​一款国产毫米波芯片背后的内功心法


加特兰微电子科技创立于2014年,是CMOS工艺毫米波雷达芯片开发与设计的领导者。公司于2017年成功量产了全球首个汽车级CMOS工艺77/79GHz毫米波雷达射频前端芯片,率先实现了在汽车前装市场的突破。今年9月在上海举办的媒体会上,加特兰向来场嘉宾仔细讲解了公司背后又一大秘密武器——AiP技术。

会后的demo演示环节,创始人陈嘉澍身着带有加特兰logo的衬衫,亲切的为体验观看的来宾讲解应用案例和背后的技术,谈吐间流露出对AiP技术的自信。不得不感慨,研究技术的最高境界就是和应用融为一体,我也开始深信毫米波雷达技术在很多应用领域的确得天独厚。

放眼整个毫米波雷达芯片历史和市场,加特兰又无法低调。

原来你是这样的加特兰

早在上世纪90年代,77GHz毫米波雷达采用的还是砷化镓(GaAs)的工艺,一个毫米波雷达中,配7-8颗以上的前端射频芯片,再配上3-4颗基带芯片,成本非常昂贵。2000年初,锗硅(SiGe)工艺快速发展,同时也得益于集成度的提高,毫米波雷达成本不断下探,但依旧不够亲民。

当行业对小型化和低成本的不断追求中,也随着工艺节点的演进,CMOS工艺的毫米波雷达芯片走到了历史舞台上。

加特兰微电子公司 COO吕昱昭介绍道:“作为CMOS毫米波雷达技术的领导者,我们用CMOS工艺的一个优势就是可以把射频芯片和数字芯片集成到一起变成SoC。这样会降低客户产品的开发难度,且整个系统成本会显著下降。从第一代的砷化镓到锗硅,整个系统成本大概降了50%。到了CMOS工艺的时代,跟上一代锗硅相比又降了40%的系统成本。而到SoC时代,又会带来30%的成本降低。”

成立于2014年的加特兰,在公司成立的第二年就实现了基于CMOS工艺的,全球第一颗77GHz雷达收发单芯片流片成功;2017年量产了全球首款CMOS工艺77/79GHz毫米波雷达收发单芯片-Yosemite;2018年便实现了前装车SOP;在2020年,加特兰又成功量产全球首款天线内置多通道毫米波雷达SoC-Alps/Rhine AiP。

在高性能、经济性、易生产、小型化的发展道路上,加特兰一直在不停探索更多的可能性。

这也是加特兰AiP技术所承载的使命——通过天线内置,不仅使得成本再度降低,也为生产和开发提供了便利。吕昱昭表示:“我们预测,AiP技术的普及,到2024年会让全球的毫米波雷达的容量增长到4亿颗。AiP能给市场带来40%的增长。”

到底啥是AiP?

加特兰的AiP是Antenna-in-Package的缩写,直译为封装里的天线。

从历史角度来看,AiP技术源于2000年的英国伯明翰大学,为5.8GHzwifi应用提出了一种集成在封装上的天线设计。随后2001年,做封装的团队将RF模组和天线集成在一个封装里。2006年,AiP概念被提出,借鉴的是SiP概念。

2007年,IEEEE把60GHz频带列为不用授权的毫米波频段,自此该频段大量的AiP研究开始兴起。2014年起,5G通讯支持使用SUB 6G毫米波频段,使得更多公司关注到AiP。但毫米波雷达相关的研究依旧空白。

在2017年,加特兰发布了全球第一款CMOS毫米波雷达收发芯片。也是在这一年加特兰开始思考如何将AiP技术应用到这一领域。2020年,张跃平教授以及刘兑现博士在AiP技术做出开创新贡献,获得天线界的最高奖项克劳斯天线奖。

加特兰微电子生产技术总监王典表示,AiP技术把天线放到系统封装里,不仅让天线和芯片互联区域做的非常短,让系统性能更强大。还能使得模组尺寸大大减小。

与传统天线板体积的对比

客户也不需要进行天线的开发和设计,从而缩短整个产品的研发周期和成本,达到产品快速上市的目的。

据王典介绍,在物理设计层面,加特兰AiP芯片在长12毫米的芯片里面一共放了5240个过孔,161条信号线,12个天线单元。
AiP芯片图

在天线性能设计方面,由于需考虑芯片和模组的协同设计,加特兰经历了4代的迭代和优化,每代里面这个天线的构架和形态都是不一样的,在反复实验中挑选出协同设计最优组合。

此外,在电连接方面,从芯片端口连到天线有5种不同的设计,每一种传输都需要考虑到信号的匹配,损耗等指标。

在封装方面,需要考虑封装技术工艺和材料,不同封装工艺所对应的实现方式都不一样,还有散热问题。

还有一方面,也是一个芯片非常重要的方面,就是可靠性。AiP要做到车规级别,需要满足AEC-Q100。因此,加特兰在可靠性方面也是做了11项验证,超过6000小时的可靠性实验。

最后是自动化测试,来确保芯片出厂的功能和性能。

王典表示:“加特兰花了3年时间自主研发,和4家全球最顶级的供应商一起讨论怎么样实现这样的测试,最终形成了一整套拥有自主知识产权的测试方案。”

目前,加特兰AiP产品包括Alps和Rhine两个系列。其中,Alps是77GHz车规级芯片,Rhine是60GHz工业级别产品。整个AiP构架包括4个接收通道,4个发射通道。这4个发射通道可以通过任意组合方式来控制它的发射特性。此外,整个设计还保证了非常高的冗余度,普通频段的带宽是76GHz到81GHz,中间使用带宽为5 GHz,而加特兰设计时保证了阻抗带宽为16 GHz。

AiP的用武之地

毫无疑问,毫米波雷达最为人所熟知的应用场景就是汽车。加特兰微电子公司产品经理吴翔表示:“毫米波雷达可用于ADAS中的AEB、FCW、CLA等应用,未来无人驾驶技术需要摄像头雷达和其他传感器相融合,这也是现在毫米波雷达在业界最清楚的一个应用。”

上面介绍了AiP产品的优势,那这些优势到底有啥用呢?

其中,尺寸小的优势,可以解决自动泊车中,超声波传感器无法满足的增加更多传感器和增加探测距离与更高精度的难点。

在舱内,毫米波传感器可以实现手势对娱乐系统的控制,对驾驶员生命体征的测试,其中活体检测可以检测车内是否有人或动物等存在。

在空调应用中,可以探测人所处室内的位置,以让空调实现精准送风的功能。

在现场,加特兰展示了一套智能空调的毫米波雷达方案,可以精准测出人在房间里的位置,包括是否处于静止状态。据了解,加特兰的方案排除了误触发的问题,比如房间内除了人和宠物外,如电扇、窗帘、绿色植被等会动的物体会被排除。

室内人员跟踪

在这个空调应用,通过多通道天线技术,来检测运动人体的高度,以此区别大人与小孩,或者宠物。此外,还能通过检测人的心跳和呼吸,来判断是否进入睡眠,来让空调也自动进入睡眠模式。

舱内生命体征探测

在监控安防领域,毫米波雷达解决了光学传感器在黑夜没法识别的痛点,尤其是光影会产生误报的情况。对于远距离的拍摄,某些摄像头清晰度不佳,此时,通过摄像头+毫米波和感知信息的融合,能够多维度抓取有效信息。


当然,毫米波雷达的应用方向不仅如此,想象力才是它的尽头。

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