1.2.1 半导体与集成电路技术

半导体产业是一个极为庞大的产品家族，按功能来分包括计算、控制、通信、存储、安全、传感、模拟、驱动、电源、功率等，按单片所集成的逻辑运算单元个数，有小规模集成电路（基础器件数＜100，Small Scale Integrated Circuits，SSIC）、中规模集成电路（基础器件数＜1000，Medium Scale Integrated Circuits，MSIC）、大规模集成电路（基础器件数＜10000，Large Scale Integrated Circuits，LSIC）、超大规模集成电路（基础器件数<1×105，Very Large Scale Integrated Circuits，VLSIC）、特大规模集成电路（基础器件数<1×106，Ultra Large Scale Integrated Circuits，ULSIC）和巨大规模集成电路（也被称作极大规模集成电路或超特大规模集成电路，Giga Scale Integration Circuits，GSIC）。集成电路的工艺是极其复杂的，如化学清洗、弧光反应、退火、热扩散、掺杂、掩膜光刻、蚀刻、物理真空沉淀、化学气象沉积、化学机械研磨、旋涂、磁控溅射镀层、直流溅射镀层、蒸镀、曝光、高温密化、干式氧化等。我们经常听到的28nm工艺、7nm工艺乃至2nm工艺等，就是基于上述工艺加工出如此尺度的逻辑运算单元。很显然，尺度越小，在同样大小的硅片上能做出更多的集成电路，且功耗更小、速度更快，这是集成电路制造工业界一直追求的趋势。

其中又以单片微机数字集成电路和分立器件中的功率半导体器件对汽车电子影响最为深刻。

1.单片机和微控制器

单片机（Single-Chip Microcomputer，SCM）是采用超大规模集成电路技术把中央处理器（Central Process Unit，CPU）的频率与规格做适当缩减，存储器（包括RAM、ROM、Flash）、计数器（Timer）、数模转换器、外设通信接口、网络通信接口、输入输出、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。一个典型的汽车单片机的配置如图1-3所示。由于单片机被广泛用于消费类电子控制、工业控制和汽车控制等领域，一般也称为微型控制器（Micro Control Unit，MCU）。

单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛，它的产生与发展与微处理器的研发与发展大体同步，自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段。

1）20世纪70年代前期，是4位单片机诞生和技术初创期。全球第一个微处理器于1971年由Intel公司推出，集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004，并配有RAM、ROM和移位寄存器，构成了第一台MCS-4微处理器，而后又推出了8位微处理器Intel 8008以及其他各公司相继推出的8位微处理器。微处理器的发明为数字化的电子控制系统奠定了基础，在当时以机械、液力、热能为主宰的汽车行业掀起了一场电子化革命。

2）20世纪70年代后期，是低性能4位单片机工业应用早期。1976年Intel公司推出的MCS-48系列为代表，采用将8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构，虽然其寻址范围有限（不大于4KB），也没有串行I/O，RAM、ROM容量小，中断系统也较简单，但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。1976年Intel公司在MCS-48的基础上推出的MCS-51因性能可靠、简单实用等优点成为工业界使用量最大的一款产品，在全球各大高校的单片机应用课程中都有使用MCS-51系列8位单片机的应用案例。

3）20世纪80年代前期，是高性能8位单片机诞生和工业应用期。这一阶段推出的8位单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统，多个16位定时器/计数器。片内RAM、ROM的容量加大，且寻址范围可达64KB，个别片内还带有A/D转换接口。

4）20世纪80年代后期，是16位单片机应用阶段。1983年Intel公司又推出了16位单片机MCS-96系列，由于其采用了最新的制造工艺，使芯片集成度高达12万只晶体管/片。与此同时，美国的德州仪器TI、Atmel、Microchip、日本瑞萨等也都先后推出16位MCU产品。

5）20世纪90年代，是16位单片机技术成熟期与大规模商业应用阶段。单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。我国汽车工业界也正是在这个阶段引入了汽车电子技术，并逐步成为一个细分行业。

6）21世纪以来，是32位单片机大规模应用期。2000年之后，32位单片机逐步在发动机管理系统、电机控制系统等得到应用，对于32位单片机而言，2015年是具有标志性意义的一年，全球32位单片机出货量超过4/8/16位的总和。近年来，基于不同指令集（X86、ARM、RISC-V和MIPS）的各种芯片越来越多地成为汽车电子中复杂电控单元的主流芯片。

微控制器MCU最核心的部分是中央处理器及与之配套的指令集运算法（Instruction Set Computing，ISC）。1998年英特尔开放了8051单片机的技术，引来世界上很多半导体厂商对其进行开发和改造，着力发展了单片机的控制功能和外围单元，目前在8/16位机上大部分采用的是英特尔8051内核。许多行业对16/32位MCU需求攀升，且对于成本和功耗十分敏感，英国的ARM公司针对上述行业的需求发布了Cortex（A/M/R系列）内核，并开始作为第三方IP授权给MCU芯片企业（如ST、Infineon、NXP等）。Cortex系列具有短流水线、超低功耗的设计特点，在智能测量、移动消费、汽车电子、医疗器械等领域得到了大规模应用，成为16/32位汽车电子MCU内核的主流内核。

随着智能设备、物联网、大数据等产业的快速发展，无线通信、传感器、电源管理等配置MCU成为一种新的趋势，高度整合的MCU不仅可以方便客户开发产品，并且可减少印制电路板的占用空间，从而能够降低一部分成本。2021年全球最大MCU公司收入及市场份额见表1-1。

上述公司在汽车MCU市场占据了近81%的份额，如恩智浦的MC/LPC/MCx系列，微芯的PIC系列、瑞萨的法意的STM8/16/32系列、英飞凌的TC16/XC16/32系列等芯片。

国内专注于汽车MCU芯片公司，如华大半导体、杰发科技、芯旺微、地平线、黑芝麻、东土科技、兆易创新、北京君正、龙芯中科、英博超算、豪威科技、三安光电、泰科天润、斯达半导体、智芯微电子、华大九天、南京芯驰等，在当前供应链安全、“卡脖子”技术突围的国际竞争背景下得到了极大的发展，正在蓬勃壮大中。

2.功率半导体器件

功率半导体器件，又称为电力电子器件（Power Electronic Device），是电子电气中电能转换与电路控制的核心，主要用于改变电子电路中电压和频率、直流交流形式等，一般能承受数十至数千安的电流、数百伏乃至千伏以上的电压。由于车载用电器的增加，尤其是电动汽车的普及，功率半导体器件对于汽车电气系统变得极为重要。

从20世纪50年代起，功率半导体器件按其核心材料和拓扑结构大体经历了四代。第一代器件主要以功率二极管和晶闸管为代表，是功率半导体器件发展早期的主要器件，以交直流变换、电力调压等应用为主；第二代器件主要以GTO、双极型晶体管和功率MOSFET为代表，第二代产品本质的变化是这些器件能够进行开关可控，这为电路设计和应用打开了极大的空间。第三代功率半导体器件主要以IGBT为代表的高性能、多功能、高集成度的新一代功率器件，其特点是能承受大电流、开关时间短、绝缘电阻高。主要的代表性功率半导体器件、应用特点及其在汽车领域的应用见表1-2。

其中绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），是由双极型三极管（Bipolar Junction Transistor，BJT）和绝缘栅型场效应管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）的高输入阻抗和电力晶体管（Giant Transistor，GTR）的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。在汽车上非常适合应用于600V及以上的直流变换系统，如永磁同步电机、变频器、开关电源、照明电路等。

半导体产业的基石是芯片材料，其核心材料按照历史进程分为第一代高纯硅材料、第二代化合物（砷化镓、磷化铟）材料。20世纪90年代后期，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等新型半导体材料为代表的第四代功率器件逐步开始得到验证和应用。碳化硅因其优越的物理性能，包括高禁带宽度（意味着高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率，将是未来最被广泛使用的制作半导体芯片的基础材料。

在功率半导体的发展过程中，往往将一些常用的控制电路、扩展电路、保护电路，与不同类型功率半导体进行复合集成，比如MOS控制晶闸管（MOS Controlled Thyristor，MCT）、电子注入增强型栅极晶体管（Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT）、集成式电力电子模块（Intergrated Power Elactronics Modules，IPEM）、功率电子模块（Power Electric Building Block，PEBB）等等，以期发挥不同器件的优势或简化应用设计以便商业推广。不同功率半导体分类见表1-3。

目前全球的功率半导体器件主要由欧洲、美国、日本三个国家和地区提供，凭借先进的技术和生产制造工艺，以及领先的品质管理体系，这三个国家和地区的产品大约占据了全球70%的市场份额。而在需求端，全球约有40%的功率半导体器件产能被中国大陆所消耗，是全球最大的需求国。

3.汽车芯片测试与标准

芯片在出厂之前，往往都要完成各种测试和验证。国际上通常使用ISO/TS16949标准和AEC系列标准作为集成电路进入汽车产业链的基本条件。AEC-Q100规定了7大类41项标准，如加速环境应力测试、加速生命周期模拟测试、分装组装完整性测试、晶片制造可靠性测试、电性验证测试、缺陷筛选测试、腔封装完整性测试等。由于汽车的使用环境比一般工业产品的使用环境更为恶劣，因此车规级芯片与工业级芯片有一些区别，比如工业级器件的工作温度一般为-40～85℃，车规级器件则是-40～125℃。汽车芯片标准体系如图1-4所示。

上述提出的汽车芯片标准体系架构包括四大领域，分别为基础领域、通用要求领域、产品应用技术条件领域和匹配试验领域。每个领域又进行了细分，共19个细分领域。其中，基础领域分为术语定义和分类；通用领域分为，环境及可靠性、电磁兼容、功能安全、信息安全、测试评价；产品应用技术条件分为，控制、计算、通信、存储、电源管理、驱动、感知、安全、功率、其他10个细分领域，10个细分领域下可根据具体芯片产品类型分为集成电路、分立器件、光电子、传感器4个技术方向；匹配试验领域分为，整车匹配和系统匹配两个细分领域，系统匹配又包含动力、底盘、车身、座舱、智能网联5个技术方向。