賈子厚

（中北大學能源動力工程學院，山西 太原 030051）

《中國制造2025》提出要將“推動集成電路及專用裝備發(fā)展”作為重點突破口，加快從制造大國轉向制造強國。微電子器件作為電子信息領域的基礎性和戰(zhàn)略性產品，被廣泛應用在移動通信、汽車電子、電力電子等領域。在如今碳中和大趨勢、大背景下，微電子技術和碳化硅技術的應用以及新能源的普及已成為汽車產業(yè)未來的發(fā)展方向。

1 微電子技術及碳化硅技術的起源與發(fā)展

電子技術的發(fā)展經歷了電子管、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，世界集成電路產業(yè)的形成可以追溯到20 世紀70 年代。微電子技術的發(fā)展是隨著集成電路的發(fā)展而產生的。隨著半導體材料和技術的發(fā)展和不斷演化，微電子技術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，目前該技術可以在納米級別超小區(qū)域通過固體內的微觀電子運動來實現信息的處理與傳遞。微電子學已成為一門發(fā)展極其迅速的學科，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用型新型材料，于19 世紀末由美國人發(fā)現。這種材料的生產以二氧化硅為原料，通過與氫氣等特殊氣體的反應提純，再以碳質材料為腔體或芯體，在電生長爐中通過工藝溫度控制完成生長。由于碳化硅材料硬度高、耐高溫，具有優(yōu)質半導體屬性[1]，因此被廣泛應用于功能陶瓷、高級耐火材料、冶金原料以及半導體芯片襯底及外延等領域。隨著技術的發(fā)展，碳化硅材料正被應用于更多領域，碳化硅材料技術同石墨烯材料技術一樣，將成為未來的新型材料技術之一。

2 微電子及碳化硅技術在汽車行業(yè)的應用優(yōu)勢

隨著時代的發(fā)展，人們對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)、自動駕駛系統(tǒng)、緊急報警系統(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品會越來越多。隨著電子技術的進步，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)的多功能化將引導汽車步入多媒體、智能化、零排放和安全技術新時代。

2.1 微電子技術的應用優(yōu)勢

1） 微電子技術的應用優(yōu)勢介紹以低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC） 技術為例。LTCC 技術可以將諸多片式元器件（如低容值電容和電阻、濾波器、阻抗轉換器、耦合器等）埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，內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，封裝在外殼內制成三維空間互聯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） 的基礎上向z 方向發(fā)展的高密度互聯技術，二維平面厚度可減小到紙片厚度再縱向疊加，展開面積可放大數十倍，也就是說同樣大小的芯片其功能呈指數級增加[2]。

2） 芯片各元器件之間互連線的長度已成為影響系統(tǒng)信號傳輸延遲的關鍵，互連線越長，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z 軸方向最短互連距離僅為0.2 mm。微電子技術的應用大幅度縮短了信號傳輸延遲時間，同時減少了噪聲。

3） 三維微電子技術可以使大小相同的二維芯片互連點數增加多個數量級，為疊層中心元件提供上百個相鄰元件，而在二維結構中可提供的僅有幾個。三維微組裝結構內部單位面積的互連點數大大增加，集成度更高，使系統(tǒng)的外部連接點數和插板大大減少。三維結構對于二維結構如同降維打擊。

4） 微電子技術正廣泛應用于無線通信、汽車電子、功率半導體器件以及航天、航空電子和可穿戴設備，巨大的市場需求為元器件產品產業(yè)化提供了巨大動力。隨著高端微電子器件國產化工程的開展，相關工藝的國產化進程加快，我國電子裝備產業(yè)發(fā)展隨之加快，技術與國際先進水平之間的差距加速縮小，部分關鍵電子設備已經具備了參與國際競爭的實力，這將大大降低微電子器件的制造成本。

2.2 碳化硅技術的應用優(yōu)勢

1） 以碳化硅為代表的第三代寬禁帶半導體材料具有高頻率、耐高壓、耐高溫、抗輻射、光電性優(yōu)異、禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速率高等特點。例如，應用普通硅材料作為半導體材料時工作溫度的極限為300 ℃，而在使用碳化硅材料作為半導體材料時，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、高標化要求契合，在電機驅動逆變器功率模塊、車載電機、電源轉換器中均可應用碳化硅元器件。

2） 目前續(xù)航里程和充電時間是制約電動汽車發(fā)展的兩大因素，在超快充領域應用碳化硅電氣元器件可以解決充電時間過長的問題，充電時間將由原來的2 h 縮短至10 min，實現高效電能轉化。在氫燃料電池的氫轉電高速分離過程中，氫燃料電推升壓時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問題。

3） 碳化硅器件可廣泛應用于高壓輸電、逆變器、不間斷電源、智慧電網等功率應用領域，碳化硅的應用幾乎涵蓋了新基建涉及的大部分領域，市場需求大，國內很多高新技術企業(yè)已展開布局。

3 微電子及碳化硅技術在新能源汽車領域的應用前景

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

目前我國的汽車產銷量保持高速增長，預計到2025 年汽車年產量將達到3 000 萬輛。新能源汽車普及加速，可以預見“十四五”期間新能源汽車市場將迎來空前發(fā)展機遇，我國的汽車企業(yè)將加快布局更多的產品，加速新能源汽車對傳統(tǒng)汽車的替代，預計2025 年新能源汽車銷量將達到700 萬輛以上。國內各大汽車企業(yè)的“十四五”規(guī)劃已經發(fā)布，各車企在電動汽車領域均有布局，例如吉利汽車提出2025 年新能源汽車銷量占比達到40%；上汽集團規(guī)劃“十四五”期間進入轉型升級關鍵期，汽車電動化、智能化、信息化目標明確；東風自主品牌新能源汽車的銷售目標是100 萬輛[3]。

未來幾年汽車產業(yè)要朝著輕量化、電動化、智能化、物聯化、共享化發(fā)展，微電子及碳化硅元器件普及應用勢在必行。采用微電子技術和碳化硅技術的汽車電子系統(tǒng)可靠性更高，能夠在極其嚴酷的環(huán)境下使用，微電子和碳化硅產品的需求強勁。微電子和碳化硅技術在快充領域的應用同樣廣泛，如果能夠配合石墨烯、鋰、氫等技術解決電池容量和續(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具有諸多先進性，但是目前規(guī)?；a業(yè)化不足，價格仍處高位，整車采用會增加成本，但綜合使用其系統(tǒng)性成本仍有優(yōu)勢。

我國的電子行業(yè)發(fā)展起步較晚，整體發(fā)展水平較低。光刻是微電子技術工藝中最重要的一個環(huán)節(jié)，主要用于外延晶片表面投射，對精度的要求極高，我國目前仍不能自主生產高水平的光刻設備，頂尖光刻設備的購買也受到外國限制。目前國內光刻機最高量產工藝能夠達到90 nm，上海微電子第一臺28 nm 工藝的國產沉浸式光刻機雖然即將交付，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、石家莊普興、上海微電子等電子類高新技術企業(yè)布局微電子及碳化硅產業(yè)，微電子及碳化硅裝備和相關產業(yè)鏈不斷完善，相關技術取得很大進步，正朝著專業(yè)化、規(guī)?；?、產業(yè)化方向邁進。預計我國微電子及碳化硅產業(yè)技術、生產供應鏈條將在2025 年得到全面完善，部分專業(yè)電子裝備將達到世界先進水平。汽車企業(yè)可以根據自身需求進行芯片的概念設想及構架設計，其他工作交由專業(yè)芯片生產廠家完成，到時候物美價廉的微電子、碳化硅產品將引領我國由汽車制造業(yè)大國向汽車制造業(yè)強國挺進。

4 結束語

以上是對微電子技術及碳化硅技術在新能源汽車控制和電氣系統(tǒng)中應用的探討，該系統(tǒng)只是新能源汽車諸多系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。如果將汽車比作一個生命體，以上更多的是大腦神經控制方面的探討，一個生命體還應該具有肌肉骨骼、皮膚毛發(fā)、心臟血脈、外形氣質、學習能力等方方面面，將來還應從材料技術、表面處理技術、電池技術、工藝設計技術、信息集成技術等方面進行探討。相信更多新工藝和新材料的不斷研發(fā)及應用將全方位地促進新能源汽車產業(yè)發(fā)展壯大。