Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1984/D19840126Elc021.shtml

Кремниевые ИС и БИС для автомобильных электронных устройств и систем

УДК 621.389:629.113

Эрик Л. Келлер (Erik L. Keller)
Редактор по промышленной и бытовой электронике

В настоящее время многие мечты изготовителей автомобилей успешно воплощаются в кремнии. Значительные возможности повышения рабочих характеристик, которые открывает полупроводниковая технология, позволили этим автомобилестроителям стать «последней и решающей инстанций» для изготовителей ИС — при любых даже, мелких претензиях к кристаллу он сразу же возвращается изготовителю. Однако количество возможных применений полупроводниковых приборов в автомобилях настолько велико, что любая компания, которая справится с этими довольно жесткими требованиями, может рассчитывать на действительно большие прибыли.

Согласно недавно опубликованному исследованию, выполненному фирмой Frost & Sullivan Inc. (Нью-Йорк), американский рынок автомобильной электроники (без учета развлекательной аппаратуры) должен с 1,06 млрд. долл. в 1982г. возрасти к 1988г. до 4,6 млрд. долл. Райвард из концерна Ford тоже считает, что американский рынок автомобильного электронного оборудования весьма велик. «С 1970 по 1980г. средняя стоимость электронного оборудования, приходящаяся на американский автомобиль, выросла примерно с 25 до 250 долл. ... В предстоящие 10—15 лет она должна возрасти до 1400 долл.» Райвард полагает, что в 1990г. мировой рынок автомобильной электроники превысит 14 млрд. долл.

Он отмечает, что значительная часть бюджета концерна Ford выделяется на электронику. В 1984г. его компания потратит только на интегральные схемы 135 млн. долл., а с 1984 по 1990г. на эти цели будет истрачен в общей сложности 1 млрд. долл. Р.Дж.Макмиллин, управляющий проектированием в фирме Delco, говорит, что концерн GM, половину полупроводниковых приборов для которого выпускает фирма Delco, закупит в 1984г. электрокомпонентов почти на 1 млрд. долл.

В японской автомобильной промышленности, которая, по данным обзора компании Toyota, потребляет 4% мирового объема сбыта полупроводниковых приборов, к 1985г. ежегодное их потребление составит почти 509 млн. долл., что втрое превышает уровень 1981г. По оценкам промышленных специалистов Японии, к 1985г. суммарная стоимость выпускаемого автомобильного электронного оборудования, которая в 1981г. составила 680 млн. долл., вполне в состоянии вырасти до 1,5 млрд. долл.

Однако в Европе, похоже, этот энтузиазм американских и японских автомобилестроителей не встречает поддержки. Компания Volleswagenwerk AG сообщает, что в 1984г. она тратит на автомобильную электронику в среднем всего 40 долл. на автомобиль, из них 16 долл. — на микросхемы. В нескольких исследованиях предсказывается, что в предстоящие один-два года средняя стоимость электронного оборудования европейских автомобилей возрастет до 80 долл.

Райвард говорит, что на своих автомобилях концерн Ford устанавливает сейчас продукцию практически всех крупнейших электронных компаний мира. Это обеспечивает ему большую гибкость, но зато значительно усложняет организацию надлежащего контроля продукции различных поставщиков. Райвард отмечает, что по этой причине Ford планирует сократить список своих поставщиков электронных компонентов.

Концерн Ford попытался усилить контроль над поставщиками с помощью организации собственного филиала Ford Microelectronics Inc. в Колорадо-Спрингс (см. «Концерн Ford приобретает опыт работы с кремнием на собственном предприятии»). Если Ford только вводит в строй фирму Ford Microelectronics, то фирма Delco концерна GM уже в течение некоторого времени выполняет проектирование заказных и полузаказных интегральных и неинтегральных схем, а также выпускает примерно половину потребляемых родительской компанией электронных приборов. Концерн Chrysler, не имеющий пока таких отделений, осуществляет проектирование и изготовление своих ИС силами только сторонних поставщиков.

Медленнее других членов «Большой тройки» внедряет новые полупроводниковые приборы в свои автомобили концерн Chrysler. Ричард Россио, главный инженер этого концерна по разработке и производству электрооборудования и воздушных кондиционеров, говорит: «Мы еще не располагаем достаточно большим положительным опытом работы с новыми микропроцессорами».

С ним согласен Деннис Флоренс, управляющий концерном Chrysler по электронным коробкам передач. Действительно, как говорит Флоренс, концерн планирует использовать апробированную и широко доступную электронную технику, а не заниматься самостоятельными поисками новых технических решений. «Например, наши специалисты [из группы силовой передачи] не применяют гибридные ИС и впредь собираются обходиться без них. Это хорошие и компактные приборы, но они не для нас».

Концерн Chrysler, добавил он, разрабатывает свои будущие изделия на основе доступных в настоящий момент кристаллов ИС. «Есть разница в том, как полупроводниковые и автомобильные компании оценивают возможные сроки поставки. Специалисты по полупроводниковым приборам в качестве оценки берут срок, когда кристалл будет создан как таковой. Мы же [автомобилисты] рассматриваем его как срок отгрузки серийных образцов».

Эти проблемы взаимоотношений с полупроводниковыми фирмами заставили концерн Chrysler приостановить ряд проектов, так как некоторые поставщики не смогли предоставить ему требуемые детали в нужный срок или в соответствии с техническими условиями. Райвард из концерна Ford согласен с Россио, что в прошлом полупроводниковые фирмы действительно не считали автомобильную электронику важным направлением своей деятельности, хотя сейчас они весьма энергично разрабатывают новые изделия. Однако Ар Джиллунд, инженер фирмы Delco, говорит, что у его компании не было и нет проблем во взаимоотношениях с изготовителями полупроводниковых приборов. «Все они стараются выполнять предъявляемые нами требования».

Большие производственные мощности

Концерн GM, имеющий основания считать себя фупнейшим в мире изготовителем автомобилей может также по праву утверждать, что благодаря фирме Delco он является и одним из кру шейших в мире изготовителей сложной автомобильной электронной аппаратуры (рис.3).

Автомобильные компании вынуждены теперь стать не просто металлообрабатывающими и штамповочными предприятиями. Например, фирма Delco Electronics (Коком
Рис.3 Автомобильные компании вынуждены теперь стать не просто металлообрабатывающими и штамповочными предприятиями. Например, фирма Delco Electronics (Кокомо, шт.Индиана) изготовляет ежедневно более 600 тыс. кремниевых ИС, используя для этой цели высокоразвитую полупроводниковую технологию.

«Если говорить о производстве автомобильной электроники, то в этом с нами никто не может сравниться», — говорит Макмиллин из фирмы Delco. Действительно, эта фирма изготовляет около 50% всех потребляемых ею полупроводниковых компонентов, причем треть из них составляют мощные биполярные приборы.

«Например, фирма Delco ежедневно делает 62 тыс. 600-В составных транзисторов», — говорил Найэл Стаудер, управляющий производством полупроводниковых приборов. — Эти приборы рассчитаны на ток 10 А при максимальном напряжении и других воздействиях и обеспечивают работу выходного каскада гибридной системы электронного зажигания». Он добавил, что его фирма сейчас выпускает 17 различных модулей электронного зажигания, 5 регуляторов напряжения, 5 датчиков давления и 6 электронных контроллеров искрообразования. Ведется также разработка модулей, выполняющих мультиплексную коммутацию и подстройку коэффициента мощности в контроллере вентилятора.

В конечном итоге эти усовершенствования позволят сделать «систему управления двигателем, контролирующую свою работу и постоянно получающую оперативную информацию о состоянии системы», — говорит Стаудер. Если, например, автомобиль попал в уличную «пробку» и двигатель начал перегреваться, то система сама выключит воздушный кондиционер, отключив его от генератора.

Но реализовать все эти возможности было не так просто. Макмиллин говорит, что, когда конгресс США принял законы о составе выхлопных газов и экономии топлива, концерн GM решил, что «пришла пора ввести в действие «черную магию» электроники, заменив ею механические устройства. Принять подобное решение такому гиганту, как GM, как легко представить себе, стоило больших затрат нервной энергии».

В конце 1970-х годов сектор полупроводниковых изделий компании Motorola Inc. (Финикс, шт.Аризона) одержал победу в конкурентной борьбе за право поставки заказного микропроцессора Generdl Motors на базе своего прибора 6801. Это устройство должно было помочь концерну GM выполнить требования стандартов на состав выхлопных газов. В течение двух лет объем производства систем регулирования состава выхлопных газов в фирме Delco возрос с 35 тыс. шт. (применявшихся в автомобилях, продаваемых в шт.Калифорния) до 4,5 млн. шт., которые теперь устанавливаются во всех машинах, выпускаемых концерном GM.

Нынешнее поколение микропроцессоров фирмы Delco работает с частотой обработки данных 1 МГц, но уже в следующем поколении, которое появится в 1986г., эта частота будет повышена до 2 МГц. Это потребовалось, как говорит Макмиллин, для выполнения таких дополнительных функций обслуживания двигателей, как диагностика и работа с усовершенствованными датчиками.

С уменьшением габаритов автомобилей становится все труднее размещать в них увеличивающееся количество электронных устройств. Эти трудности, а также требования к мощности потребления и к рассеянию тепла делают К/МОП-схемы наиболее подходящей элементной базой для автомобильной электроники.

«Мы начали с 1984г. применять К/МОП-технологию по трем основным причинам, — говорит Кацутоси Тагами, директор центра исследований и разработок компании Honda, расположенного в пригороде Токио Вако. — Цена схемного кристалла уменьшилась, быстродействие возросло настолько, что стало приемлемым для выполнения микропроцессорных функций, а потребление мощности для К/МОП-приборов заведомо ниже».

Тагами говорит, что оставшееся слабое место этих приборов — недостаточная теплостойкость — будет устранено в течение двух лет. «Нам надо, чтобы теплостойкость приборов сохранялась до температуры 120°С. Для современных приборов предельная допустимая температура составляет около 100°С».

Существенным шагом на пути решения этой проблемы является новый метод монтажа, который фирма Fujitsu Ltd. разработала для новой пятискоростной автоматической коробки передач, созданной ею совместно с компанией Isuzu Motors. В этом методе бесштырьковые кристаллы и безвыводные носители кристаллов успешно монтируются на керамических печатных платах, обеспечивая повышение их плотности упаковки в шесть раз.

Действительно, эти керамические подложки настолько хорошо рассеивают тепло, что при мощности 15 Вт температура вокруг компонентов никогда не превышает температуру корпуса блока более чем на 2°С. Благодаря столь эффективному рассеянию тепла блоки управления можно устанавливать непосредственно на управляемые ими узлы автомобиля.

Фирма Delco также очень внимательно присматривается к К/МОП-технологии, которая, по словам Уильяма Ф. Хеккерта, помощника главного инженера этой компании по перспективным разработкам, будет базовой технологией 1990-х годов. Хеккерт добавляет, что фирма Delco, которая уже спроектировала ряд К/МОП-кристаллов, постепенно переходит на эти схемы.

В компании Motorola Inc. Ричард Валентин, инженер по стратегическому маркетингу автомобильной продукции, говорит, что микропроцессор следующего поколения, создаваемый его компанией для управления двигателем, — 68HC11 —будет изготовлен по К/МОП-технологии. В этом микроконтроллере имеются 8-бит аналого-цифровые преобразователи и 16-бит регистры, позволяющие быстро выполнять арифметические операции. Кроме того, встроенное электрически стираемое ППЗУ позволяет системе выполнять самопрограммирование во время выполнения других программ. Это удобно для внешней диагностики или внутренних регулировок.

Новые методы сборки занимают очень большое место в планах фирмы Delco на будущее. Например, модули электронного зажигания и датчики давления, изготавливаемые этой компанией, представляют собой гибридные схемы, управляемые или связанные с блоком управления двигателем. Многие из компонентов, устанавливаемых на подложках этих гибридных ИС, представляют собой безвыводные или даже перевернутые кристаллы.

Стаудер говорит, что фирма Delco отходит от обычной технологии монтажа на печатные платы и намеревается больше использовать толстопленочные гибридные схемы, чтобы получить возможность варьировать рабочие характеристики схем после установки в них ИС и конденсаторов. На этой стадии возможна лазерная подгонка резисторов на подложке, позволяющая подстроить схему в соответствии с техническими требованиями. Стаудер говорит, что в этом случае можно получить высокие выход годных и надежность, так как каждая плата проходит эффективные испытания.

Концерн Chrysler рассчитывает уменьшить количество программируемых фотошаблонами ПЗУ, применяемых в своих системах управления, заменив их электрически стираемыми ППЗУ. Управление двигателем — охватывающее распределитель, карбюратор, регулятор напряжения и другие устройства — стало довольно сложным делом. Для управления двигателем эта компания собирается включить в состав контроллера ППЗУ, которое будет программироваться там, где этот автомобиль изготавливается или продается. Такая гибкость системы, добавил он, поможет компании Chrysler реализовать такой способ управления двигателем, который наиболее хорошо подходит для любого конкретного автомобиля.

В оборудовании автомобилей все шире и шире применяются и дискретные МОП-транзисторы. Некоторые мощные приборы в состоянии выдерживать токи 100 А при напряжении 60 В, так что есть достаточно сильные мотивы для замены механических реле ключами на МОП-транзисторах. Действительно, в автомобиле может быть до 60 различных электрических нагрузок, поэтому Уильям Ван Тайн, инженер по маркетингу мощных приборов в компании Motorola, говорит, что «для МОП-транзисторов самым большим рынком сбыта могут стать именно автомобили» (рис.4) —даже большим, чем для микропроцессорных систем. Создание коробок передач с делителем делает применение этих приборов еще более целесообразным и оправданным.

По данным фирмы Motorola, дальнейшее увеличение объема «электронной начинки» автомобилей приведет к тому, что значительную ее часть будут составлять м
Рис.4. По данным фирмы Motorola, дальнейшее увеличение объема «электронной начинки» автомобилей приведет к тому, что значительную ее часть будут составлять мощные транзисторы. В течение всего нынешнего десятилетия ведущее место на рынке автомобильных электронных компонентов будут занимать мощные переключательные транзисторы.

Сердцем любой системы с электронным управлением является микропроцессор. Хотя наиболее широко для этой цели сегодня применяются 8-разрядные приборы, Валентин из компании Motorola считает, что вскоре свое место в автомобильной технике найдут и 16-разрядные приборы, так как они расширяют возможности изготовителей в реализации управляющих функций. Повышенная гибкость этих приборов значительно упрощает программирование таких систем управления.

В составлении обзора принимали также участие
Майкл Берджер и Джон Гош

Родительская статья:

Автомобильная электроника на этапе ускоренного развития (Обзор)

Дочерние статьи:

Концерн Ford приобретает опыт работы с кремнием на собственном предприятии

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 57, No.02 (683), 1984г - пер. с англ. М.: Мир, 1984, стр.25

Electronics Vol.57 No.02 January 26, 1984 A McGraw-Hill Publication

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Автомобильная электроника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:55 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1984/D19840126Elc021.shtml