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自駕車毫米波雷達技術發展探討
ITIS智網林松耀
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一、毫米波應用需求轉向自駕車領域

近年來隨著汽車工藝日益電子化的趨勢,帶動了自駕車發展趨勢的風潮,使得毫米波技術由傳統的國防軍工、通訊基站傳送接收等用途,快速成為發展安全駕駛輔助系統(ADAS)之重要關鍵技術之一(如圖1),尤其隨著各國對AEB (Automatic Emergency Braking)系統新車安全測試的重視以及各國的強制立法要求安裝,都迎來了未來AEB系統之龐大剛性需求,據2017Strategy Analytics資料顯示,全球汽車用毫米波雷達的市場規模,在2015年為18億美元,預估至2024年時,汽車雷達感測系統之產值將來到60億美元之規模,年平均複合成長率達到17%


二、汽車毫米波雷達之發展趨勢

(一) 24GHz雷達系統將逐漸由79GHz雷達系統所取代

    在目前車用市場中,比較常見的汽車毫米波雷達工作頻率在24GHz77GH79GHz這三個頻率(如表1)。由於24GHz雷達比77GHz雷達具有繞射能力更強、信號損失衰小等優點,因此,24GHz毫米波雷達常用於短距離的偵測系統,如車側盲點偵測(BSD)、車道偏移警示(LDW)、自動跟車(Stop & Go)…等等;而77GHz雷達則由於頻率較高具有較佳的信號穿透性、距離檢測精度較高等優點,因此77GHz毫米波雷達常能用於長距離的偵測系統,如自動緊急煞車(AEB)、適應性巡航(ACC)、前方碰撞預防(FCW) …等等。

    24GHz ISM頻段,由於其頻寬只有約250MHz,在分辨率與探測距離有其限制,因此,2015年世界無線電通信大會(WRC-15)上決定,將77.5GHz~78.0GHz頻段劃分給汽車無線電領域使用,使整個76GHz~81GHz頻段都可用於車載雷達應用,同時,亦確立了79GHz頻段將逐漸取代24GHz雷達系統的產業趨勢。79GHz不僅較24GHz車載雷達具有頻寬更大、解析度更高、抗干擾能力更強、設備體積更小更易於安裝。

以分辨能力來說,24GHz毫米波雷達較無法辨識出行人的樣子,而79GHz毫米波雷達不僅可偵測距離更遠、速度更快、角度更大,且能分辨出車、行人、腳踏車的型態(如圖2),另一方面,毫米波全球頻率的統一化,使得全球汽車毫米波雷達的規範有了統一標準可以依循,使得整體市場規模得以更擴大,並且,亦更便於車用雷達的介面統一,因為現行的24GHz天線採用的是SMA介面,而77GHz則是透過waveguide介面來回饋訊號,因此,採用毫米波的高頻訊號,將更有利於介面的統一性。另一方面,亦可讓毫米波雷達之生產廠商可以更專心地投入至76GHz~81GHz頻段的生產與研發,測試、生產相關設備費用皆可因而減少。

(二) 雷達射頻製造技術將由SiGe走向至CMOS的整合製程

  Bosch各世代77GHz LRR(Long Range Radar)毫米波雷達產品之演進來看,2009年推出之LRR3產品,其採用InfineonSiGe 毫米波雷達的RF晶片,取代當時傳統上常用之GaAs晶片以及分離式的晶片架構,不僅讓LRR3運作效能更快、體積更小、偵測距離更遠之外,採用SiGe製程的晶片讓價格降低了約1/3左右,亦開啟了毫米波晶片與其它運算處理晶片邁向整合之路的開端。201610Infineon公布了其汽車毫米波雷達之Roadmap(如圖3),亦揭示了其未來將以RF CMO技術取代主流的SiGe製程技術,近期如20172ADI發佈28nm CMOS Radar技術、20173Fujitsu Ten發表 CMOS 79GHz 雷達晶片、20175TI推出採用45nm CMOS製程的76-81GHz毫米波雷達晶片。隨著,CMOS製程的毫米波雷達晶片產品陸續導入新車之設計規格內,CMOS製程技術之毫米波雷達晶片將陸續自2020年起大放光彩。

  另外,亦有國外廠商推出毫米波雷達SOC晶片,透過CMOS製程,將微控制器(MCU)、數位訊號處理器(DSP)、訊號放大器及負責處理收發雷達波的射頻晶片全部整合在在單一晶片上,如20161NXPCES展示其全球最小的的77GHz SOC 雷達收發晶片(7.5x7.5 mm),即以RF CMOS技術來生產以提供非常高的分辨率性能;隨後,20165Infineonimec共同發表使用28 nm CMOS技術的79 GHz SOC傳感器晶片等等。

 

(三) 晶圓級球閘陣列成為汽車毫米波雷達晶片之封裝主力

    Bosch推出第三代長距離雷達LRR3(77GHz),其雷達晶片模組提供者Infineon與新加坡廠商星科金朋共同合作推出第一代嵌入式晶圓級球閘陣列(Embedded -Wafer-Level Ball Grid ArrayeWLB)長距雷達產品,不僅省去IC基板的製作工序,亦使得成本得以大幅降低約1/3左右,由於77GHz不同於24GHz雷達產品,其對於高頻訊號的傳輸速度與訊號品質要求格外嚴謹、另外此eWLB封裝形式具有低功耗與較佳之散熱效應、較低的溫度敏感度等優異特性表現,皆非當時24GHz採用的QFN封裝形式所可勝任,使得eWLB封裝技術成為發展毫米波雷達晶片的重要關鍵技術之一。

(四) 未來技術發展朝向高解析度、影像技術融合、小體積方向前進

下一代的毫米波雷達技術發展,將朝向更高解析度的產品方向發展,如24GHz產品將逐漸由更高解析度之79GHz產品所取代,以適用在現有車側盲點偵測(BSD)之應用市場,以及傳統使用超音波雷達感測之停車輔助系統之應用市場。另外,Bosch亦與比利時imec合作開發提供短距離停車輔助用途之122GHz產品,以及下一代具備更高解析度之140GHz產品(如圖4)

隨著自駕車等級的提高,各式感測技術包含雷達、相機、光達(LiDAR)等產品,所佔自駕車之總成本費用亦將同步提高,另外,感測技術的融合需求(Sensor fusion),亦自Level 20美元,提高至Level 350美元,再提高至Level 4~5110美元(如圖4),代表了自駕車不僅仰賴數個不同感測技術的偵測,更需要多重感測資料間的資料處理、運算、比對、驗證,才能對行車資訊做出更完整、更精確、更迅速的判斷與處置。

三、結論

目前全球汽車毫米波雷達晶片技術,主要掌握在InfineonNXPSTTI…等歐美國際巨擘手上,尤其Infineon市占率更高達35%以上,穩居龍頭地位,而汽車毫米波雷達系統則由BoschContinentalHellaFujitsu-Ten(Denso)TRW(ZF) DelphiAutolivValeo等國際汽車電子系統廠商所掌握,尤其BoschContinental更穩居前二大公司,臺灣則在毫米波雷達晶片製造、晶片封裝與電路板之產品製造方面,具有堅強之國際競爭力(如圖5)

目前臺灣發展汽車毫米波雷達系統之廠商,包括啟碁電子、為升科技、明泰科技等等,均已陸續出貨24GHz毫米波雷達產品給客戶,而77GHz產品則多處於客戶驗證的階段,其它發展汽車毫米波雷達系統之廠商還包括輝創科技、同致電子、造隆股份等等公司,亦皆積極發展毫米波雷達系統。

面對汽車毫米波雷達技術的不斷精進,如CMOS整合晶片與eWLB封裝技術的導入、影像與雷達的感測系統融合,將為全球雷達感測系統的產業帶來更多的變數,未來如Bosch + imec 合作開發更高解析度、更輕薄短小、更高整合功能之140GHz Radar SOC晶片與系統之例子,將不斷地出現在世界的某個角落,皆揭示了此產業技術變化之快速,臺灣汽車毫米波雷達系統之廠商可結合臺灣在地毫米波產業聚落能量,以優異地製造實力當後盾,掌握未來技術發展趨勢,穩扎穩打、不斷累積實力、長期耕耘努力,才能在汽車毫米波雷達產業市場中站穩腳步、成長茁壯。

(本文作者為工研院IEK執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)

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