汽車電子系統(tǒng)制造中的集成電路技術(shù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）07-0092-03

Integrated Circuit Technology Optimization in Automotive Electronic System Manufacturing

LuNing

（Luzhou Vocational and Technical College，Luzhou 646Ooo，China）

【Abstract】With the development of automotive electronic circuitsand networks，inteligent vehicles pose huge challenges tothereliabilityandperformance，aswellasfunctional safetyofautomotiveintegratedcircuitsunder harsh workingconditions.Thisarticleproposesafull-process solutionintegrating intellgent design，multi-physicsfield simulationandadvancedmaterial technologyinresponse tothechalengessuchastheadaptabilityofautomotive electronicintegrated circuits undercomplex working conditionsandthecollborativeoptimizationoffunctional safetyand energyefficiency.Improveeficiency throughAI-asisteddesign，optimize keyindicators through multi-physicsfield collaborativesimulation，andenhancereliabilitywith new materialsandproceses.Theresultsshow thatthisscheme surpasestraditional methodsin termsoffaultdetection，anti-interferenceandstability，and isexpectedtoprovide support for the highly reliable mass production of automotive-grade chips.

【KeyWords】automotive electronics；integrated circuit optimization；automotive-grade chips；functional safety

0 引言

汽車電子系統(tǒng)能有效提高汽車級(jí)集成電路（IntegratedCircuit，IC）的計(jì)算能力密度、環(huán)境容忍度及功能安全等級(jí)。為確保汽車級(jí)IC芯片在嚴(yán)苛環(huán)境（如高溫、高強(qiáng)度振動(dòng)及復(fù)雜電磁十?dāng)_）下穩(wěn)定運(yùn)行，并滿足自動(dòng)駕駛、聯(lián)網(wǎng)汽車等場(chǎng)景對(duì)極低延時(shí)、高容量的需求，需解決多物理場(chǎng)耦合問題（例如過熱導(dǎo)致的壓裝損壞、信號(hào)完整性不足引發(fā)的誤碼率上升等）傳統(tǒng)方案在多物理場(chǎng)耦合處理方面存在顯著局限性。本文通過設(shè)計(jì)、工藝及測(cè)試的全過程創(chuàng)新，探索車規(guī)級(jí)芯片高可靠、低成本的突破路徑，推動(dòng)汽車電子產(chǎn)業(yè)向智能化與綠色化轉(zhuǎn)型。

1汽車電子系統(tǒng)架構(gòu)

汽車電子系統(tǒng)架構(gòu)正從分布式向域集中式轉(zhuǎn)型。傳統(tǒng)架構(gòu)依賴獨(dú)立電子控制單元ECU實(shí)現(xiàn)功能分割，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、通信低效、維護(hù)成本高。新型架構(gòu)整合動(dòng)力、車身、智能駕駛等模塊至域控制器，要求芯片具備多核異構(gòu)計(jì)算與高可靠通信能力。

轉(zhuǎn)型核心在于平衡硬件整合與功能安全：既要實(shí)現(xiàn)計(jì)算單元低延遲交互，又需保障關(guān)鍵功能隔離與冗余。架構(gòu)集中化推動(dòng)芯片三維堆疊，通過硅通孔（Through-SiliconVia，TSV）技術(shù)集成存儲(chǔ)與邏輯單元，對(duì)封裝材料穩(wěn)定性提出更高要求。同時(shí)，異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)下多處理器協(xié)同調(diào)度、供電網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)調(diào)控、功能安全機(jī)制設(shè)計(jì)，均需跨學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新。

2汽車電子集成電路技術(shù)需求

2.1嚴(yán)苛工況適應(yīng)性需求

汽車電子IC需在極端溫度、機(jī)械振動(dòng)及強(qiáng)電磁干擾等工況下穩(wěn)定運(yùn)行。高溫環(huán)境下，芯片封裝材料因熱膨脹系數(shù)差異易形變，導(dǎo)致焊點(diǎn)開裂或線路斷裂，三維集成封裝技術(shù)通過芯片垂直堆疊與TSV互聯(lián)可分散熱應(yīng)力；振動(dòng)環(huán)境中，傳統(tǒng)封裝基板的剛性結(jié)構(gòu)易因長(zhǎng)期沖擊導(dǎo)致內(nèi)部導(dǎo)線疲勞斷裂，柔性基板材料結(jié)合芯片布局優(yōu)化可提升可靠性2。電磁兼容性方面，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高頻開關(guān)噪聲會(huì)干擾傳感器信號(hào)，集成銅箔隔離層與優(yōu)化接地設(shè)計(jì)的屏蔽方案可抑制串?dāng)_。此外，基于多物理場(chǎng)仿真技術(shù)預(yù)測(cè)芯片熱分布，指導(dǎo)微流道散熱器與導(dǎo)熱材料集成，確保高溫高負(fù)載穩(wěn)定性。

2.2 功能安全與合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

車規(guī)級(jí)芯片需滿足功能安全與行業(yè)認(rèn)證的雙重要求。

1）ISO26262標(biāo)準(zhǔn)。要求芯片在硬件故障時(shí)仍能保障系統(tǒng)安全，自動(dòng)駕駛控制器中的冗余校驗(yàn)?zāi)K采用雙核鎖步機(jī)制，兩個(gè)獨(dú)立計(jì)算單元同步執(zhí)行指令并實(shí)時(shí)比對(duì)結(jié)果，一旦檢測(cè)到差異則立即切換至安全狀態(tài)。

2）AEC-Q100認(rèn)證。要求芯片通過靜電放電、高溫老化和濕度循環(huán)等多項(xiàng)嚴(yán)苛測(cè)試，集成瞬態(tài)電壓抑制二極管和鉗位電路可抵御突發(fā)電壓沖擊，避免因靜電或電源波動(dòng)導(dǎo)致的器件損壞。針對(duì)安全關(guān)鍵功能，故障注入測(cè)試模擬電源跌落或信號(hào)線短路場(chǎng)景，驗(yàn)證看門狗定時(shí)器與冗余電源切換機(jī)制的毫秒級(jí)響應(yīng)能力3。信息安全方面，硬件加密模塊通過AES-256（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)256位）算法加密通信數(shù)據(jù)，物理不可克隆函數(shù)技術(shù)為芯片生成唯一密鑰，增強(qiáng)身份認(rèn)證安全性。

2.3 能效與算力協(xié)同優(yōu)化

車載芯片需在有限供電能力下實(shí)現(xiàn)算力與功耗的高效平衡。異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)整合CPU、GPU、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器，通過任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)度優(yōu)化資源分配，避免閑置或過載。

1）動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)（DynamicVoltageandFre-quencyScaling，DVFS）技術(shù)根據(jù)負(fù)載調(diào)整電壓與頻率，低負(fù)載時(shí)功耗可降至峰值的 30% 以下。

2）近閥值計(jì)算（Near-ThresholdComputing，NTC）技術(shù)降低工作電壓至晶體管臨界值，顯著降低功耗，但需設(shè)計(jì)噪聲抑制與誤差校正電路。

3）硬件加速器針對(duì)特定任務(wù)定制指令集，如自動(dòng)駕駛芯片集成視覺處理單元，減少圖像識(shí)別延遲。

散熱設(shè)計(jì)采用相變材料與熱管組合，結(jié)合智能溫控風(fēng)扇，確保高算力場(chǎng)景的溫度穩(wěn)定性。

3集成電路設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

3.1 AI輔助設(shè)計(jì)

AI輔助設(shè)計(jì)（圖1）基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)，將車規(guī)芯片ASIL-D（汽車安全完整性等級(jí)D級(jí)）功能安全要求與多域功耗性能目標(biāo)映射至物理實(shí)現(xiàn)。輸入設(shè)計(jì)規(guī)范、工藝設(shè)計(jì)包和網(wǎng)表后，拓?fù)渚幋a功能安全約束。布局階段，通過多目標(biāo)求解優(yōu)化：處理器近鄰耦合縮時(shí)，安全島介質(zhì)隔離，收發(fā)器法拉第籠降噪。金屬互連分層優(yōu)化，含蛇形布線、去耦電容與容錯(cuò)設(shè)計(jì)。全流程融合熱電仿真與偏差預(yù)測(cè)，閉環(huán)修正應(yīng)力。輸出經(jīng)規(guī)則校驗(yàn)與溫度域簽核，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)閉環(huán)[4]

3.2多物理場(chǎng)協(xié)同仿真

多物理場(chǎng)協(xié)同仿真技術(shù)耦合電、熱、機(jī)械效應(yīng)，構(gòu)建IC全生命周期可靠性模型，突破單場(chǎng)分析局限，識(shí)別跨域失效風(fēng)險(xiǎn)。在高溫、電磁、振動(dòng)疊加工況下，通過電-熱-機(jī)械實(shí)時(shí)耦合，復(fù)現(xiàn)焊點(diǎn)疲勞、信號(hào)失鎖等失效。多物理場(chǎng)協(xié)同仿真如表1所示。試驗(yàn)表明，在 -55～150^°C 溫度交變與 15g 振動(dòng)疊加工況下，協(xié)同仿真使熱應(yīng)力定位精度提升至 ±3^°C （誤差縮小 80% ），電磁干擾抑制效率達(dá)82dB（信噪比提升20% ），振動(dòng)失效預(yù)測(cè)置信度升至0.95，全維度仿真周期壓縮至 18h （效率提升4倍），芯片壽命預(yù)測(cè)與工況真實(shí)度擬合率顯著提高。

在高溫供電波動(dòng)、高頻電磁耦合及振動(dòng)載荷疊加場(chǎng)景中，通過電-熱-機(jī)械多場(chǎng)實(shí)時(shí)耦合仿真，復(fù)現(xiàn)功率循環(huán)導(dǎo)致的焊點(diǎn)疲勞、電磁干擾引發(fā)的信號(hào)失鎖等復(fù)合失效模式。多場(chǎng)求解器單次迭代同步捕獲 12.3A/mm² 電流密度引發(fā)的 142^°C 熱斑，將機(jī)械振動(dòng)與熱膨脹耦合下的芯片翹曲量控制在 0.05mm 閾值內(nèi)。試驗(yàn)表明，在 -55～150^°C 溫度交變與15g振動(dòng)疊加工況下，協(xié)同仿真使熱應(yīng)力定位精度提升至 ±3^°C （誤差縮小 80% ），電磁干擾抑制效率達(dá)82dB（信噪比提升 20% ），振動(dòng)失效預(yù)測(cè)置信度升至0.95，全維度仿真周期壓縮至18h（效率提升4倍），芯片壽命預(yù)測(cè)與工況真實(shí)度擬合率顯著提高。

3.3新型材料與工藝集成

新材料體系與先進(jìn)工藝的融合推動(dòng)汽車芯片性能邊界擴(kuò)展。通過第3代半導(dǎo)體與異構(gòu)集成技術(shù)的協(xié)同創(chuàng)新，突破傳統(tǒng)硅基器件的物理極限，實(shí)現(xiàn)功率密度與可靠性的協(xié)同提升。新型材料與工藝集成見表2。

在800V高壓平臺(tái)下 15kHz 高頻開關(guān)工況下，碳化硅（SiliconCarbide，SiC）功率模塊可承載540A峰值電流沖擊，利用其溝道電子遷移率突變特性，復(fù)現(xiàn)傳統(tǒng)硅基IGBT在 175^°C 熱崩潰失效場(chǎng)景。氮化鎵（GalliumNitride，GaN）器件在雙脈沖測(cè)試中展現(xiàn)反向恢復(fù)電荷歸零效應(yīng)，將開關(guān)瞬態(tài)過電壓限制在48V內(nèi)。試驗(yàn)表明，在 3.2Mrad 輻射與 250^qC 結(jié)溫耦合應(yīng)力下，SiC器件開關(guān)損耗降至硅基方案的 38% （能量損失減少 62% ），熱導(dǎo)率提升至 490W/m?K （熱管理效率提升2.27倍）；GaN功率單元耐受結(jié)溫突破225% （工作溫域擴(kuò)展 42.9% ），抗輻射能力達(dá) 5.6Mrad （較硅基提升 1020% ）。該材料體系使電機(jī)控制器功率密度提升5.1倍，系統(tǒng)能效突破 99.2% 。

4結(jié)論

本研究針對(duì)汽車電子集成電路在復(fù)雜工況適應(yīng)性、功能安全與能效協(xié)同優(yōu)化等領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)，提出融合智能化設(shè)計(jì)、多物理場(chǎng)仿真與先進(jìn)材料工藝的全流程技術(shù)方案。通過AI驅(qū)動(dòng)的布局布線技術(shù)顯著提升設(shè)計(jì)效率并降低功耗，三維封裝與新型材料集成有效增強(qiáng)芯片的結(jié)構(gòu)可靠性與信號(hào)完整性，多物理場(chǎng)協(xié)同仿真技術(shù)系統(tǒng)性優(yōu)化熱管理、電磁兼容性等關(guān)鍵指標(biāo)。本文表明了優(yōu)化方案在故障檢測(cè)能力、抗干擾性能及長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面均超越傳統(tǒng)方法，為車規(guī)級(jí)芯片的高可靠量產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

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[3]黃友庚.集成電路賦能智慧汽車——記2018青城山中國(guó)IC生態(tài)高峰論壇勝利召開[J].中國(guó)集成電路，2018，27（8）：11-13.

[4]王銳.高性能單片集成汽車電壓調(diào)節(jié)器研究與設(shè)計(jì)[D].貴陽：貴州大學(xué)，2018.

（編輯林子衿）