Die Rolle von SOI in Automobilsystemen

Einleitung

In den letzten Jahren hat sich die Automobiltechnik dramatisch weiterentwickelt, insbesondere mit dem Aufkommen von Elektrofahrzeugen (EVs), autonomem Fahren und fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS). Da die Fahrzeuge immer anspruchsvoller werden, steigt die Nachfrage nach Halbleiterlösungen, die komplexe, hochleistungsfähige Rechenaufgaben bewältigen können und gleichzeitig energieeffizient und zuverlässig sind.

Eine der wichtigsten Innovationen, die diesen Bedarf decken, ist die Silicon on Insulator (SOI)-Technologie. SOI hat sich als entscheidender Wegbereiter für die Verbesserung der Leistung und Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen erwiesen, insbesondere bei Anwendungen in der Automobilindustrie, wo Sicherheit, Effizienz und Langlebigkeit von größter Bedeutung sind.

Was ist die SOI-Technologie?

SOI ist eine Halbleiterfertigungstechnik, bei der eine dünne Siliziumschicht auf ein isolierendes Substrat, in der Regel Siliziumdioxid (SiO2), aufgebracht wird. Diese Struktur verbessert die elektrische Leistung von Transistoren durch Verringerung der parasitären Kapazität, was wiederum die Geschwindigkeit erhöht, den Stromverbrauch senkt und die thermische Effizienz verbessert. SOI-basierte Bauelemente werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, u. a. in der Unterhaltungselektronik, der Telekommunikation und jetzt auch zunehmend in Automobilsystemen.

Weiterführende Lektüre: Vergleich zwischen SOI und Silizium-Wafern: Was ist das Beste für Ihr Halbleiterprojekt?

Warum SOI für Automobilsysteme wichtig ist

Moderne Fahrzeuge sind vollgepackt mit Sensoren, Steuerungen und Kommunikationssystemen, die eine hohe Rechenleistung erfordern. Diese Systeme müssen unter rauen Bedingungen zuverlässig arbeiten und extremen Temperaturen, Vibrationen und elektromagnetischen Störungen standhalten. Die SOI-Technologie bietet mehrere entscheidende Vorteile, die sie ideal für Anwendungen in der Automobilindustrie machen:

1. Niedriger Stromverbrauch

Einer der Hauptvorteile der SOI-Technologie ist ihre Fähigkeit, mit geringerer Leistung zu arbeiten. Die Energieeffizienz ist in Automobilsystemen von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei Elektrofahrzeugen (EVs) und Hybridelektrofahrzeugen (HEVs), bei denen die Erhaltung der Batterielebensdauer eine Priorität ist. SOI-Bauteile reduzieren den Leckstrom, was dazu beiträgt, Energieverluste zu minimieren und die Gesamteffizienz zu verbessern. Laut einer Studie von GlobalFoundries verbrauchen SOI-basierte Chips bis zu 30 % weniger Strom als herkömmliche Siliziumchips, was sie ideal für stromverbrauchsempfindliche Anwendungen wie ADAS- und Infotainment-Systeme macht.

2. Verbesserte thermische Leistung

Automobilumgebungen können extrem sein, da die Komponenten oft hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Die Isolierschicht in SOI-Strukturen reduziert die Wärmeübertragung zwischen dem Siliziumsubstrat und anderen Komponenten, was zu einem besseren Wärmemanagement führt.

STMicroelectronics hat gezeigt, dass SOI-Bauelemente bei Temperaturen von bis zu 200 °C arbeiten können, wodurch sie sich besonders für Antriebsstrang-Steuergeräte und Motormanagementsysteme in Kraftfahrzeugen eignen. Diese verbesserte thermische Leistung erhöht die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von SOI-basierten Chips und gewährleistet eine gleichbleibende Leistung über einen längeren Zeitraum.

3. Verbesserte Leistung für ADAS und autonomes Fahren

ADAS- und autonome Fahrsysteme sind auf die schnelle Verarbeitung großer Datenmengen von verschiedenen Sensoren, Kameras und Radargeräten angewiesen. Diese Systeme erfordern Hochgeschwindigkeitsverarbeitung und Datenanalyse in Echtzeit, um Aufgaben wie Spurhalteassistenz, automatische Notbremsung und adaptive Geschwindigkeitsregelung zu erfüllen.

Eine aktuelle Studie des französischen Forschungsinstituts Leti ergab, dass die SOI-Technologie im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Bauteilen eine um 30 % höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit für ADAS-Systeme bietet. SOI-basierte Chips sind nicht nur schneller, sondern auch energieeffizienter, was sie ideal für die Integration in ADAS-Module macht.

4. Hervorragende Signalintegrität und Rauschunempfindlichkeit

Automobilumgebungen sind häufig durch elektromagnetische Störungen (EMI) verrauscht, da verschiedene elektronische Systeme gleichzeitig arbeiten. Die SOI-Technologie bietet von Natur aus eine hervorragende Signalintegrität und verringert die Anfälligkeit für Störungen. Die Isolierschicht in SOI-Substraten schirmt Transistoren gegen Störungen ab und verbessert so die Robustheit elektronischer Systeme im Automobil.

SOI in wichtigen Automobilanwendungen

Da der Automobilsektor Technologien der nächsten Generation einsetzt, findet SOI in verschiedenen Schlüsselsystemen Anwendung.

1. ADAS (Erweiterte Fahrerassistenzsysteme)

ADAS-Funktionen wie der adaptive Tempomat, der Spurhalteassistent, die Toter-Winkel-Erkennung und die automatische Notbremsung beruhen auf einer schnellen und stromsparenden Verarbeitung von Sensordaten. Die SOI-Technologie wird in den Prozessoren und Steuergeräten eingesetzt, die die ADAS-Funktionen unterstützen und die für die Interpretation der Sensoreingaben in Echtzeit erforderliche Rechenleistung bereitstellen.

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Im Jahr 2020 wurde die S32-Mikrocontroller-Familie für ADAS eingeführt, die die SOI-Technologie nutzt, um den Stromverbrauch um 50 % zu senken und gleichzeitig eine hohe Verarbeitungsleistung beizubehalten. Diese Innovation ermöglicht es den Automobilherstellern, fortschrittlichere ADAS-Funktionen zu integrieren, ohne die Energieeffizienz zu beeinträchtigen.

2. Antriebsstrang und Batteriemanagement

SOI-Technologie wird zunehmend in Antriebsstrang-Steuergeräten eingesetzt, die für die Optimierung der Motorleistung, die Reduzierung von Emissionen und die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz verantwortlich sind. In Elektrofahrzeugen sind SOI-basierte Chips auch in Batteriemanagementsystemen (BMS) zu finden, die das Laden und Entladen der Batterien überwachen und steuern.

So hat sich beispielsweise gezeigt, dass eines der besten SOI-basierten Batteriemanagementsysteme die Lebensdauer der Batterie aufgrund seines energieeffizienten Betriebs und seiner besseren thermischen Handhabung um 15 % verlängert. Diese Systeme müssen effizient arbeiten, um die Batterielebensdauer zu verlängern und den Energieverbrauch zu optimieren - Bereiche, in denen sich die Low-Power-Fähigkeiten von SOI auszeichnen.

3. Infotainment-Systeme

Moderne Infotainment-Systeme bieten Funktionen wie GPS-Navigation, Multimedia-Wiedergabe und drahtlose Kommunikation, die alle eine hohe Verarbeitungsleistung bei gleichzeitiger Energieeffizienz erfordern. Die SOI-Technologie ermöglicht die Entwicklung von Prozessoren, die die von diesen Systemen geforderten komplexen Aufgaben ohne übermäßige Wärmeentwicklung oder Stromverbrauch bewältigen können.

4. Vehicle-to-Everything (V2X)-Kommunikation

Die V2X-Kommunikation ermöglicht es Fahrzeugen, Informationen mit anderen Fahrzeugen, der Infrastruktur und Fußgängern auszutauschen. Diese Kommunikation ist für die Zukunft der vernetzten und autonomen Fahrzeuge von entscheidender Bedeutung, da sie dazu beiträgt, Unfälle zu vermeiden und einen reibungsloseren Verkehrsfluss zu gewährleisten. Die SOI-Technologie bietet die Leistung und Zuverlässigkeit, die für die Prozessoren zur Verwaltung der V2X-Kommunikation erforderlich sind, und bietet geringe Latenzzeiten und einen hohen Datendurchsatz.

Der Einfluss von SOI auf die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Fahrzeugen

Sicherheit und Zuverlässigkeit sind in der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung, und die SOI-Technologie spielt eine zentrale Rolle bei der Bewältigung dieser Herausforderungen. Die verbesserte thermische Leistung und der geringe Stromverbrauch von SOI-Bauteilen verringern das Risiko von Ausfällen aufgrund von Überhitzung oder übermäßiger Leistungsaufnahme. Darüber hinaus sorgen die verbesserte Störfestigkeit und Signalintegrität von SOI-basierten Chips dafür, dass Kfz-Systeme auch bei starken elektromagnetischen Störungen zuverlässig funktionieren.

Bei sicherheitskritischen Anwendungen wie ADAS ist die Zuverlässigkeit von größter Bedeutung. Eine Studie hat ergeben, dass SOI-basierte Sensoren in ADAS-Systemen die Zahl der Systemausfälle um 25 % reduzieren, was sie zu einer bevorzugten Wahl für Automobilhersteller macht, die sich auf Sicherheit konzentrieren. Störungen oder Ausfälle in diesen Systemen können zu Unfällen führen, weshalb der Einsatz von Halbleitertechnologien, die eine überragende Leistung und Stabilität bieten, wie SOI, unerlässlich ist.

Die Zukunft von SOI in Automobilsystemen

Mit der weiteren Entwicklung der Automobilindustrie hin zu vollständig autonomen Fahrzeugen und fortschrittlicheren Elektrofahrzeugen wird die Nachfrage nach leistungsstarken, energieeffizienten Halbleiterlösungen weiter steigen. Die SOI-Technologie mit ihren einzigartigen Vorteilen in Bezug auf Leistungseffizienz, Wärmemanagement und Signalintegrität ist gut positioniert, um diese Anforderungen zu erfüllen. Ihre Anwendungsmöglichkeiten werden sich wahrscheinlich noch erweitern und nicht nur ADAS, sondern auch fortschrittliches Infotainment, V2X-Kommunikation und andere aufkommende Automobiltechnologien unterstützen.

Schlussfolgerung

Kurz gesagt, die Silizium-auf-Isolator (SOI)-Technologie erweist sich im Automobilsektor als bahnbrechend, insbesondere bei Systemen, die eine hohe Leistung, einen geringen Stromverbrauch und Zuverlässigkeit unter rauen Bedingungen erfordern. Da Fahrzeuge immer intelligenter und automatisierter werden, wird SOI auch weiterhin eine Schlüsselrolle bei der Förderung von Innovationen und der Gewährleistung der Sicherheit und Effizienz moderner Automobilsysteme spielen. Weitere Informationen über SOI finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Referenz:

[1] Chipengo, Ushemadzoro. (2018). Full Physics Simulation Study of Guardrail Radar-Returns for 77 GHz Automotive Radar Systems. IEEE Access. PP. 1-1. 10.1109/ACCESS.2018.2881101.