2019年04月10日 | 加特兰让CMOS工艺成为77GHz毫米波雷达杀手锏

“77GHz毫米波雷达芯片需要更加小型化和低价的方案，CMOS工艺使得这一切成为可能。”加特兰微电子科技（上海）有限公司ASIC副总裁周文婷女士，在慕尼黑上海电子展的第三届“汽车技术日（Automotive Day）高峰论坛上，就《77GHz CMOS毫米波雷达芯片从研发到量产》为主题，发表了演讲。

低成本与小型化是77GHz毫米波雷达的方向

周文婷女士首先介绍了77GHz CMOS毫米波雷达芯片的应用现状及由来。“众所周知，自动驾驶以及智能网联已经成为汽车发展的重要趋势，这些都离不开传感器带来的数据，这些数据越多，云上系统可以提供的信息就越精准和可靠。以L4的自动驾驶车载为例，车上至少要配备10个以上毫米波雷达，来满足不同距离的需求。对于毫米波雷达而言，除了成本以外，它的小型化也是一个重要的指标。”

“我们来回忆一下77GHz的历史，早在1990年初，一个砷化镓毫米波雷达中需要至少配备7到8颗以上的芯片，这就使得它的成本非常昂贵。到了2000年初，SiGe工艺的发展大大提高了它的效率，只需要2到5颗MMICs和1到2颗BBICs，这也是在比较高端的车型中量产的77GHz毫米波雷达中用到的方案。当然SiGe的价格和体积还是不能满足未来自动驾驶中，单车配10个以上毫米波雷达需求的。”

CMOS工艺带来低成本与高集成度

针对CMOS工艺之于77GHz毫米波雷达的意义，周文婷女士介绍到：“为什么CMOS在早年没被用于毫米波雷达设计中？因为它在最近几年才可以工作在超高频率中。CMOS带来的最大好处就是成本低廉，毫米波雷达的造价构成中，早年在砷化镓的毫米波雷达当中，前端芯片所构成的比例是非常重的，有7到8颗，它要占整个毫米波雷达40%的比例。到SiGe的时代，它的成本对比砷化镓工艺来讲成本下降了50%，同时射频芯片部分的比例也降到了36%左右。”

“到了CMOS时代，由于CMOS晶圆的价格非常低廉，因此整个比例又进一步下降，对于SiGe而言，CMOS工艺的整体造价又下降了40%，其次CMOS的完成度是非常高的，在CMOS的毫米波雷达中，RF的前端芯片所占的比例也下降了。”

“除了成本以外，CMOS另外一个好处就是高集成度，在砷化镓工艺中需要7到8颗芯片，到了SIGe时代只需要3到4颗，因此大大降低了整个雷达模块设计的复杂度，加速了整个设计开发的时间成本。”

“另外因为CMOS的工艺集成度高，所以它也使得毫米波雷达的小型化成为了可能，因此CMOS工艺是现在不但可以用于77GHz的设计，同时它的低成本和高精度的特性也符合了毫米波雷达未来发展的需求。”

初创公司的王牌产品

周文婷女士继续介绍了公司情况以及王牌产品：“加特兰微电子是初创公司，成立于2015年，是一家无晶圆半导体设计公司，我们的创始人都来自于知名院校，是全球最早一批使用CMOS设计毫米波电路的先驱者，公司主要专注于CMOS毫米波电路设计和研发，致力于为全球客户提供更低功耗、更低成本、高集成度的毫米波解决方案。”

“从2015年成立到2017年10月份，通过两年多的时间我们发布了全球首颗77GHz毫米波雷达芯片，它采用40纳米的CMOS工艺制程，也采用了非常先进的封装方式，我们在射频端的损耗降到了最低，极大的提升了射频的性能。”

“芯片的集成度非常高，我们在整个芯片里集成了2个发射通道、4个接收通道以及增益部分等，这样一个单芯片就完全集成了之前SiGe几个套片所达到的所有功能。另外最大功率可以达到12BBM，可以输出40到70DB以上的增益，RX的噪声系数也只有12DB。”

“此外我们在片上也集成了非常多的功能单元模块，还可以支持20DB的增益可控，满足不同应用的需求。我们在RX部分也做了整个电路，对于上层系统来讲，可以更好地满足他们对于功能安全的需求。在PL模块中，我们整个频段在76到81GHz，最大的扫屏速度可以达到200MHz每微妙，支持不同的波型配置，包括三角波以及用户自定义波型，还支持用户实时自定义以及预先自定义两种模式。”

“除了以上这些很强大的功能以外，这个芯片另外一个特色就是低功耗，我们在设计之初从架构到版图布局以及模块优化都做了非常大的优化处理，保证芯片的功耗非常低。”

“我们在毫米波传输的设计中考虑到优化和设计损耗，在整个布局上尽量减少传输线的长度，都控制在1毫米以内，尽量减少由于毫米波的传输所带来不必要的性能损耗，另外我们在架构开始设计时，就降低了传输匹配的stage设计，也大大降低了由于阻抗匹配所带来的不必要的功耗。”

“另外在整个设计过程中，最大功耗基本上就是TX的PA单元，在这方面我们进行了大量优化，采用了一些结构来匹配到输出端的50欧，这个插损非常低，最大可输出13GBM的输出率，效率也很高，远超20%。”

“通过这些设计，整个芯片的功耗非常低，所有模块百分之百工作情况下，芯片只需要消耗0.65瓦，远远小于同级别其他产品。低功耗带来的优势就是成本比较低，这也对散热系统带来了很大的好处。”

“当芯片在25℃情况下开启工作，常温温度大概在56℃左右。从2017年10年发布第一款Yosemite产品，我们就开始量产。我们陆续量产了CAL77A4T8的产品，这是进行了二合一的封装，这款产品可以提供4个输出通道、8个接收通道，整个大小在6.8×9.8平方的尺寸，因为这两款都是车载产品，所以大家非常关心的就是能否通过车载AEC-Q100认证。”

“从2017年开始我们就与上海非常知名的第三方实验室开始合作，陆续开始做这两款产品的AEC-Q100认证。通过一年多的合作与测试，我们在2018年完成了对于2T4R产品的认证，也包含了芯片层面HTCL部分的认证。”

高可靠性保证量产

在谈到量产工作时，周文婷女士继续介绍到：“可靠性只是量产的敲门砖，如何在量产过程中保证芯片的质量、稳定性以及高质量产出，是我们面临的大挑战，我们有以下几个方面的合作。我们与全球最大的FAB厂商合作，这个方案的优势是除了更严密的监控在整个制程里面所需要的stage，同时对于工艺的控制也是非常精准的。”

“我们毫米波使用RDL走线，远远小于原有的要求。另外我们在量产测试上也花了非常大的力气，从2016年就开始寻找供应商开始准备77G毫米波的量产平台，到2017年才完成了量产平台的稳定性开发，因为在开发过程中碰到了很多的问题，77GHz是非常敏感的频率，任何环境变化，包括挡板的位置都可能影响到77GHz的性能。通过1年多的尝试和努力，我们于2018年全面投入量产。”

“在车规产品方面，我们花了大力气在测试上，低温确保-40℃环境温度的测试，整个低温测试非常稳定，高温是125℃的测试，由于高温环境的变化它会略有波动，但也吻合我们的预期需求。”

最后，周文婷女士谈到了公司愿景：“加特兰虽然是初创企业，从2015年成立一直到2017年底基本上花了整整3年的时间，做了很多工作，从研发到量产克服了种种难关，于2017年底终于完成了首款芯片的开发过程，2018年我们全面量产出货10万颗以上，虽然10万颗不是一个很大的数目，但是对于我们CMOS毫米波设计来讲，绝对是在毫米波设计领域跨了很大的一步了。”

“当然我们不会局限于这一步，从CMOS毫米波设计来看，它的成本下降，基本占到所有成本的18%左右，因此我们着力于第二代CMOS的开发，融合了前端的水平芯片，以及ADC、DAC、CPU和算法等等，融合了各种的模块。”