIPS）的各種芯片越來越多地成為汽車電子中復雜電控單元的主流芯片。

微控制器MCU最核心的部分是中央處理器及與之配套的指令集運算法（Instruction Set Computing，ISC）。1998年英特爾開放了8051單片機的技術，引來世界上很多半導體廠商對其進行開發和改造，著力發展了單片機的控制功能和外圍單元，目前在8/16位機上大部分采用的是英特爾8051內核。許多行業對16/32位MCU需求攀升，且對于成本和功耗十分敏感，英國的ARM公司針對上述行業的需求發布了Cortex（A/M/R系列）內核，并開始作為第三方IP授權給MCU芯片企業（如ST、Infineon、NXP等）。Cortex系列具有短流水線、超低功耗的設計特點，在智能測量、移動消費、汽車電子、醫療器械等領域得到了大規模應用，成為16/32位汽車電子MCU內核的主流內核。

隨著智能設備、物聯網、大數據等產業的快速發展，無線通信、傳感器、電源管理等配置MCU成為一種新的趨勢，高度整合的MCU不僅可以方便客戶開發產品，并且可減少印制電路板的占用空間，從而能夠降低一部分成本。2021年全球最大MCU公司收入及市場份額見表1-1。

上述公司在汽車MCU市場占據了近81%的份額，如恩智浦的MC/LPC/MCx系列，微芯的PIC系列、瑞薩的法意的STM8/16/32系列、英飛凌的TC16/XC16/32系列等芯片。

國內專注于汽車MCU芯片公司，如華大半導體、杰發科技、芯旺微、地平線、黑芝麻、東土科技、兆易創新、北京君正、龍芯中科、英博超算、豪威科技、三安光電、泰科天潤、斯達半導體、智芯微電子、華大九天、南京芯馳等，在當前供應鏈安全、“卡脖子”技術突圍的國際競爭背景下得到了極大的發展，正在蓬勃壯大中。

2.功率半導體器件

功率半導體器件，又稱為電力電子器件（Power Electronic Device），是電子電氣中電能轉換與電路控制的核心，主要用于改變電子電路中電壓和頻率、直流交流形式等，一般能承受數十至數千安的電流、數百伏乃至千伏以上的電壓。由于車載用電器的增加，尤其是電動汽車的普及，功率半導體器件對于汽車電氣系統變得極為重要。

從20世紀50年代起，功率半導體器件按其核心材料和拓撲結構大體經歷了四代。第一代器件主要以功率二極管和晶閘管為代表，是功率半導體器件發展早期的主要器件，以交直流變換、電力調壓等應用為主；第二代器件主要以GTO、雙極型晶體管和功率MOSFET為代表，第二代產品本質的變化是這些器件能夠進行開關可控，這為電路設計和應用打開了極大的空間。第三代功率半導體器件主要以IGBT為代表的高性能、多功能、高集成度的新一代功率器件，其特點是能承受大電流、開關時間短、絕緣電阻高。主要的代表性功率半導體器件、應用特點及其在汽車領域的應用見表1-2。

其中絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），是由雙極型三極管（Bipolar Junction Transistor，BJT）和絕緣柵型場效應管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）的高輸入阻抗和電力晶體管（Giant Transistor，GTR）的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。在汽車上非常適合應用于600V及以上的直流變換系統，如永磁同步電機、變頻器、開關電源、照明電路等。

半導體產業的基石是芯片材料，其核心材料按照歷史進程分為第一代高純硅材料、第二代化合物（砷化鎵、磷化銦）材料。20世紀90年代后期，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等新型半導體材料為代表的第四代功率器件逐步開始得到驗證和應用。碳化硅因其優越的物理性能，包括高禁帶寬度（意味著高擊穿電場和高功率密度）、高電導率、高熱導率，將是未來最被廣泛使用的制作半導體芯片的基礎材料。

在功率半導體的發展過程中，往往將一些常用的控制電路、擴展電路、保護電路，與不同類型功率半導體進行復合集成，比如MOS控制晶閘管（MOS Controlled Thyristor，MCT）、電子注入增強型柵極晶體管（Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT）、集成式電力電子模塊（Intergrated Power Elactronics Modules，IPEM）、功率電子模塊（Power Electric Building Block，PEBB）等等，以期發揮不同器件的優勢或簡化應用設計以便商業推廣。不同功率半導體分類見表1-3。

目前全球的功率半導體器件主要由歐洲、美國、日本三個國家和地區提供，憑借先進的技術和生產制造工藝，以及領先的品質管理體系，這三個國家和地區的產品大約占據了全球70%的市場份額。而在需求端，全球約有40%的功率半導體器件產能被中國大陸所消耗，是全球最大的需求國。

3.汽車芯片測試與標準

芯片在出廠之前，往往都要完成各種測試和驗證。國際上通常使用ISO/TS16949標準和AEC系列標準作為集成電路進入汽車產業鏈的基本條件。AEC-Q100規定了7大類41項標準，如加速環境應力測試、加速生命周期模擬測試、分裝組裝完整性測試、晶片制造可靠性測試、電性驗證測試、缺陷篩選測試、腔封裝完整性測試等。由于汽車的使用環境比一般工業產品的使用環境更為惡劣，因此車規級芯片與工業級芯片有一些區別，比如工業級器件的工作溫度一般為-40～85℃，車規級器件則是-40～125℃。汽車芯片標準體系如圖1-4所示。

上述提出的汽車芯片標準體系架構包括四大領域，分別為基礎領域、通用要求領域、產品應用技術條件領域和匹配試驗領域。每個領域又進行了細分，共19個細分領域。其中，基礎領域分為術語定義和分類；通用領域分為，環境及可靠性、電磁兼容、功能安全、信息安全、測試評價；產品應用技術條件分為，控制、計算、通信、存儲、電源管理、驅動、感知、安全、功率、其他10個細分領域，10個細分領域下可根據具體芯片產品類型分為集成電路、分立器件、光電子、傳感器4個技術方向；匹配試驗領域分為，整車匹配和系統匹配兩個細分領域，系統匹配又包含動力、底盤、車身、座艙、智能網聯5個技術方向。