芯片到底是什么？

假设一百年或者几百年之后，回顾2018年到2019年的大国关系，未来的人们可能发明一个新词，或许就叫做芯片战争。虽然这种战争暂时还没听到枪炮声响和看到硝烟，但是对未来世界格局的深远影响，可能不亚于一场次级别的世界大战。这是因为围绕芯片这种国际商品而产生的交易额，是当今全球原油交易市场总额的数倍。围绕石油的大战已经不止一次，现在围绕芯片开始的激烈斗争，也将重构二十一世纪上半叶的基本世界格局。那么现在大家几乎天天听到芯片这个词。那么芯片到底是什么，为何设计和生产芯片成了一门高技术，对大多数人来说，恐怕都是半懂半不懂，或假装听得懂，也算一种基本态度。芯片说到底，其实就是一种微电路。那么什么又是电路？打开电脑的机箱，或者任何一种有程序化功能的电器内部，都会看到电路板。芯片就是一种极度微小但功能强大的微缩逻辑电路。

现代集成电路是由基尔比在1958年发明的。因此荣获2000年诺贝尔物理奖，实用集成电路的发明人是诺伊斯，因过世早而未能同时获奖，诺贝尔所有奖项只发给在世的人。

集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小的纯硅的薄片上，这是一个巨大的进步。

集成电路相对离散晶体管有两个主要优势：成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术，作为一个单位印刷，而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关，消耗更低能量，因为组件很小且彼此靠近。现在已经进入纳米级，比如7纳米级的芯片，一平方厘米面积内就可以集成64个亿的微元件，已经接近物理规律的极限，再靠的更近，电子可能就直接穿透了电路之间的空间自然隔离，导致芯片电路自然失效了，这就是摩尔定律在微电子领域内的作用。

先进的集成电路是微处理器或多核处理器的核心，可以控制计算机到手机等一切电子设备。虽然设计开发一个复杂集成电路的成本非常高，但是当分散到通常以亿计的产品上，每个集成电路的成本最小化。最终利润就足够丰厚。

制作芯片的基础材料是单晶硅薄片。单晶硅是经过早年的多次试验后，认为是最合适的大规模制作集成电路的半导体材料。成为集成电路主流的基层。硅元素在地球地壳中含量很高，比如沙子水泥都含有大量的硅元素，但是能利用的是纯度极高的单晶硅，也就是提炼出不含亿分之一杂质的硅结晶，这种结晶体，直径越粗壮越好，越大的结晶，可以切割成直径越大的圆盘薄，在这种薄片上可以印刷更多的呈现长方形的小芯片。单晶硅圆盘的制作直径，是芯片加工企业的第一个技术高低的指标。过去研发无缺陷纯单晶硅晶体的方法就用了数十年的时间。制作芯片的基材，除了使用单晶硅，还有III-V族材料，比如砷化镓也可以。

现在流水线式的单晶硅芯片的制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节，其中晶片制作过程尤为的复杂。首先是芯片设计，根据设计的需求，生成的“图样”。而制造芯片的原料是晶圆。晶圆的成分是纯硅，硅是由石英沙所精练出来的，晶圆便是硅加以纯化99.9999999%，接着是将这些纯硅制成硅晶棒，成为制造集成电路的石英半导体的材料，将其切片就是芯片制作具体所需要的晶圆。晶圆越薄，直径越大生产的成本越低，但对工艺就要求的越高。

然后对晶圆进行涂膜，涂膜能抵抗氧化以及耐温能力，其材料为光阻的一种。再往后是晶圆的光刻显影、蚀刻。光刻工艺的基本流程。首先是在晶圆或衬底表面涂上一层光刻胶并烘干。烘干后的晶圆被传送到光刻机里面。光线透过一个掩模，把掩模上的图形投影在晶圆表面的光刻胶上，实现曝光，激发光化学反应。对曝光后的晶圆进行第二次烘烤，即所谓的曝光后烘烤，后烘烤是的光化学反应更充分。最后，把显影液喷洒到晶圆表面的光刻胶上，对曝光图形显影。显影后，掩模上的图形就被存留在了光刻胶上。如果看不明白这一点，就可以把晶圆看做老式胶卷照相机的显影工艺。

涂胶、烘烤和显影都是在匀胶显影机中完成的，曝光是在光刻机中完成的。匀胶显影机和光刻机一般都是联机作业的，晶圆通过机械手在各单元和机器之间传送。整个曝光显影系统是封闭的，晶圆不直接暴露在周围环境中，以减少环境中有害成分对光刻胶和光化学反应的影响。

这个复杂的过程使用了对紫外光敏感的化学物质，即遇紫外光则变软。通过控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蚀剂，使得其遇紫外光就会溶解。这时可以用上第一份遮光物，使得紫外光直射的部分被溶解，这溶解部分接着可用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就与遮光物的形状一样了，而这效果正是所要的。

下一个工序是掺加杂质，将晶圆中植入离子，生成相应的P、N类半导体。具体工艺是从硅片上暴露的区域开始，放入化学离子混合液中。经过上面的几道工艺之后，晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。将制造完成晶圆固定，绑定引脚，按照需求去制作成各种不同的封装形式。经过上述工艺流程以后，芯片制作就已经全部完成了，最后步骤是将芯片进行测试、剔除不良品，最后包装上市。

车规级MCU迎来新增长，目前的车规级MCU性能如何？

电子发烧友网报道（文/李诚）说到车规级芯片大家首先想到的一定是MCU，在一辆汽车中有1/3的芯片都是MCU。MCU在汽车应用中起到了单元模块控制的作用，例如车身控制、动能控制、自动驾驶等方面都需要用到MCU。汽车电气化的趋势已不可逆转，据商务部表示，1至9月生产企业新能源汽车销量215.7万辆，同比增长1.9倍，较2019年同期增长1.4倍，占生产企业新车销量的11.6%。新能源汽车销量屡创新高，MUC的市场需求也水涨船高。一辆普通的燃油车MCU用量由70颗至100颗不等，由于电动汽车朝着智能化方向不断前进，自动驾驶、高级驾驶辅助系统的快速发展，每个复杂的功能单元都需要性能极强的MCU对其控制，因此，电动汽车的MCU用量相较于燃油车的用量高出一倍甚至更多。今年8月，据IC insights预计，2021年车规级MCU销量将同比增长至23%，产值达76亿美元，创历史新高，车规级MCU将迎来新增长。

车规级MCU的硬性要求

不同级别的芯片都有不同的硬性要求，以保证芯片运行的稳定性。如车规级MCU的制造硬性要求远高于一般商业级、工业级的芯片，仅次于军用级芯片的标准。车规级MCU的使用寿命、稳定性以及工作耐温都有着严苛的要求。

使用寿命，汽车不属于易耗品，从落地到最终使用结束周期大多都在10年以上，因此对使用寿命有着严格的要求，车规级MCU的使用寿命要远高于汽车的使用寿命才能保证汽车行驶的安全性。

稳定性，稳定性对车规级MCU来说非常重要，汽车行驶的路况具有不确定性，车规级MCU在设计时需考虑行驶过程中会经历碰撞、抖动等情况对芯片的影响以及车辆长时间使用电路老化造成的干扰问题，提高车规级MCU的稳定性。

芯片工作耐温能力，车规级MCU一般装配在汽车内部，负责各个功能单元的控制，汽车在行驶过程中会产生大量热量，为保证行车安全，车规级MCU需具备抗高温的能力。部分地区温度环境恶劣，在冬天气温会低至零度以下，因此车规级MCU还需具备抗低温能力，避免芯片低温失效，汽车无法启动的现象发生。一般车规级MCU的耐温范围为－40℃至150℃。

据公开数据显示，2020年车规级MCU 98%的市场份额主要被国外厂商所占据，其中瑞萨占30%、恩智浦占26%、英飞凌占14%，这三家企业占据50%以上的市场份额排名前三。MCU作为汽车控制的核心器件，MCU的优劣直接影响到整车性能，下面将对市场份额前三公司的部分产品进行分析。

全球车规级MCU的领导者——瑞萨

瑞萨的车规级MCU在汽车电子市场极具影响力，2020年市占率排名第一，瑞萨的车规级MCU性能优异，具有超强的处理能力和极高的指令响应速度，能够提供更精准的控制功能，目前已推出了RH850、RL78；两个系列的车规级MCU。2016年瑞达与台积电达成生产28nm MCU的合作，于2018年发布RH850，RH850是世界首款28nm制程的车规级MCU，与之前的40nm制程的MCU相比，在同等功耗下，处理性能提升了3倍。该系列MCU闪存最大为16MB，芯片内置了10个CAN FD接口和1个以太网接口，提高了芯片与节点的连接数量以及数据传输速率。

RH850/F1KH-D8是瑞萨专为汽车车身电气系统设计的一组车规级MCU，该组芯片基于是G3KH双内核的32位MCU，保证两颗内核的运算结果一致性，能够在故障发生时立即发现故障，提高系统和行车安全性。提该芯片具有低功耗、高运算处理能力的特点。在不同的控制单元中使用，都可减少供电电流和降低电源功耗。RH850/F1KH-D8的闪存大小为6MB~8MB，内部集成了CAN FD接口和以太网接口，CPU最高的运行频率已被提升至240MHz。

全球领先的汽车电子解决方案供应商——恩智浦

恩智浦也算是汽车行业的龙头，2020年恩智浦在汽车电子领域销售额占总营收的44%，其中恩智浦车规级MCU在全球市场的市占率为26%。目前恩智浦已推出S32 MCU系列、EAMCU系列、MAC57DXXX系列MCU，最近还推出了一款闪存支持512 KB至8 MB的S32K3 MCU，该产品目前还处于样品阶段，未实现量产。其中，恩智浦的S32G高性能MCU受到了很多客户的认可，S32G主要是将高性能的MPU与MCU集成于同一芯片内，大幅度地提升了芯片的数据运算能力和降低软件的复杂性，现被已被众多汽车厂商采用。

图源：恩智浦

S32G2是一款恩智浦的车规级MCU，采用了各个基于Arm架构的Cortex-A53内核，具有两两锁步功能，主要负责高运算量的数据处理工作，同时，还采用了3个基于Arm架构的Cortex-M7全锁步内核，主要负责对实时数据的处理工作。内部还集成了多个加速引擎，低延迟通信引擎，具有20个CAN接口，用于汽车处理网络加速；数据包转发引擎，具有4个千兆网络接口，用于以太网网络加速；硬件安全引擎，用于安全启动和加速安全服务。该芯片符合车规级2级的应用标准，耐温为－40°C至105°C。

全球最大的车用半导体公司——英飞凌

2019年英飞凌收购CYPRESS，补齐英飞凌汽车电子品类，全力发展汽车半导体领域，2020年英飞凌取代恩智浦在汽车电子领域的霸主地位成为第一，市占率达13.2%。其中在车规级MCU领域英飞凌的市占率为14%，排名第三。

图源：英飞凌

CYT3BB/4BB系列是英飞凌的车规级MCU，采用了Arm架构主频高达250MHz的Cortex ®-M7F 单/双核，4 MB 代码闪存和256 KB 工作闪存，该系列芯片具有高效的数据处理能力和优秀的网络连接能力，主要应用于汽车的车身控制模块、网关控制和汽车娱乐系统中。CYT3BB/4BB系列可通过以1个太网接口和8个CAN FD接口进行高速率的数据传输以及频繁的数据更改，除此之外还集成了20个LIN/UART接口和I2C、SPI可进行配置的串行通信接口。内部集成了12为的高速A/D转换器和220个可编程的 GPIO。CYT3BB/4BB系列采用了272 Pin的BGA封装，耐温范围为－40至 125℃。

总结

MCU作为汽车单元控制的主要核心部分，对汽车智能化发展具有推动作用。目前汽车电子市场空前繁荣，车规级MCU市场需求增长，众多企业不断布局汽车电子市场，以扩产、合作、收购的形式提升对市场的影响力和满足市场的产品需求。在国内，目前也有不少厂家推出了车规级MCU的国产替代方案，依托国内强大的汽车市场，尽可能地向国际大厂靠拢。

相关问答

手机芯片多少度会烧坏?

如果cpu温度超过70度,那么长期使用可能会对cpu造成伤害;如果温度达到80度,那么cpu就非常危险了,所以我们应尽可能采用好的散热设备。cpu风扇转速没有很确定的...

氮化镓芯片耐温多少?

氮化镓芯片是一种高温稳定性能优良的半导体材料,其耐温性能取决于制备工艺和材料质量。一般来说,氮化镓芯片可以在高达300摄氏度的温度下正常工作,而且在短时...

4054芯片耐温多少温度?

4054芯片是一种高性能数字电路芯片,其耐温范围通常为-40℃至+85℃。这意味着该芯片可以在极端的温度环境下正常工作,如在极寒的北极地区或高温的沙漠地带。该...

芯片制造六大工艺?

1,芯片的原料晶圆,晶圆的成分是硅,硅是由石英沙所精练出来的,晶圆便是硅元素加以纯化(99.999%),接着是将些纯硅制成硅晶棒,成为制造集成电路的石英半导体...

abs最高耐温多少度?

abs耐热温度在105到110度之间。以下是关于abs的知识介绍:1、简介:制动防抱死系统简称ABS。作用就是在汽车制动时,自动控制制动器制动力的大小,使车轮不被抱...

氧化铝陶瓷耐温值有人能告诉我吗_住范儿家装官网

一般的氧化铝陶瓷耐温值5600,骨瓷和广东陶瓷一般在1100度。景德镇的一般的是1300度,也有特别的达到1400度。工业陶瓷有的可达到2600度,氧化铝陶瓷是...

芯片是如何制成的?

1制作晶圆。使用晶圆切片机将硅晶棒切割出所需厚度的晶圆。2晶圆涂膜。在晶圆表面涂上光阻薄膜,该薄膜能提升晶圆的抗氧化以及耐温能力。3晶圆光刻显影、蚀...

玻璃纤维板耐温找哪家

[回答]玻璃纤维板别名:玻璃纤维隔热板,玻纤板(FR-4),玻璃纤维合成板,由玻璃纤维材料和高耐热性的复合材料合成,不含对人体有害石棉成份。具有较高的机械性...

cxd2500q是cd机芯片吗?

是的,cxd2500q是一款性能稳定的语音芯片,无需任何外围电路,在极其恶劣的噪声环境下都可正常工作,它具有宽泛的耐温和耐压范围,正常工作范围宽达1.8V~4.5V,是...

led灯泡温度一般控制在多少?_住范儿家装官网

芯片温度,而从宏观上来说,外壳温度相对而言比较好测试,所以大家都认为外科...从专业上讲这是错误的,因为外壳只是一个介质,同样的灯用不同材料的外...