La tecnologia GaAs MMIC nei sistemi radar per automotive

In questo articolo faremo una panoramica sugli sviluppi dei circuiti integrati GaAs dedicati alle applicazioni radar automobilistiche. Innanzitutto, viene data una breve descrizione delle funzionalità del radar, poi riporteremo un’analisi dei requisiti chiave fino al livello dei componenti. Infine, viene descritto come le tecnologie GaAs MMIC possono condurre a soluzioni efficienti di applicazioni radar automotive.

Introduzione

La prima applicazione ad onde millimetriche commercializzata è stata il radar automobilistico come supporto alla sicurezza della guida. La dimensione del mercato è cresciuta di anno in anno raggiungendo un livello di più di cinque milioni di unità all’anno. Con l’incremento di popolarità del radar per automotive, ci si aspetta che il radar si possa diffondere alle auto di tutte le fasce di prezzo, quindi, lo sviluppo di tecnologie produttive di massa a basso costo per i componenti correlati è diventato vitale. In questa situazione, il transistor bipolare a giunzione SiGe e le tecnologie dei semiconduttore ad ossido di metallo complementare (CMOS) sono state in competizione con la tecnologia GaAs. Tuttavia, la discussione su “SiGe o GaAs” non è stata risolta, quindi, i dispositivi SiGe e GaAs hanno condiviso il mercato. Inoltre, il mercato richiede ancora metodologie di produzione flessibili e veloci per soddisfare un volume di produzione marginale per un tipo di radar. Alcune aziende più avanzate del settore hanno lanciato una nuova tecnologia di packaging del chip a livello di wafer, una modifica innovativa del GaAs tridimensionale della famiglia dei circuiti integrati monolitici a microonde (MMIC). Questa tecnologia MMIC realizza un affidabile assemblaggio flip-chip(1) su circuito stampato tramite minuscole sfere di saldatura disposte su pad di superficie e sul metallo di massa del MMIC. In Figura 1 viene mostrato un circuito integrato MMIC.

(1) Flip-chip è un metodo per interconnettere dispositivi a semiconduttore, chip, dispositivi passivi integrati e sistemi micro-elettromeccanici (MEMS), a circuiti esterni con saldatura depositate sulle piazzole del chip.

Pertanto, GaAs è una tecnologia ancora promettente per soddisfare i requisiti, sia per il semplice assemblaggio che per la produzione di massa. Questi vantaggi sono già stati applicati nella comunicazione punto-punto MMIC nella banda di frequenze comprese tra 13 GHz e 38 GHz. Vari MMIC nel range tra le microonde e le onde millimetriche possono essere prodotti nella stessa forma e modalità di progettazione, con conseguente più facile sviluppo di MMIC per radar di autoveicoli nella banda 76 GHz-79 GHz e di MMIC nella banda degli 80 GHz (banda E). In Figura 2 viene illustrato un esempio di assemblaggio flip-chip.

Dispositivi a onde millimetriche per radar automotive

Il radar per automotive a onde millimetriche misura istantaneamente la distanza tra le automobili mediante la trasmissione e ricezione di segnali ad onda continua

modulata in frequenza (FMCW). Il segnale  FMCW viene irradiata dalla parte anteriore e posteriore di un’automobile per rilevare da ogni direzione le onde riflesse dalle automobili mediante il battimento di frequenza, da cui viene calcolata la distanza dalle auto che precedono e/o seguono l’automobile. In Figura 3 viene riportato lo schema a blocchi semplificato di un radar FMCW.

Il circuito integrato GaAs MMIC utilizza transistor ad alta mobilità elettronica con gate da 0,1 μm ed è progettato per essere assemblato con metodo flip-chip a tutte le frequenze, da 10 GHz alle onde millimetriche. Nel campo delle onde millimetriche, i radar automobilistici operanti nelle bande 76 GHz e 79 GHz stanno rapidamente crescendo in popolarità. Attualmente, la frequenza di trasmissione è limitata tra 76 GHz e 77 GHz (un sistema con larghezza di banda 4 GHz centrato a 79 GHz dovrebbe essere utilizzato nel prossimo futuro). L’unità radar deve essere più piccola e leggera possibile a causa dei limiti critici di installazione e peso. Per soddisfare questi requisiti, la tecnologia MMIC è stata introdotta positivamente nei sistemi radar. Anche la tecnologia è un fattore chiave per la produzione di massa e la riduzione dei costi. I radar per automotive sono attualmente in fase di sviluppo riguardo la possibilità di installazione in tutte le tipologie di automobili, mentre i radar precedenti erano commercializzati esclusivamente per le auto di lusso. In questa situazione, i MMIC sono diventati dispositivi più interessanti e importanti per le applicazioni radar. Ciò ha causato un’inevitabile competizione tra dispositivi GaAs, SiGe e CMOS.

Esistono alcune diverse configurazioni di radar poichè ci sono diversi metodi di scansione del segnale propagato dalle antenne. Infatti, un’onda millimetrica si propaga in avanti e tutto va bene quando l’auto percorre strade rettilinee, ma ci sono anche strade curve per cui il percorso di propagazione delle onde millimetriche deve essere scansionato entro un angolo designato in modo tale che il segnale possa investire le automobili in ogni situazione stradale. Generalmente, per la scansione del fascio di propagazione, i sistemi utilizzano la scansione elettronica o la scansione meccanica. Il sistema di scansione elettronica necessita di diversi set di antenne e ricevitori, mentre la scansione meccanica il ricevitore è dotato di un’antenna a scansione meccanica. Dipende dall’unità radar selezionare quale sistema adottare. A seconda dell’applicazione, i ricevitori delle unità radar necessitano di più canali di ricezione. Per il singolo canale sono previsti mixer di reiezione d’immagine del segnale. Le precedenti generazioni di ricevitori erano fabbricate utilizzando la tecnologia GaAs da 0,15 mm, come anche per i trasmettitori. Tuttavia, il ricevitore fornisce prestazioni di rumore e perdita di conversione significativamente più elevate. Pertanto è stata eseguita una riprogettazione utilizzando un processo fabbricazione ben collaudato di diodi Schottky GaAs. Grazie al bassissimo valore di resistenza in serie e capacità ridotta, la frequenza di taglio risulta estremamente elevata, superiore a 3 THz. Inoltre, il rumore a bassa frequenza è in genere di circa da 20 dB a 30 dB migliore di quello dei precedenti equivalenti processi di fabbricazione. Questi vantaggi prestazionali potrebbero essere realizzati anche per il diodo mixer basato su MMIC. Con i nuovi mixer basati sui diodi GaAs MMIC, si ottiene una eccellente sensibilità pari a quella di un diodo ibrido ottimizzato ed evitando la sintonizzazione esterna.

La tecnologia GaAs PHEMT

Per la fabbricazione dei dispositivi MMIC per i sistemi ACC (Automotive Cruise Control) viene utilizzata la tecnologia PHEMT standard sviluppata per applicazioni di comunicazione MMIC. La tecnologia PHEMT, o HEMT pseudomorfo, è una tecnica di fabbricazione che prevede l’utilizzo di uno strato estremamente sottile di uno dei materiali. Con questa tecnica il reticolo cristallino si allunga per adattarsi all’altro materiale consentendo la costruzione di transistor con differenze di bandgap elevate con prestazioni migliori rispetto a quelle ottenibili con altre tecniche. In Figura 4 la sezione di un GaAs realizzato con tecnologia PHMET.

Tutti gli strati sono generati dalla litografia stepper ad eccezione del gate realizzato mediante litografia a fascio elettronico (e-beam). Il processo del gate utilizza uno strato di blocco dell’incisione che offre un’eccellente omogeneità nel wafer e da wafer a wafer. Per il gate viene utilizzato un contatto Schottky a base di alluminio stabile in temperatura. Tutti i passaggi della litografia vengono completati a step successivi. La dimensione minima è di 1 mm, consentendo rese elettriche superiori al 90%. Per le interconnessioni e i componenti passivi si applica lo stesso processo e le stesse regole di progettazione dei dispositivi PHEMT.

Conclusioni

Sulla base di decenni di esperienza nello sviluppo di dispositivi MMIC per radar automotive, un set completo di chip per il front-end RF a banda stretta di segnali FMCW nei sistemi ACC è attualmente disponibile su base industriale. Eccellenti prestazioni potrebbero essere dimostrate anche nei sistemi radar commerciali. Una nuova fase di ricerca sviluppo ci consentirà di fornire dispositivi per un’ampia gamma di sistemi radar, consentendo ai progettisti di implementare nuovi sistemi in modo flessibile utilizzando componenti standard. I dispositivi a microonde e a onde millimetriche possono essere progettati e prodotti in modo semplice e in una forma coerente con le tecniche di saldatura adatte al metodo di montaggio flip-chip. Questa caratteristica eccezionale offre probabilmente soluzioni di produzione di massa ai mercati in crescita. La tecnologia GaAs migliorerà continuamente per soddisfare le esigenze del mercato.