Radar-Chips - HANSER automotive

14lA UTOMOTIVE 3-4.2008l TITEL
Radar-Chips
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
RADARSENSOREN
AUF BASIS VON
SIGE-TRANSCEIVERN
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-

lenstoff-Dotierung des Transistor-Basisgebietsbeinhaltet,
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
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).
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
wird, kann der Sensor- bzw. Systemhersteller diese
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Bild 1:Technologie-Roadmap für schnelle Siliziumprozesse – nach 200 GHz (heute)
steht als nächstes die 500-GHz-Grenze im Jahr 2012 an.
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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
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.
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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.
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Bild 3: Single-Chip-Transceiver und Referenz-Oszillator
als Kernstücke des RF–Moduls (oben) mit Steuergerät
(unten).
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■ 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

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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
77...81 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-
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18lA UTOMOTIVE 3-4.2008l 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
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 76...77
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
Bild 5: Der Transceiver RXN7740 beinhaltet alle
Sende- und Empfangs-Komponenten wie VCO,
Mixer und Teilerschaltungen auf einem Chip.
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
http://www.infineon.com/radar
http://www.sara-group.org/
http://www.sae.org/congress/
(Link auf die Bosch Präsentation auf der
SAE 2008 in Detroit
© automotive
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.
wolfgang.lehbrink@infineon.com,
Tel. 089-234-21400
Infineon Technologies
@ www.infineon.com

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