Полупроводники в машине что это

Автокомпании массово сокращают производство из-за нехватки микросхем

Автомобильная промышленность по всему миру бьет тревогу из-за нехватки полупроводников, так как их все чаще используют в других продуктах, например, смартфонах или ноутбуках. Из-за этого автопроизводители вынуждены сокращать выпуск новых машин — в частности, с проблемой уже столкнулись Volkswagen, Toyota, Honda, Nissan, Ford, Chrysler и другие.

Например, как пишет издание Nikkei Asia, Toyota на своем заводе в американском Техасе сокращает производство пикапов Tundra и пока пытается понять, хватит ли чипов на остальные модели. Nissan сокращает производство модели Note на 5 тысяч экземпляров в январе и думает над продлением сокращений на февраль. Volkswagen урезает выпуск в Китае, Северной Америке и Европе, Honda — в Японии.

General Motors и BMW заявили, что пока не пострадали, но пристально следят за ситуацией.

Полупроводники критически важны для автопрома. Их использование стало еще более распространенным, потому что электромобили и машины на автопилоте становятся более популярными, а при их сборке, по данным KPMG Japan, используют в два раза больше микросхем.

Кроме того, пандемия коронавируса заставила заводы массово сократить выпуск автомобилей. Однако при этом производство смартфонов и ноутбуков продолжалось. Люди стали чаще покупать технику, что привело к еще большему увеличению производимых гаджетов и, как следствие, использованию чипов.

Автомобильные компании сами не выпускают полупроводники, потому что это слишком сложно, — они закупают их у производителей. А у тех сейчас всплеск спроса, который не удается удовлетворить в полном объеме: покупатели сметают с полок ноутбуки, чтобы работать дома и играть, и новые смартфоны, провоцируя производство новых устройств.

Поставки задерживаются, например, от голландско-американской NXP Semiconductors и швейцарской STMicroelectronic — они не успевают произвести достаточное количество микросхем, чтобы хватило всем. В компаниях говорят, что авторынок восстановился после коронакризиса неожиданно быстро, и успеть за ним непросто.

Из-за этого же задерживаются поставки запчастей от немецких Continental и Bosch, которые в своей работе тоже нуждаются в полупроводниках.

Эксперты говорят, что может потребоваться полгода, чтобы наверстать спрос на полупроводники.

Источник

Почему дефицит микросхем – это миф, но автокомпаниям и дилерам он выгоден

Марк Лю, глава одного из крупнейших производителей микрочипов в мире, Taiwan Semiconductor Manufacturing Co (TSMC), который является поставщиком Apple, Intel, Qualcomm и AMD, развенчал миф о дефиците микросхем для автомобилей

В прошлом году автопром сильно пострадал из-за локдаунов. Автокомпаниям приходилось закрывать заводы, а дилерам – шоу-румы и торговать машинами буквально из-под полы. Словом все они понесли солидные издержки, а эти издержки нужно как-то покрывать. Но как? Просить помощи от государства? Оно конечно поможет, но долги придется отдавать. Резко поднять цены на автомобили? Покупатели не поймут, и продажи могут упасть еще сильнее. Выпускать больше машин и заработать за счет объема? Увы, рынок не бездонный и даже с учетом отложенного спроса может возникнуть затоваривание, а, следовательно, вновь придется нести убытки.

И на данном этапе рассуждений в голову какого-то менеджера приходит гениальная по своей простоте мысль: а что если создать искусственный дефицит? Все мы знаем, что происходит, когда возникает нехватка того или иного ходового товара, будь то гречка или туалетная бумага – покупатели начинают сметать его с полок по любой цене.

Аналогичная история повторилась и с автомобилями. Их вдруг стало не хватать, причем по всему миру. Покупатели же готовы были тратить деньги, которые накопились за счет отложенных поездок на отдых и «вертолетной» финансовой помощи от государства (в развитых странах). Машину захотели иметь даже те, кто раньше о ней и не думал: в постковидную эпоху личный транспорт стал своего рода «оберегом», защищающим человека от вирусов.

Словом спрос появился нешуточный, а вот машин сильно больше производиться не стало. А что делают продавцы, когда спрос превышает предложение? Правильно – повышают цены. Причем повышают ровно на столько, насколько покупатели готовы переплатить. Если есть люди, согласные взять новый Land Cruiser, на который дилер накинул миллион сверху, как-то странно продавать этот же внедорожник за официальный прайс.

Не знаю, кто начал эту спекулятивную игру первым – дилеры или сами автопроизводители, но она оказалась выгодна и тем и другим. Одни смогли быстро заработать и отбить убытки от локдауна, другие – стали делать больше машин в дорогих комплектациях, которые приносят наибольшую прибыль – ведь покупатель готов купить все, что ему дают. Плюс заводы получили заказы на месяцы вперед, а вместе с ними и уверенность в завтрашнем дне. Ну и зачем, спрашивается, им нарушать эту идиллию? Гораздо проще сослаться на мифический дефицит микросхем, оправдывая многомесячные очереди и улетевшие в космос цены на машины.

Хотя здесь тоже все не так просто. Ведь автоконцерны формально не причем, и винят во всех грехах производителей автокомпонентов – это им не хватает чипов. Тот же завод Bosch Самара, сорвавший поставки блоков ABS/ESP на конвейер АВТОВАЗа, прогремел на всю страну. И подумайте, стал бы немецкий бренд портить свою репутацию, только для того, чтобы автопроизводитель и его дилер смогли больше заработать на дефиците машин?

А может быть, чипы оседают на складах перекупщиков, которые тянут с поставками для того, чтобы тоже заработать? Такой вариант исключать нельзя. Более того, возможен даже «заговор» на уровне… правительств! И это не шутка: американцы уже давно хотели развернуть масштабное производство микросхем у себя дома, чтобы не зависеть от несговорчивого Китая и других азиатских поставщиков – а тут и повод подвернулся, под который можно запросить у государства дополнительные ассигнования на строительство новых заводов.

Источник

Лаборатория полупроводников Audi

Системы беспилотной езды, внедрение электронных компонентов в силовые установки и объединение автомобилей в сеть – в основе всех этих инноваций лежат полупроводниковые технологии. «Более 80 процентов всех инноваций в современных автомобилях стали возможными благодаря микроэлектронике», — так сказал Стефан Саймон, эксперт по полупроводникам из отдела контроля качества. «В общей сложности в современном автомобиле используется порядка 8000 полупроводников в 100 взаимосвязанных блоках управления. Вычислительная мощность каждого из этих устройств выше, чем у первой ракеты, долетевшей до луны».

Полупроводниковая лаборатория Audi Semiconductor Lab работает по принципам и методикам превентивного менеджмента качества. Лаборатория выполняет важную функцию связи между разными подразделениями – она является центром контроля качества и анализа проводников, а также в ней занимаются технологиями сборки и подключения. Все это работает как внутри компании, так и при сотрудничестве с партнерами из промышленной и исследовательской отраслей.

Также лаборатория является экспертным органом, поскольку осуществляет межотраслевую и междисциплинарную оценку компонентов и сборок, а также в ней изучаются сборочные и производственные процессы. Еще одна ее задача – квалификация сотрудников разных специальностей. Столь широкий спектр полномочий и возможностей делает Audi Semiconductor Lab абсолютно уникальной во всей европейской автомобильной промышленности.

Эксперты лаборатории оценивают различные компоненты (собственные сборки модулей управления) на предмет их пригодности, надежности и качества сборки. На ранних этапах разработки сотрудники составляют и проверяют требования, которым должен соответствовать чип, который позже будет использоваться в автомобилях (и эти требования заметно отличаются о тех, которые используются в других отраслях). Средний срок службы смартфона составляет два года, а у автомобиля – около 15 лет. Более того, сценарии использования и нагрузки, которым подвергаются автомобили, несравнимы с теми, с которыми сталкиваются смартфоны. «Полупроводники должны проектироваться и изготавливаться так, чтобы учитывались перепады температур, влажность и вибрации, возникающие в автомобиле», пояснил эксперт по полупроводникам Оливер Зентфлебен.

Также компоненты проверяются на предмет устойчивости к временному износу, поскольку в автомобиле процессы могут возникать процессы ускоренного старения. Среди различных исследований в этой области можно выделить ускоренное старение в термальной камере. Также физический анализ применяется для изучения производственных качеств устройств и их поведения при старении.

В лаборатории установлен современный рентгеновский аппарат и сканирующий электронный микроскоп. Для проведения особых процедур анализа полупроводниковых чипов специалисты лаборатории работают вместе с коллегами из лаборатории материаловедения.

Например, они совместно осуществляют пробоподготовку с помощью пучков сфокусированных ионов (FIB) (используя сканирующий электронный микроскоп, испускающий пучки сфокусированных ионов). Все эти методы могут применяться для проверки блоков управления на предмет возникновения серийных и технологических ошибок.

Цифровизация

За последние годы приоритеты заметно поменялись. Несмотря на то, что водители сравнивают характеристики разных и транспортных средств и обращают внимание на их дизайн, также они ожидают внедрения современных технологий. В качестве примера таких технологий можно привести систему передачи данных о движении Audi Connect, подключение и интеграцию смартфонов, а также современные системы помощи водителю.

autoSWIFT — электронные компоненты для автомобильной промышленности

Чтобы соответствовать высоким темпам инноваций в отрасли и иметь возможность быстро реагировать на новые разработки, AUDI AG сотрудничает с ведущими компаниями в области полупроводников и электронной промышленности. Так, например, будут заложены основы стандартизированной оценки технологий вместе с FZI Forschungszentrum Informatik, Globalfoundries, HOOD GmbH, Infineon Technologies AG и Robert Bosch GmbH. Исследовательский проект autoSWIFT подразумевает «ускорение циклов разработки электронных систем по всей цепочке создания добавленной стоимости автомобилей». Программа нацелена на внедрение в автомобили инновационных и высококачественных электронных компонентов, основанных на новейших производственных технологиях, причем разработка и интеграция должны осуществляться быстрее, чем раньше. Что касается требований, которые будут предъявляться к процессам разработки в будущем, в настоящее время сотрудники исследуют как можно превратить цепочку создания добавленной стоимости в полноценную сеть.

«Сотрудничество компаний и междисциплинарные совместные разработки призваны оценить пригодность технологий на этапе разработки и интегрировать их в процессы проектирования продуктов на ранних этапах», объясняет Гельмут Лохнер, эксперт из Audi Semiconductor Lab и руководитель проекта autoSWIFT. Такой подход позволит привести полупроводниковые технологии в соответствие с высокими стандартами качества автомобильной промышленности.

Технологии освещения

В новых Audi A8 и Audi TT RS (общий расход топлива в литрах на 100 км: 8.2 — 8.5, выбросы CO2 в граммах на км – 187 — 194) компания использует новые системы заднего освещения с использованием технологии OLED. В отличие одноточечных источников света (таких, как светодиоды) OLED-устройства являются поверхностными источниками. Их свечение выводит однородность подсветки на новый уровень. Они не отбрасывают резких теней и не требуют отражателей, светодиодов и других оптических компонентов. Все это делает OLED-блоки эффективными и легкими, а их требования к пространству – минимальными. Разделение OLED-подсветки на небольшие индивидуально управляемые сегменты с трехмерным расположением позволяет разрабатывать новые сценарии освещения, которые дают дизайнерам больше творческой свободы в проектировании и анимации.

В каждом OLED-устройстве содержится два электрода (по крайней мере один из них – прозрачный) и множество тонких слоев из органических полупроводниковых материалов. Низкое напряжение заставляет эти слои (они в 200 раз тоньше человеческого волоса) светиться. Все это позволило Audi перенести свое ДНК в современные технологии.

Сотрудники лаборатории принимали участие в многоступенчатом процессе тестирования, которому была подвергнута эта технология перед внедрением в серийное производство. Испытания варьировались от разработки конкретных модулей реализации и проверки базовой технологии и OLED до тестирования задний фонарей в сборе. Особое внимание уделялось уникальным аспектам использования, характерным автомобильной индустрии (например, ускоренному старению, вызванному окружающей средой или обычному пассивному старению).

Первое в истории использование OLED-блоков в автомобильной индустрии потребовало разработки и анализа конкретных параметров этой технологии. Audi Semiconductor Lab совместно с отделом технического развития провели полную оценку технологии для разных приложений еще на этапе ее разработки. В самой технологии и производственных процессах продуктов, использующих ее, были выявлены и устранены слабые места. Требования к технологии OLED были определены для будущих проектов и закреплены в качестве стандартов.

Электрификация

Audi активно работает над электрификацией своих систем и разрабатывает концепции экологичной мобильности. Частью этих проектов является силовая электроника – сердце любого электрифицированного автомобиля. Ядром этих систем являются инверторы с широтно-импульсной модуляцией (с точки зрения технологий, это один из наиболее требовательных компонентов).

Это устройство преобразует постоянное напряжение от высоковольтной батареи в трехфазный переменный ток для питания электродвигателя. Высокопроизводительные полупроводники в инверторах занимают примерно 1 квадратный сантиметр. Каждый из них должен передавать ток силой в 100 ампер с частотой 10 кГц. Несмотря на эффективное охлаждение, возникающие в результате потери мощности в кристалле приводят к быстрому старению электрических контактных соединений.

RoBE — надежность креплений в электромобилях

Чтобы обеспечить надежное прогнозирование сроков службы каждого крепления на этапе использования, Audi объединила усилия с партнерами из отрасли и сторонних исследователей в проекте RoBE (надежность креплений в электромобилях). Цель этого проекта в том, чтобы как минимум вдове увеличить срок службы потребительской электроники. Проект, в котором также участвуют исследовательские институты Fraunhofer IZM и Fraunhofer ILT, нацелен на формирование более глубокого понимания разнообразия и взаимных зависимостей в технологиях соединения. В настоящее время разрабатываются новые технологии (такие как лазерная сварка) и исследуются новые материалы, котроые позволяет преодолеть современные ограничения.

Наиболее важным стимулом для проведения совместных исследований инновационных решения исследовательскими институтами является объединение компетенций на всей цепочки разработки продуктов. Критериев оценивания и стандартов испытания для новых технологий зачастую просто не существует. Таким образом, Semiconductor Lab участвует в разработке спецификаций качества на самых ранних стадиях различных проектов и способствует их продвижению в различных отраслях.

Автоматизация вождения

Новая Audi A8 – это первый в мире серийный автомобиль, предназначенный для частичного использования систем беспилотной езды 3 уровня в соответствии с международными стандартами. Система Audi AI может брать на себя управление в медленном транспортном потоке со скоростью до 60 км/ч, на шоссе и на многополосных дорогах с физическим барьером, разделяющим полосы. Во время езды под управлением ИИ центральный контроллер (zFAS) непрерывно анализирует сведения об окружающей среде, объединяя данные с разных датчиков. Также Audi стала первой компаний, в автомобилях которой используются лазерные сканеры.

Сканер увеличивает угол обзор радара дальнего действия с 35 до 145 градусов. Благодаря широкому полю зрения автомобиль сможет раньше распознавать других участников дорожного движения и интерпретировать их поведение (например, выезд из полосы движения). «Представьте, что лазерный сканер испускает лучи света, которые сканируют окружение автомобиля за доли секунды», сказал Роберт Краус, эксперт по производственным технологиям в Semiconductor Lab. Вращающееся зеркало в компактном корпусе направляет лучи мощного диода по области сканирования. Новый сканер не просто обнаруживает препятствия, он также может определять точное расстояние до них. Это делается путем измерения времени между испусканием луча и его обнаружением на фотодиоде.

Сотрудники Semiconductor Lab готовились к внедрению лазерных сканеров в новой A8 c 2014 года. В сотрудничестве с Technical Development они разработали исчерпывающие спецификации для самой детали и ее компонентов. Прежде чем впервые быть использованными в автомобильной индустрии, лазерные диоды применялись в бытовой электронике, а еще раньше они подвергались многочисленным испытаниям и анализам в различных лабораториях. На основе результатов этих тестов была проведена оптимизация производственных процессов для диодов с целью удовлетворения требованиям к качеству.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Полупроводниковые технологии в автомобилестроении

Тенденции развития автомобильного транспорта, применение современных двигателей, выполняемых на основе принципиально новых конструктивных решений и материалов, выдвигают требования работы электронных устройств в расширенных температурных диапазонах и меньших по объему пространствах. Поиск альтернативных методов получения энергии и развития беспроводных коммуникационных систем требуют повышения многофункциональности и снижения энергоемкости используемых для решения этих задач микроэлектронных устройств. Вот о том, что представляют собой современные полупроводниковые технологии в автомобилестроении, мы и поговорим в этой статье.

Электрическая проводимость твердых тел

Способность отдельных материалов проводить электрический ток определяется количеством и подвижностью имеющихся в них свободных носителей заряда. Так, различие в удельной электропроводимости для твердых тел при комнатной температуре проявляется в преде­лах диапазона, определяемого от 10-й до 24-й степени. Поэтому материалы соответствующим образом могут быть подразделены по электри­ческим свойствам на три электрических класса. В табл. «Классификация проводимости материалов» приведено их описание с примерами.

Проводники (металлы)

В твердых телах содержится приблизительно 10 22 атомов на кубический сантиметр. Вместе их удерживают электрические силы. В ме­таллах имеется большое число свободных носителей заряда (один свободный электрон приходится на атом). Свободные носители зарядов обеспечивают металлам высокую электрическую проводимость. Для хоро­ших проводников она составляет примерно 10 6 См/см.

Диэлектрики (изоляторы)

Число свободных носителей заряда, обнару­живаемое в изоляторах, практически равно нулю. Соответственно, их электрическая про­водимость незначительна. Для хороших изо­ляторов она составляет примерно 10 18 См/см.

Полупроводники

Полупроводники по электрической проводи­мости занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Это — в от­личие от проводимости металлов и диэлек­триков — в значительной степени зависит от следующих факторов:

Так как полупроводники зависят от указанных факторов, они пригодны для использования в ка­честве датчиков давления, температуры и света.

Легирование полупроводников

Электрическая проводимость полупроводников

Рассмотрим изменение этого параметра на примере кремния. В твердом состоянии кремний имеет кристаллическую решетку с четырьмя равноудаленными смежными атомами. Каждый атом кремния имеет че­тыре валентных электрона с двумя парными электронами, формирующими валентную связь между каждой парой атомов крем­ния. В таком идеальном состоянии кремний не имеет свободных носителей заряда и не является проводимым. Условия резко из­меняются при добавлении соответствующей присадки и подводе энергии.

Здесь мы поясним легирование на простой и очевидной модели. Тем не менее, важно помнить, что далеко не все эффекты можно объяснить при помощи этой модели.

n-легирование

р-легирование

Введение примесных атомов с тремя валент­ными электронами (например, бор) обеспе­чивает появление дырок, так как атом бора имеет на один электрон меньше, чем в кри­сталлической решетке кремния (рис. в, «Лигированный кремний«). Дырка означает нехватку электрона. Дырки перемещаются внутри кремния; в электриче­ском поле они перемещаются в направлении, противоположном направлению движения электронов. Дырки являются носителями свободного положительного заряда. Таким образом, каждый дополнительный атом бора предоставляет свободную положительно за­ряженную дырку (положительная дырка). Кремний превращается в p-проводник и на­зывается кремнием р-типа.

Собственная электропроводность

Под действием температуры и света в необ­работанном кремнии могут образоваться свободные носители заряда, представляющие собой связанные электронно-дырочные пары (экситоны), которые обеспечивают материалу собственную проводимость. Она является объединением проводимостей р- и n-типа, по­лучаемых легированием. Повышение темпера­туры ведет к экспоненциальному росту числа электронно-дырочных пар, в конечном счете устраняющему разность электрических потен­циалов между р- и n-областями, созданными легированием. Это явление налагает ограни­чение температуры, которым могут подвер­гаться полупроводниковые компоненты. Для германия — это 90-100 °С, для кремния —150— 200 °С, а для арсенида галлия — 300-350 °С.

В полупроводниках как n-, так и р-типа всегда имеется небольшое количество носи­телей заряда противоположной полярности. Их наличие сказывается на рабочих характе­ристиках практически всех полупроводнико­вых приборов.

p-n-переход

Пограничный слой между р и n-областью в пределах одного и того же кристалла полу­проводника называется p-n-переходом. Его свойства определяют рабочие характери­стики большинства полупроводников.

р-n-переход без внешнего электрического напряжения

P-область характеризуется наличием большого количества дырок, в то время как n-область имеет их очень немного. В n-области присутствует большое количество электронов, в то время как в p-области их исключительно мало. Каждый тип подвиж­ного носителя заряда стремится двигаться в противоположную зону (диффузионные токи) (рис. в, «р-n-переход в диоде» ).

Диффузия дырок в n-область приводит к тому, что p-область становится отрицательно заряженной в области пространственного за­ряда, так как отрицательно заряженные атом­ные радикалы, например, бора, остаются неподвижными. Недостаток электронов при­водит к тому, что n-область становится по­ложительно заряженной, так как в ней обра­зуется избыток неподвижных положительно заряженных атомных радикалов, например, фосфора. Возникает разность потенциалов между p- и n-областями (потенциал поля p-n-перехода U_D), противодействующая ми­грации носителей заряда и в конечном счете приводящая к полному прекращению обмена дырок и электронов. Потенциал U_D создан за счет диффузии, и его невозможно непо­средственно измерить извне, для кремния он обычно составляет всего лишь 0,6 В.

В p-n-переходе образуется область с не­достаточным количеством подвижных носи­телей заряда. Эта зона называется областью пространственного заряда или запирающим слоем. Она имеет электрическое поле, напря­женность которого также зависит от внеш­него приложенного напряжения.

р-n-переход с внешним электрическим напряжением

Теперь можно описывать условия работы ди­ода, так как p-n-переход соответствует струк­туре диода. Анод находится в p-легированном кремнии, а катод — в n-легированном кремнии.

При подаче напряжения U в обратном направлении (отрицательный полюс — в p-области, а положительный — в n-области) область пространственного заряда расширя­ется (рис. с, «р-n-переход в диоде» ). В этих условиях электрический ток I прерывается, за исключением мини­мального остаточного тока (обратный ток), поддерживаемого незначительным количе­ством носителей заряда. Напряжение U затем падает в области пространственного заряда. Соответственно, эта область становится зоной высокой напряженности электрического поля.

Напряжение туннельного пробоя р-п- перехода — это напряжение обратной полярно­сти и такой величины, когда минимальное его увеличение становится достаточным для рез­кого возрастания обратного тока (рис. «Вольт-амперная характеристика кремниевого диода» ). Этот эффект объясняется следующим. Электроны, достигающие области пространственного за­ряда, значительно ускоряются за счет высокой напряженности поля. Таким образом, они мо­гут, в свою очередь, генерировать свободные носители заряда в результате такого воздей­ствия; этот эффект также известен как ударная ионизация. Это приводит к резкому возрас­танию тока и вызывает лавинный пробой. До­полнительно к лавинному пробою на основе туннельного эффекта возникает также зене­ровский пробой. Пробой может привести к нарушению p-n-перехода и поэтому иногда нежелателен. Тем не менее, во многих случаях пробой бывает полезен. Лавинный и зенеров­ский пробои возникают только в том случае, когда диод работает в обратном направлении.

При подаче напряжения U в прямом направ­лении (положительный полюс в p-области, а отрицательный — в n-области) область про­странственного заряда уменьшается (рис. d, «р-n-переход в диоде» ). Носители заряда проникают в p-n-переход под действием большого тока в прямом направле­нии (рис. «Вольт-амперная характеристика кремниевого диода» ), так как область пространствен­ного заряда больше не имеет значительного сопротивления. Эффективно только объемное сопротивление, то есть активное сопротивле­ние легированных слоев. Ток I возрастает экс­поненциально как функция U. Однако, следует помнить о «тепловом пробое», так как при этом полупроводник может полностью выйти из строя из-за перегрева. Это может прои­зойти, например, если диод работает в прямом направлении при недопустимо высоком токе.

Источник