RADARSENSOREN AUF BASIS VON IGE-TRANSCEIVERN. Radar-Chips

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1 14lA UTOMOTIVE l TITEL Radar-Chips S RADARSENSOREN AUF BASIS VON IGE-TRANSCEIVERN aus SiGe Anstatt der teuren GaAs-Technologie verwendet Infineon zukünftig einen Silizium-Germanium-Prozess bei Transceiver-ICs für Radarsysteme. Damit lassen sich nicht nur die Herstellungskosten reduzieren, auch eine bessere Reproduzierbarkeit und Homogenität im Vergleich zu Gallium- Arsenis ist damit gegeben. Zudem lassen sie sich auf 8- Zoll-Wafer fertigen, sind im Handling unempfindlicher und können bis auf wenige Zwischenschritte auf Standardanlagen gefertigt und für Automotive-Anwendungen getestet werden. Vor kurzer Zeit noch verband man Hochfrequenztechnologie im oberen GHz-Bereich immer mit der Notwendigkeit von teuren Spezialhalbleitern. Mittlerweile haben Halbleiterhersteller Prozessvarianten auf Basis von Silizium-Germanium (SiGe) im Portfolio, die den Einsatz herkömmlicher Silizium-Herstellungsverfahren ermöglicht. Während sich CMOS-basierte Herstellungsprozesse fest im Mobilfunk-Consumerbereich (2,4 GHz bis ca. 5 GHz für GSM, UMTS, WLAN Transceiver) etabliert haben, findet man bipolare Bauteile in Schaltungen, die schon bis zu 40 GHz arbeiten. In modernen Radaranwendungen für den Abstand von einem halben bis zu 20 Metern, dem sogenannten Short-Range-Radar (SRR), werden immer mehr SiGe-Komponenten eingesetzt. Die Vorteile einer Kostenreduktion kommen hier schon heute zum Tragen. Im Bereich des Long-Range-Radar (77GHz) für die Abstandsmessung im Bereich bis 250 Metern reicht diese Technik mit Grenzfrequenzen bis 100 GHz jedoch nicht aus. Erst durch einen speziellen Prozessschritt, der eine Koh-

2 TITELl AUTOMOTIVE l15 lenstoff-dotierung des Transistor-Basisgebiets beinhaltet, kann z. B. im B7HF200- Fertigungsprozess die Transitfrequenz auf 200 GHz verdoppelt werden der 77-GHz- Schaltungsbereich rückt damit in den Bereich des Machbaren, ohne dafür GaAs einsetzen zu müssen (Bild 1). Mit so hergestellten Radar- Komponenten lassen sich heute schon Ausgangsleistungen bis zu 18dBm bei 77 GHz erzeugen. Nicht nur die Herstellungskosten profitieren vom Einsatz von SiGe. Die Technologie weist auch eine bessere Reproduzierbarkeit und Homogenität im Vergleich zu GaAs auf, lässt sich auf größeren Wafern (bis zu 8 Zoll) fertigen, ist im Handling Bild 1:Technologie-Roadmap für schnelle Siliziumprozesse nach 200 GHz (heute) steht als nächstes die 500-GHz-Grenze im Jahr 2012 an. unempfindlicher, da weniger spröde, und wird bis auf wenige Zwischenschritte auf Standardanlagen gefertigt und getestet. Als besonderer Vorteil ist im Falle des B7HF200- Prozesses die Automotive-Qualifikation nach AEC-Q100 zu nennen - einschließlich der Einsatzmöglichkeit der Chips über den vollen Temperaturbereich von -40 C bis +125 C. Die Integration einer Schaltung in ein Serienprodukt wurde bereits in enger Kooperation mit Bosch umgesetzt. Die neuen Sensoren der dritten Generation auf Basis dieser SiGe-Transceiver wurden kürzlich auf der SAE Conference in Detroit vorgestellt und werden 2009 in den Markt gehen (Bild 2). nutzen, um auf Systemebene Selbsttests zu fahren. Beispiele sind Power-Detektoren, Temperatursensoren und Teilerschaltungen wie sie sich im Infineon Radar-Transceiver- Baustein RXN7740 finden. Das ist bei einem semidiskreten GaAs-Aufbau sehr kompliziert bis undenkbar. Von der höheren Zuverlässigkeit profitieren Entwickler wie Nutzer. Am Ende steht ein Frontend-Aufbau, bei dem lediglich wenige RF-Signale verbunden bzw. gebondet werden müssen. Diese Übergänge werden gezielt auf die maximale Performance optimiert, die restlichen Steuersignale wie z. B. Teilerausgänge und Steuerpins sind wesentlich unkritischer. Da einige Bausteine heute schon die Möglichkeit des Ein Chip - weniger RF-Verluste Bisher besteht ein 77-GHz-RF-Frontend aus einer Handvoll GaAs-Bausteinen, die vom Systemhersteller bzw. einem Modulhersteller zu einem Transceiver aufgebaut werden. Gemäß dem Motto: Jedem Chip seinen eigenen, optimalen Prozess finden sich dort für Blöcke wie VCO, PA und Mischer Bausteine unterschiedlicher GaAs-Prozesse. Die selbe Aufgabe lässt sich aber mit SiGe effizienter lösen. Hier gibt es die Möglichkeit, auf ein- und demselben Fertigungsprozess Leistungsverstärker, rauscharme Mischer und weitere Logik auf einem Chip zu integrieren und damit den Transceiver monolithisch zu realisieren. Damit rutschen die wichtigsten Funktionsblöcke auf ein Stück Halbleiter zu einem kompletten SoC zusammen und die Anzahl der RF- Signalübergänge wird minimiert (Bild 3). So reduziert sich der Platzbedarf und die Komplexität für den RF-Aufbau auf ein Minimum. Damit die Schaltung als known-good-die beim Kunden aufgebaut werden kann, sind komplexe Teststrukturen eingebaut. Da beim Halbleiterhersteller zusätzliche Logik für den Funktions- und Parametertest auf Wafer-Ebene integriert Bild 2: SiGe-basiertes Single-Chip Radarfrontend: Vorderseite mit Transceiver (oben), Rückseite mit Signalverarbeitung (unten) im Long-Rage Radar Radar- Sensor LRR3 der Firma Bosch. wird, kann der Sensor- bzw. Systemhersteller diese

3 16lA UTOMOTIVE l TITEL Trimmens mittels Laser bieten, kann eine Impedanz-Anpassung an die jeweilige Applikation durchgeführt werden. Und je genauer die Anpassung, desto weniger muss der Schaltungsentwickler auf dem Board kompensieren. So sind in enger Kooperation viele der Herausforderungen vom bisherigen RF-Board auf den Chip gewandert und dort gelöst worden. Schaltungsentwicklung mit SiGe SiGe ist nicht GaAs und das nicht nur wegen seiner anderen Halbleitereigenschaften, sondern auch bei der mechanischen, thermischen, elektrischen und schaltungstechnischen Applikation. Die Herausforderung an den Entwickle (und für sein Management) besteht in der Bereitschaft zu dem Technologiewechsel, der auch ein Umdenken verlangt. Einen GaAs-Schaltungsentwurf kann und sollte man nicht als Grundlage für ein leistungsfähiges SiGe-Design nehmen, so die Aussage von einem der frühen SiGe-Anwender. Beispiel: Eine GaAs-Schaltung verwendet klassisch eine Single-ended-Signalführung, d. h. jedes Signal wird einzeln geführt, die Masse (GND) der Schaltung ist auf der Chiprückseite mit dem Träger verbunden. Ein Chip in SiGe dagegen hat eine elektrisch isolierte Rückseite, die Systemmasse (Ground) wird in einer oder mehreren der zur Verfügung stehend Metallisierungsebenen auf der Chip-Vorderseite geführt. Wichtiger ist aber, das auch für die analogen Hochfrequenzschaltungen wie in der modernen Si- Digitaltechnik üblich (z. B. bei Prozessoren und schneller Logik) eine differentielle Schaltungstechnik eingesetzt wird. Die Systemmasse tritt dadurch im Signalpfad nur noch virtuell (= stromlos) auf und muss bei den kritischen HF-Übergängen nicht verlustbehaftet vom Chip auf das Board geführt werden. Weitere Vorteile sind: differentielle Bonds sind verlustärmer, da sich ihre parasitären Induktivität im Gegensatz zu Single-ended-Übergängen teilweise kompensieren differentielle Bonds sind deshalb auch breitbandiger differentielle HF-Übergänge sind toleranter gegenüber Bonddrahtschwankungen differentielle Schaltungsauslegung und Signalführung reduziert unerwünschte Verkopplungen (Übersprechen) unterschiedlicher Schaltungsteile drastisch und macht damit erst die Hochintegration kritischer Funktionsblöcke auf einem Chip möglich Bild 4: Goldbonddrähte (gelb) verbinden das SiGe-MMIC mit dem Board, das auch als Wärmesenke fungiert. Bild 3: Single-Chip-Transceiver und Referenz-Oszillator als Kernstücke des RF Moduls (oben) mit Steuergerät (unten). differentielle Schaltungsauslegung besitzt eine reduzierte Störsignal-Empfindlichkeit (bessere Signalintegrität) Wärmemanagement Die Verlustleistung eines SiGe-Systems ist zwar geringer als die Summe der bisherigen Einzelkomponenten einer GaAs-Implementierung, da verlustbehaftete Übergänge entfallen. Doch kein Licht ohne Schatten: Die Verlustwärme von ungefähr 3 Watt entsteht nun konzentriert auf wesentlich kleinerer Fläche, von der sie abgeführt werden muss - genauer: auf weniger als 10 mm 2. Das erfordert ein sorgfältiges Design der Leiterplatine, die z. B. über integrierte Kupferflächen oder spezielle Wärmeleiter diese Verlustleistung vorzugsweise an eine Metallbasis - abführen muss (Bild 4). Positiv trägt der Umstand bei, dass Silizium ein sehr guter Wärmeleiter ist und sich die im Chip produzierte Wärme direkt von der Rückseite ableiten lässt. Da SiGe- Schaltungen bis zu sehr hohen Temperaturen zuverlässig arbeiten, reicht es dafür zu sorgen, dass die Chiprückseite die Betriebstemperatur von bis zu +125 Grad möglichst nicht überschreitet. Damit kann auch in kritischen Einbausituationen der volle Automotive-Temperaturbereich abgedeckt werden. Schwerpunkt des Entwurfs eines Radar- Frontend wird mehr und mehr, das PCB-Layout in vollem Umfang zu meistern: Aufbautechniken für Bare-Die und FlipChip, Wärmemanagement, Signalführung auf dem PCB und Antennendesign. Das Gesamt-Systemverständnis ist

4 TITEL lautomotive l17 aber nach wie vor erforderlich. Die SiGe-Systeme heute sind noch weit von einer Black-box entfernt, von deren Innenleben der Anwender nur die Spezifikation zu kennen braucht. Vielmehr sind sie integraler Bestandteil des Gesamtsystems und erfordern ein Verschmelzen mit dem Aufbau des RF-Frontends. Gleiche Chips - mehrere Applikationen Mit der richtigen Partitionierung durch den Halbleiterhersteller kann sich ein modularer Block-Baukasten ergeben, aus dem in relativ kurzer Zeit unterschiedliche Systemarchitekturen gebaut werden können. Das Ziel der OEMs ist es, mit möglichst wenig Radar-Sensortypen bzw. Hardware auszukommen und dies über die Applikations-Software zu personalisieren, denn niemand kann sich in Zukunft für jede Applikation (z. B. Collision Mitigation, ACC, usw.) eine eigene, spezielle Hardware bauen. Auf Ebene der Systemhersteller ist die Sachlage ähnlich: Nicht jedes Radar-Frontend soll einen anderen Chip verwenden. Attraktiver ist es, denselben Chip-Typ durch unterschiedliche Applikation und Ausbaustufen (Anzahl der Antennen, Leistungsfähigkeit des DSP, Kaskadierung, etc.) skalieren zu können und daher mehr und mehr in Richtung einer Standardisierung zu kommen. Alle Funktionsblöcke der aktuellen Chips können wiederverwendet werden und bieten Performance-Reserven, die einen kombinierten Betrieb für Long-Range- bis Mid-Range-Radar möglich erscheinen lassen. Die neuen Multi-Mode-Radare, decken dabei heute schon Entfernungen ab 0,5 m bis 250 m und je nach Entfernung Öffnungswinkel zwischen 12 und 30 Grad ab. Die weite Einsetzbarkeit bringt das Produktionsvolumen in die Höhe, was letztendlich dem unmittelbaren, gemeinsamen Ziel der Kostenreduktion für den Endkunden zugute kommt. Spezialanfertigungen sind und werden teuer bleiben. Einen Weg aus der Nische und dem damit verbundenen Dilemma bringt nur den Wille zum Re-Use, weg von der hemmenden not-invented-here Mentalität. Was der Halbleiterlieferant beitragen kann, sind zuverlässige, getestete Standard-Komponenten, die bis auf die Antenne alle kritischen Funktionsblöcke der Hochfrequenzschaltung bereit stellen. Programmierbarkeit und Packages Die ersten Radar-System-ICs (RASIC) sind erst der Anfang dessen, was sich mit SiGe machen lässt (Bild 5). Mit dem Ziel vor Augen, möglichst universelle Bausteine auf dem offenen Markt anzubieten (anstatt teure ASICs) bleibt viel Raum für Kreativität. Ein logischer nächster Schritt ist beispielsweise die Steigerung der Frequenz in den Bereich GHz, der als globaler Short-Range-Standard der nächsten Generation und ein Nachfolger für 24-GHz-UWB gesehen wird. Ein weiteres Gebiet der Entwicklung ist die Einführung schaltbarer Strukturen auf den Chips, was sich als gar nicht trivial darstellt, da bei diesen Frequenzen die Signale auch ungefragt von Leitung zu Leitung springen und sich das An-, Ab- und Umschalten von Strukturen nicht wie bei niederfrequenten Produkten wie in einem 4-GHz-Prozessor machen lässt. Selektives Abschalten von Schaltungsteilen ist wiederum sinnvoll, da es eine wir- For superior solutions in automotive electronics

5 18lA UTOMOTIVE l TITEL kungsvolle Maßnahme zur Verlustleistungsreduktion darstellt. Beim Packaging verhält es sich ähnlich: Wer Radar-Chips heute bezieht, bekommt bare-die, also die ungehäusten, dünn-geschliffenen und gesägten Silizium-Chips, die dann mit Pick&Place vom Blue-Tape auf die Leiterplatte geklebt und anschließend mittels Golddraht angeschlossen werden. Packages, die eine einfache Montage und Lagerhaltung erlauben, werden untersucht. Problematisch sind dort heute vor allem die Bonddrahtlängen und Übergangsverluste der HF-Kontakte jeder Mikrometer frisst die HF-Leistung, die man so mühevoll auf dem Chip erzeugt hat, bzw. von der Empfangsantenne auf den Chip bekommen will. Dies ist allerdings eine Eigenschaft, die nicht Bild 5: Der Transceiver RXN7740 beinhaltet alle Sende- und Empfangs-Komponenten wie VCO, Mixer und Teilerschaltungen auf einem Chip. Mit der Markteinführung der SiGe-basierten Radar- Transceiver im Jahr 2009 ist eine hohe Erwartungshaltung an die Technologieakzeptanz gekoppelt. SiGe-spezifisch ist, hier teilen sich alle HF-Lösungen ein gemeinsames Schicksal. Geforscht wird umso intensiver, denn ist ein Package gefunden wird erwartet, dass die Zusatzkosten durch das einfachere Handlung und eine Standard-Aufbautechnik mehr als kompensiert werden. Zusammenfassung Die neuen SiGe-Transceiver öffnen den Systemherstellern neue Möglichkeiten im Long-Range-Bereich von GHz und im Weiteren großes Potential für den Short- Range-Bereich bis zu 81 GHz. Kleinere, günstigere Radarsensoren werden helfen, Fahrerassistenzsysteme in mittleren Fahrzeugklassen anbieten zu können. Parallel werden durch die fortlaufende Weiterentwicklung der Siliziumprozesse in Richtung 500 GHz (in Forschungsprojekten wie RoCC, siehe Bild 1) die Verlustleistungen weiter sinken und die erreichbaren Bandbreiten steigen. Doch bleibt auch einiges wie es war: Entwickler von Hochfrequenzschaltungen brauchen auch in absehbarer Zukunft das Hochfrequenz-Know-how, um RF-Komponenten auf geeigneten Substraten korrekt zu applizieren und die beste Leistung aus ihrem System herauszuholen. Und das im Bewusstsein SiGe ist KEIN 1:1-Ersatz für GaAs, aber der notwendige Schritt in die richtige Richtung nach dem Motto: Exotik raus SiGe rein. Die Aufgaben verschieben sich von der Position des kompletten RF-Designs in Richtung Applikation existierender Hochfrequenz-ASSPs bzw. bei Leitkunden in Richtung Spezifikation komplexer Kunden-Derivate. Mit der Markteinführung der SiGe-basierten Radar-Transceiver im Jahr 2009 ist eine hohe Erwartungshaltung an die Technologieakzeptanz gekoppelt. Ist die Produktionsreife gezeigt, kann die gesamte Zuliefererkette den lang ersehnten Wechsel auf eine volumentaugliche, kosteneffiziente Technologie vollziehen, die in vielen Applikationen Anwendung finden kann. (oe) Weblinks (Link auf die Bosch Präsentation auf der SAE 2008 in Detroit Dipl.Ing. (TH) Wolfgang Lehbrink studierte Elektrotechnik an der TU Karlsruhe mit Schwerpunkt Halbleitertechnologie. Bei Infineon ist er seit 2002 im Marketing tätig,seit 2006 im Produktbereich Automotive Radar. Tel Infineon

6 Es ist keine Kunst, Automobil-Vernetzung zu entwickeln, wenn man es einmal gelernt hat. Egal, ob Sie in das Thema Automobil-Elektronik neu einsteigen oder ob Sie schon ein versierter Profi sind: in der VectorAcademy finden Sie mit Sicherheit den richtigen Workshop für Ihren Wissens-Level. Ihr Vorteil: Sie buchen nur die Module, die Sie wirklich brauchen. CAN, LIN, FlexRay, MOST, offene Protokolle... statt Antworten in Büchern zu suchen, löchern Sie doch unsere Trainer! Effektiver können Sie sich Wissen und Fähigkeiten nicht aneignen: wir vermitteln Ihnen strukturiert die Theorie, leiten Sie bei praxisorientierten Übungen an. Und Sie tauschen Erfahrungen mit Kollegen aus Ihrer Branche aus. Mit weniger sollten Sie sich nicht zufrieden geben. Dafür kostet es weniger als Sie vielleicht denken. Den schnellen Überblick verschaffen Sie sich am besten auf unseren Web- Seiten. Falls Antworten offen bleiben, unsere Schulungsberater freuen sich auf Ihren Anruf: Tel (07 11) und VectorAcademy. Mehr Praxis. Vector Informatik GmbH Ingersheimer Str Stuttgart Tel (07 11) Fax (07 11) info@vector-informatik.com