微电子及碳化硅技术在新能源汽车领域的应用探讨

贾子厚

（中北大学能源动力工程学院，山西 太原 030051）

《中国制造2025》提出要将“推动集成电路及专用装备发展”作为重点突破口，加快从制造大国转向制造强国。微电子器件作为电子信息领域的基础性和战略性产品，被广泛应用在移动通信、汽车电子、电力电子等领域。在如今碳中和大趋势、大背景下，微电子技术和碳化硅技术的应用以及新能源的普及已成为汽车产业未来的发展方向。

1 微电子技术及碳化硅技术的起源与发展

电子技术的发展经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路等阶段，世界集成电路产业的形成可以追溯到20 世纪70 年代。微电子技术的发展是随着集成电路的发展而产生的。随着半导体材料和技术的发展和不断演化，微电子技术在追求集成性更高和功能性更全的道路上不断发展，在电子电路系统的超小型化和微型化过程中逐渐发展起来，目前该技术可以在纳米级别超小区域通过固体内的微观电子运动来实现信息的处理与传递。微电子学已成为一门发展极其迅速的学科，高度集成、高容量、超高频、超低功耗、高性能、高可靠性是微电子的发展方向。

碳化硅是一种人工合成的应用型新型材料，于19 世纪末由美国人发现。这种材料的生产以二氧化硅为原料，通过与氢气等特殊气体的反应提纯，再以碳质材料为腔体或芯体，在电生长炉中通过工艺温度控制完成生长。由于碳化硅材料硬度高、耐高温，具有优质半导体属性[1]，因此被广泛应用于功能陶瓷、高级耐火材料、冶金原料以及半导体芯片衬底及外延等领域。随着技术的发展，碳化硅材料正被应用于更多领域，碳化硅材料技术同石墨烯材料技术一样，将成为未来的新型材料技术之一。

2 微电子及碳化硅技术在汽车行业的应用优势

随着时代的发展，人们对汽车的功能要求越来越高，车辆工程逐步朝着更加智能化、信息化的方向发展。例如先进的定位系统、车辆防碰撞系统、驾驶控制系统、无线通信系统、自动驾驶系统、紧急报警系统、人工智能系统、信息处理系统等都将在一辆小小的汽车上集成，每辆汽车上的电子产品会越来越多。随着电子技术的进步，在汽车功能不断增加而空间不加大的前提下使之成为可能，汽车电子系统的多功能化将引导汽车步入多媒体、智能化、零排放和安全技术新时代。

2.1 微电子技术的应用优势

1） 微电子技术的应用优势介绍以低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC） 技术为例。LTCC 技术可以将诸多片式元器件（如低容值电容和电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等）埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，内外电极可以分别使用银、铜、金等金属组装在多块高密度多层互连基板上，在900 ℃下烧结，封装在外壳内制成三维空间互联电路基板及三维空间互不干扰的高密度电路，制成有源、无源集成的功能模块，进一步将电路小型化、高密度化。立体组装就是在二维平面（x，y） 的基础上向z 方向发展的高密度互联技术，二维平面厚度可减小到纸片厚度再纵向叠加，展开面积可放大数十倍，也就是说同样大小的芯片其功能呈指数级增加[2]。

2） 芯片各元器件之间互连线的长度已成为影响系统信号传输延迟的关键，互连线越长，寄生的电感、电容越大，延迟也越大。传统二维芯片最短的互连线通常约为3 mm，采用三维芯片时z 轴方向最短互连距离仅为0.2 mm。微电子技术的应用大幅度缩短了信号传输延迟时间，同时减少了噪声。

3） 三维微电子技术可以使大小相同的二维芯片互连点数增加多个数量级，为叠层中心元件提供上百个相邻元件，而在二维结构中可提供的仅有几个。三维微组装结构内部单位面积的互连点数大大增加，集成度更高，使系统的外部连接点数和插板大大减少。三维结构对于二维结构如同降维打击。

4） 微电子技术正广泛应用于无线通信、汽车电子、功率半导体器件以及航天、航空电子和可穿戴设备，巨大的市场需求为元器件产品产业化提供了巨大动力。随着高端微电子器件国产化工程的开展，相关工艺的国产化进程加快，我国电子装备产业发展随之加快，技术与国际先进水平之间的差距加速缩小，部分关键电子设备已经具备了参与国际竞争的实力，这将大大降低微电子器件的制造成本。

2.2 碳化硅技术的应用优势

1） 以碳化硅为代表的第三代宽禁带半导体材料具有高频率、耐高压、耐高温、抗辐射、光电性优异、禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高等特点。例如，应用普通硅材料作为半导体材料时工作温度的极限为300 ℃，而在使用碳化硅材料作为半导体材料时，由于其耐高温特性，工作温度的极限可提高到600 ℃以上。碳化硅半导体材料已被广泛使用在微波射频、光电子元器件中，与新能源汽车电气化、高标化要求契合，在电机驱动逆变器功率模块、车载电机、电源转换器中均可应用碳化硅元器件。

2） 目前续航里程和充电时间是制约电动汽车发展的两大因素，在超快充领域应用碳化硅电气元器件可以解决充电时间过长的问题，充电时间将由原来的2 h 缩短至10 min，实现高效电能转化。在氢燃料电池的氢转电高速分离过程中，氢燃料电推升压时普通硅器件无法承受系统高频、高效需求，采用碳化硅器件能很好地解决这个问题。

3） 碳化硅器件可广泛应用于高压输电、逆变器、不间断电源、智慧电网等功率应用领域，碳化硅的应用几乎涵盖了新基建涉及的大部分领域，市场需求大，国内很多高新技术企业已展开布局。

3 微电子及碳化硅技术在新能源汽车领域的应用前景

节能减排、碳中和已上升到国家战略的高度，新能源汽车的普及也势在必行。微电子产品小型化、轻量化、集成化的特点和碳化硅作为第三代半导体材料所具有的光电性、高效性、耐久性成为带动新能源汽车发展的基本技术支撑。

目前我国的汽车产销量保持高速增长，预计到2025 年汽车年产量将达到3 000 万辆。新能源汽车普及加速，可以预见“十四五”期间新能源汽车市场将迎来空前发展机遇，我国的汽车企业将加快布局更多的产品，加速新能源汽车对传统汽车的替代，预计2025 年新能源汽车销量将达到700 万辆以上。国内各大汽车企业的“十四五”规划已经发布，各车企在电动汽车领域均有布局，例如吉利汽车提出2025 年新能源汽车销量占比达到40%；上汽集团规划“十四五”期间进入转型升级关键期，汽车电动化、智能化、信息化目标明确；东风自主品牌新能源汽车的销售目标是100 万辆[3]。

未来几年汽车产业要朝着轻量化、电动化、智能化、物联化、共享化发展，微电子及碳化硅元器件普及应用势在必行。采用微电子技术和碳化硅技术的汽车电子系统可靠性更高，能够在极其严酷的环境下使用，微电子和碳化硅产品的需求强劲。微电子和碳化硅技术在快充领域的应用同样广泛，如果能够配合石墨烯、锂、氢等技术解决电池容量和续航问题，新能源汽车取代传统汽车的前景将一片大好。微电子与碳化硅技术具有诸多先进性，但是目前规模化、产业化不足，价格仍处高位，整车采用会增加成本，但综合使用其系统性成本仍有优势。

我国的电子行业发展起步较晚，整体发展水平较低。光刻是微电子技术工艺中最重要的一个环节，主要用于外延晶片表面投射，对精度的要求极高，我国目前仍不能自主生产高水平的光刻设备，顶尖光刻设备的购买也受到外国限制。目前国内光刻机最高量产工艺能够达到90 nm，上海微电子第一台28 nm 工艺的国产沉浸式光刻机虽然即将交付，但是这和荷兰ASML 公司的5 nm 工艺还有很大差距，为此国家采取了必要的措施。随着中电二所、山西烁科、上海微高、泰科天润、石家庄普兴、上海微电子等电子类高新技术企业布局微电子及碳化硅产业，微电子及碳化硅装备和相关产业链不断完善，相关技术取得很大进步，正朝着专业化、规模化、产业化方向迈进。预计我国微电子及碳化硅产业技术、生产供应链条将在2025 年得到全面完善，部分专业电子装备将达到世界先进水平。汽车企业可以根据自身需求进行芯片的概念设想及构架设计，其他工作交由专业芯片生产厂家完成，到时候物美价廉的微电子、碳化硅产品将引领我国由汽车制造业大国向汽车制造业强国挺进。

4 结束语

以上是对微电子技术及碳化硅技术在新能源汽车控制和电气系统中应用的探讨，该系统只是新能源汽车诸多系统中的一个子系统。如果将汽车比作一个生命体，以上更多的是大脑神经控制方面的探讨，一个生命体还应该具有肌肉骨骼、皮肤毛发、心脏血脉、外形气质、学习能力等方方面面，将来还应从材料技术、表面处理技术、电池技术、工艺设计技术、信息集成技术等方面进行探讨。相信更多新工艺和新材料的不断研发及应用将全方位地促进新能源汽车产业发展壮大。