FD-SOI，塑造汽车雷达未来

内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自semiwiki，作者SOITEC的 Philippe Flatresse、Bich-Yen Nguyen、Rainer Lutz，谢谢。

汽车雷达是高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶汽车开发的关键推动因素。雷达的使用使车辆能够感知环境并根据该信息做出决策，从而提高安全性和驾驶性能。汽车雷达被认为对干扰大气和环境因素非常强大，能够即时测量距离、角度和速度并生成周围环境的详细图像。

该雷达最初是为高级车辆开发的，在过去 20 年中取得了巨大的发展势头。第一个量产的 77Ghz 雷达于 1998 年在梅赛德斯-奔驰S级车上安装。八年后，又推出了更先进的系统，将 77Ghz 远程雷达 (LRR) 与两个 24GHz 短程雷达 (SRR) 传感器结合在一起，适应城市交通。2011年，随着标准系列产品在中级汽车中的采用，汽车雷达的民主化明显开始。

十年后，全球汽车雷达市场主要受到先进驾驶辅助系统需求不断增长的推动，并因政府法律或 NCAP 等新车评估计划强制要求的主动安全系统需求而进一步加速。随着每辆车雷达设备使用量的增加，全球汽车雷达市场不断增长。多款新车车型宣布，从 2025 年开始，每辆车将配备多达 10 个雷达传感器，这将能够创建高级驾驶员辅助和半自动操作所需的基于雷达的 360° 环视视图。因此，汽车行业目前对高精度、多功能雷达系统的需求很高，这导致汽车雷达系统领域的研发活动不断增加。

为了满足下一代雷达系统的需求，转向先进的 CMOS 技术被认为是必要的过渡。采用 CMOS 技术可以显着提高集成密度，从而可以创建完全集成到单个芯片上的雷达收发器，称为雷达片上系统 (SoC)。这种类型的设计通常在同一芯片上包括毫米波前端、模拟基带和数字处理。它还可能包括 MCU、DSP、存储器和机器学习引擎，使雷达能够独立运行，只需很少的外部组件，从而降低总体 BOM 成本。目前选择的主要节点是 40/45nm、28nm 和 22nm。有些甚至转向 16nm。

多家模块制造商已经确定最有前途的汽车雷达硅技术之一是全耗尽绝缘体上硅 (FD-SOI)。FD-SOI 技术能够将高频雷达组件集成在单个芯片上。该技术不仅可以提高雷达系统的性能，还可以实现低功耗运行，这对于关注功率效率的汽车应用至关重要。

汽车雷达趋势

由于采用雷达的汽车数量增加以及每辆车雷达含量的增加，雷达技术在车辆中的使用预计将继续增长。这些趋势是由先进驾驶辅助系统 (ADAS) 的日益普及所推动的，并且从长远来看，随着高度自动化或自动驾驶的发展，这些趋势将得到进一步维持和加强。

根据多份市场报告，2021年全球汽车雷达市场规模为60亿美元，预计到2030年市场规模将达到220亿美元，2022年至2030年复合年增长率为20%。换句话说，2 级及以上汽车雷达（SRR、MRR 和 LRR）的销量预计在未来几年将大幅增长，从 2021 年的 1 亿台增长到 2030 年的 4 亿台，这意味着不到 2 倍的时间将增长 4 倍。十年。值得一提的是，到2025年，50%的汽车雷达将采用CMOS技术制造。

图 1：按频率划分的汽车雷达市场

汽车雷达传感器的技术自 2000 年首次推出以来已经发展了多年。以前，汽车雷达主要在 24 GHz 频段用于短距离检测，在 76-77 GHz 频段用于长距离或更复杂的检测应用程序。值得注意的是，欧洲电信标准协会 (ETSI) 和联邦通信委员会 (FCC) 为汽车雷达应用分配了 76 GHz 至 81 GHz 之间的特定频段。然而，由于在如此高的频率下设计高效且具有成本效益的集成电路存在困难，因此还向制造商提供了 24 GHz 左右的临时频段来开发 77 GHz 雷达收发器。

随着技术的进步，77GHz雷达产品现已成熟，2022年起暂时不再使用24GHz频段。如今，趋势已转向使用76-81GHz频段来开发新型传感器。虽然对 100 GHz 以上更高频段的研究正在进行中，但这些技术与车辆的集成以及与半导体技术性能相关的挑战仍在研究中。

图 2：按技术划分的汽车雷达 RFIC 销量

汽车雷达挑战

汽车雷达技术是高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶汽车开发的关键组成部分。然而，汽车雷达系统的开发和实施面临着一些挑战，包括拯救生命、能源和成本的需要（图3）。

拯救生命：汽车雷达技术需要通过对道路上的潜在危险提供预先警告来提高车辆的安全性。为了拯救生命，汽车雷达必须具有高分辨率以准确检测和识别物体，低延迟以向驾驶员提供及时警告，并具有实时分类能力以区分不同类型的物体，处理环境条件（例如雾，雨水、灰尘和其他因素）会影响雷达的准确性。这些功能使雷达能够检测和跟踪其他车辆、行人和动物等物体，并为驾驶员提供在道路上做出安全决策所需的信息。提高汽车雷达技术的分辨率、延迟和分类能力有助于减少事故并挽救生命。

节省能源：汽车雷达技术还可以通过优化系统的尺寸、重量和功率（SWaP）来发挥节能作用。这可以通过使用高效的处理技术并减小雷达封装的尺寸和重量来实现。优化 SWaP 对于能量存储有限的电动汽车 (EV) 和混合动力电动汽车 (HEV) 尤为重要。减小雷达系统的尺寸和重量还有助于减轻车辆整体重量并提高燃油效率。

节省成本：过渡到互补 CMOS 技术是降低汽车雷达系统成本的一种方法。CMOS 是一种广泛使用的集成电路制造工艺，可将多种功能集成到单个芯片上。单芯片解决方案可以将雷达系统的所有必要组件和功能集成到单个芯片上，进一步降低成本。这有助于减小雷达系统的尺寸和重量，并简化制造过程。可靠性和良率也是批量生产汽车雷达系统时需要考虑的重要因素。

高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶汽车的成功取决于解决与安全、能源效率和成本效益相关的挑战的能力。这方面的一个关键方面是硅技术的选择，如今明显转向使用 CMOS 技术。主导这一领域的技术将是能够提供高分辨率、低延迟和准确分类、降低能耗、简化制造流程并通过提供完全集成的雷达系统降低成本的技术。

汽车雷达关键指标

雷达传感器的任务是识别和空间定位基于质量的障碍物。这些可以包括其他车辆、骑自行车的人、行人、动物，甚至固定障碍物。分析雷达传感器性能的关键指标是它能够检测到物体的距离（距离）、它能够解析物体的可靠性（距离分辨率）、它能够解析物体速度的程度（速度分辨率）以及它的精确度。确定物体位置和轨迹（角度分辨率）。下表给出了汽车雷达传感器的技术要求。

表1：先进LRR雷达的典型性能参数

最新的雷达能够实现远距离、高水平的精度和分辨率。如今，高精度和分辨率不仅可以实现对象检测，还可以实现对象分类。然而，为获得更高的准确性和分辨率而付出的代价是更多的数据。随着精度和分辨率的提高，数据量也会相应增加，从而需要更多的计算能力。架构的选择和高效 CMOS 技术的使用对于管理高精度和分辨率雷达系统生成的大量数据至关重要，同时保持较低的功耗，这对于雷达技术的未来至关重要。

现在让我们看看满足汽车雷达关键指标的要求：

范围：范围要求之一是高功率发射器，因为它允许雷达检测更远距离的物体。为了准确确定物体的位置和速度，高采样率也是必要的。实现这些要求的解决方案包括堆叠多个器件以增加功率输出，以及使用低功耗和高线性ADC来高效处理雷达信号。

距离和速度分辨率：分辨率是指雷达区分靠近的物体的能力。为了提高分辨率，一种方法是转向更高的频段，因为雷达信号的波长随着频率的增加而减小，从而实现更精细的分辨率。实现这一目标的解决方案包括在雷达信号中使用更高的 Ft/Fmax 技术。这允许在信号中使用更高的频率分量，从而提高分辨率。

角度分辨率：为了提高角度分辨率，要求之一是限制热问题，因为高温会影响雷达电子元件的性能。解决方案之一是提高雷达系统的功率放大器 (PA) 和数字效率。通过提高 PA 的效率并降低数字功耗，产生的热量更少，这有助于减少热问题。

本节强调了拥有具有尖端模拟和毫米波射频功能的一流硅技术的重要性，以应对未来汽车雷达带来的技术挑战。这种技术必须能够处理大量数据，同时保持低功耗。

FD-SOI技术，事半功倍

当前雷达领域的主要技术转变是采用 CMOS 技术。目前可用于汽车的 CMOS 技术（例如 40nm、28nm、22nm、16nm）为数字电路提供了高集成度，并在 RF 应用中表现出非常好的性能。与传统模拟雷达收发器相比，使用 CMOS 技术设计汽车雷达系统具有许多优势。主要优点之一是 CMOS 允许将雷达收发器、信号处理电路和控制逻辑等多个组件集成到单个芯片中。这提高了雷达系统的分辨率和密度，从而可以更准确、更可靠地检测物体。

此外，CMOS技术通常也比传统模拟雷达收发器便宜，这有助于降低雷达系统的总体成本。通过将雷达系统集成在单个芯片上，SoC 可以更加紧凑且节能，这对于空间和功耗都很重要的汽车应用非常重要。

评估 CMOS 技术是否适用于工作频率为 77 GHz 的汽车雷达的一种方法是查看晶体管的速度。下表 2 比较了各种最先进 CMOS 技术的 fT 和 fmax。这些值表明了晶体管的运行速度以及它们处理高频信号的能力，使其成为汽车雷达中使用 CMOS 技术可行性的良好指标。如今，所实现的传输频率使 CMOS 技术能够渗透到传统上由 BiCMOS 工艺主导的雷达汽车市场，截至目前，BiCMOS 工艺占整个雷达市场的 2/3 以上。

如表1所示，在目前用于雷达的CMOS工艺中，22nm FD-SOI技术明显优于finfet和bulk技术，并且与最先进的SiGe技术相当。该技术被多家雷达芯片制造商（例如 Bosh 或 Arbe）视为最先进的雷达 CMOS 技术，能够提供 ft > 350 GhZ 和 Fmax > 390 GhZ 的晶体管，并具有以下描述的一些其他独特优势：接下来的部分。

表 2：雷达应用中使用的各种硅技术的传输频率比较

FD-SOI 是半导体领域的一项众所周知的技术，与传统的体硅技术相比，它可以提高性能并降低功耗。FD-SOI 技术在设计和制造过程中提供了更大的灵活性，使其成为包括汽车雷达系统在内的各种应用的流行选择。FD-SOI 晶体管提供了多种独特的功能，例如能够在低电压下运行、消除 PVTA 变化、对辐射准不敏感以及表现出非常高的固有晶体管速度，这使其成为优于其他 RF 的理想选择-CMOS 技术替代方案（图 8）

由于其固有的低可变性特性和体偏置技术，FD-SOI 能够在低至 0.4V 或更低的极低电源电压下运行，使其成为功耗至关重要的应用的理想技术。降低电源电压可以降低动态功耗，与其他技术相比具有独特的优势，因为它可以在电源比性能更具挑战性的应用中实现更高效的电源使用。

FD-SOI 以其对高能粒子的高抵抗力而闻名，高能粒子可能会导致电子设备中的软错误。这是因为在 FD-SOI 中，有源器件区域通过称为 Box 的薄绝缘层与衬底隔开。埋氧化层降低了器件对衬底中产生的电荷的敏感性，从而减少了出现软错误的可能性。此功能使 FD-SOI 成为高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶系统 (AD) 等安全关键型应用的合适技术。

FD-SOI 的另一个主要优势是体偏置。体偏置允许控制器件制造后的阈值电压。体偏置在汽车应用中是一个非常强大的可调整型，并且已在许多消费和汽车产品中广泛用于 PVTA 补偿。通过在产品中实施体偏置，可以显着减少工艺、电压、温度和老化变化，从而简化产品工程师的任务，以确保产品规格达到 1 ppm 。

体偏置是下一代雷达的必备技术，是提高数字和模拟以及可靠性的关键技术。

在数字方面，最近开发了新的自适应体偏置技术（ABB），允许应用设计在各种工作条件（例如温度、制造可变性和电源电压）下保持目标工作频率。与不使用体偏置技术的技术相比，该架构能够将 22nm FD-SOI 技术中的处理器能耗降低高达 30%，并将工作频率提高高达 450% 。

在模拟电路中，体偏置有几个好处。最显着的好处之一是提高了精度，这可以通过微调电路的性能来实现。此外，体偏置还可以通过控制工作点和减少漏电流来降低功耗。此外，体偏置增加了电路的电压余量，使其能够在更宽的电源电压范围内运行。体偏置还通过降低阈值电压和增加漏极电流来提高电路的抗噪声能力。最后，体偏置可用于优化特定应用的电路性能，例如低功耗、高速或高线性度。这些优点使体偏置成为在模拟电路的功耗、速度和线性度等不同性能特征之间进行权衡的宝贵旋钮。

在可靠性方面，通过控制晶体管的工作点，体偏置可以减少器件上的应力，从而提高可靠性。此外，体偏置可以补偿与温度相关的阈值电压变化，使电路在温度上更加稳定。体偏置还可以降低阈值电压并增加漏极电流，从而提高对宇宙射线和阿尔法粒子等单粒子效应的免疫力。动态可靠性漂移补偿也是一个有前途的研究领域，它具有生产完全弹性汽车系统的潜力。此外，体偏置可以减少阈值电压随时间的退化，从而改善老化性能。最后，体偏置可以补偿由于制造工艺造成的阈值电压的变化，使电路更加稳健。这些优点使体偏置成为提高模拟电路可靠性的宝贵工具。

总之，FD-SOI 在塑造汽车雷达的未来方面发挥着至关重要的作用。其内在的关键特性使其成为汽车雷达行业的一项有价值的技术。FD-SOI 能够开发单芯片高性能且经济高效的雷达，使其成为车辆安全和自动驾驶的关键推动者。FD-SOI 技术能够在提高计算能力的同时保持能源效率和智能，从而为颠覆性创新和 SWaP 优化打开了大门。FD-SOI 技术无疑可以帮助推动汽车雷达行业向 CMOS 技术的安全过渡。

参考文献

https://semiwiki.com/semiconductor-manufacturers/soitec/336744-fd-soi-the-technology-shaping-the-future-of-automotive-radars/