從技術(shù)角度看汽車的演變 ADAS系統(tǒng)迎接新時(shí)代的需求和挑戰(zhàn)

作者：Asif Chowdhury，UTAC集團(tuán)高級(jí)副總裁

諸多證據(jù)表明，ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）可以讓車輛更加安全，而很多消費(fèi)者都表示希望看到這些系統(tǒng)發(fā)展實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化。然而，無(wú)論是當(dāng)今的半自動(dòng)駕駛車輛還是完全自動(dòng)駕駛第5級(jí)車輛，它們所采用的ADAS系統(tǒng)都給人一種猶抱琵琶半遮面的感覺(jué)。

本文將從支持這些系統(tǒng)所需的底層技術(shù)出發(fā)，闡述ADAS系統(tǒng)在這一演進(jìn)過(guò)程中能滿足我們的哪些期待，以及半導(dǎo)體行業(yè)如何應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)。

從技術(shù)角度看汽車的演變

汽車的持續(xù)電氣化意味著如今的車輛與十年前的車輛已經(jīng)幾乎沒(méi)有任何相似之處。這很大程度上是因?yàn)檐囕v管理的幾乎方方面面都采用了電子技術(shù)。然而，ADAS系統(tǒng)的出現(xiàn)是另一個(gè)重要的促進(jìn)因素，而正是對(duì)增強(qiáng)的連接（部分是為了支持自動(dòng)駕駛）、更嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)以及更高的駕乘舒適度的需求不斷增加推動(dòng)了該系統(tǒng)的出現(xiàn)。

事實(shí)上，據(jù)電子行業(yè)分析公司Prismark的預(yù)測(cè)，截至2022年，汽車電子市場(chǎng)的規(guī)模將從1990億美元增長(zhǎng)至2890億美元，如圖1所示。有趣的是，這一數(shù)字相當(dāng)于45%的增長(zhǎng)，而同期的汽車產(chǎn)量增長(zhǎng)估計(jì)只有13%。之所以這樣，原因之一是每輛汽車的電子設(shè)備價(jià)值預(yù)計(jì)將從2016年的約2000美元/輛上升到2022年的2700美元/輛，而其中表現(xiàn)最強(qiáng)勁的應(yīng)用領(lǐng)域是電氣化(19%)和ADAS(15%)。

圖1：2016-2022年的汽車電子市場(chǎng)。來(lái)源：Prismark 2018年10月

目前使用的ADAS系統(tǒng)

目前，汽車自動(dòng)駕駛被分為了0-5級(jí)，其中0級(jí)代表傳統(tǒng)汽車，駕駛員在所有情況下都擁有對(duì)車輛的完全控制權(quán)，而在安全氣囊和輪胎壓力測(cè)量等方面則采用標(biāo)準(zhǔn)的被動(dòng)傳感器。

最近，汽車制造商推出了新的電子系統(tǒng)來(lái)為車輛駕駛員提供輔助，從而刺激了自動(dòng)駕駛的發(fā)展。這促成了采用第1級(jí)和第2級(jí)ADAS系統(tǒng)的半自動(dòng)駕駛車輛的出現(xiàn)。反過(guò)來(lái)，這又推動(dòng)了對(duì)車輛內(nèi)集成的傳感器模塊數(shù)量和種類的要求，例如增加了加速度計(jì)和陀螺儀、超聲波傳感器和方向盤(pán)角度傳感器。除此之外，還快速采用了視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)加強(qiáng)導(dǎo)航與制導(dǎo)，以及圖像傳感器（后視、前視和環(huán)視攝像頭）、雷達(dá)和盲點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)提高安全性。此外，ADAS系統(tǒng)還被用于為自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)、車道保持輔助和駐車輔助等功能提供支持。

自動(dòng)駕駛的明天

最近，光探測(cè)和測(cè)距(LiDAR)傳感器模塊已開(kāi)始投入實(shí)際運(yùn)用，以支持更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛。LiDAR系統(tǒng)幾乎完全供車輛自身的系統(tǒng)而非人類駕駛員使用，并且被集成到第一代第3級(jí)半自動(dòng)駕駛車輛中。第3級(jí)車輛有望配備ADAS系統(tǒng)，以支持在特定情況下的自動(dòng)駕駛，例如駐車和高速公路行駛。隨著汽車行業(yè)向第4級(jí)自動(dòng)駕駛的發(fā)展，預(yù)計(jì)在2020-2025年期間，每年將生產(chǎn)多達(dá)1000萬(wàn)輛第3級(jí)自動(dòng)駕駛車輛。

LiDAR系統(tǒng)也被認(rèn)為是全自動(dòng)駕駛的第4級(jí)車輛必不可少的系統(tǒng)，預(yù)計(jì)在2025-2030年期間，每年將推出500萬(wàn)輛此類汽車。事實(shí)上，許多IDM以及設(shè)計(jì)公司都在研究固態(tài)LiDAR技術(shù)，該技術(shù)需要利用先進(jìn)的技術(shù)和材料來(lái)提供完全定制的封裝解決方案。

隨著行業(yè)向第3級(jí)甚至更高級(jí)別發(fā)展，預(yù)計(jì)支持ADAS系統(tǒng)所需的傳感器模塊數(shù)量將迎來(lái)大幅增長(zhǎng)。如圖2所示，這在第4/5級(jí)時(shí)尤其如此，圖中顯示了每輛汽車在每個(gè)自動(dòng)化級(jí)別下所需的攝像頭、RADAR和LiDAR傳感器模塊數(shù)量的預(yù)計(jì)增長(zhǎng)情況。

圖2：每個(gè)自動(dòng)化級(jí)別下一輛汽車所需的雷達(dá)、攝像頭和LIDAR模塊的數(shù)量。來(lái)源：?Infineon Technologies AG。

最終，第4/5級(jí)車輛預(yù)計(jì)將搭載ADAS系統(tǒng)，用以監(jiān)測(cè)或控制駕駛環(huán)境的幾乎所有方面。從技術(shù)角度來(lái)看，這將包括系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和傳感器融合等。與此同時(shí)，從制導(dǎo)和導(dǎo)航的角度來(lái)看，ADAS系統(tǒng)可能會(huì)直接影響和實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量、交通標(biāo)志識(shí)別、車道重建、精確定位和實(shí)時(shí)地圖功能?；蛟S最重要的是，它還可能在涉及潛在碰撞和駕駛規(guī)則執(zhí)行的關(guān)鍵仲裁中取代駕駛員的人工決策。

半導(dǎo)體封裝行業(yè)如何做好準(zhǔn)備

半導(dǎo)體封裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車市場(chǎng)內(nèi)最新趨勢(shì)的內(nèi)在因素，而OSAT（外包半導(dǎo)體組裝與測(cè)試）已經(jīng)做好準(zhǔn)備，以便支持向更先進(jìn)的ADAS系統(tǒng)和更高水平的汽車自動(dòng)駕駛發(fā)展。

有望成為下一階段汽車運(yùn)營(yíng)主要部分的一個(gè)領(lǐng)域是數(shù)字處理。這方面的趨勢(shì)是更多引腳數(shù)的封裝，包括BGA。更小間隙QFP的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，因?yàn)樗鼈兛商峁└叩囊_密度，并且它也是一種成熟的汽車封裝解決方案。預(yù)計(jì)模擬設(shè)備仍將繼續(xù)依賴于引腳框架，因此對(duì)QFN型封裝的需求將增加。

此外，雖然傳統(tǒng)上使用陶瓷板，但由于電機(jī)控制應(yīng)用的高功率要求，現(xiàn)在正轉(zhuǎn)向采用模壓封裝和金屬絕緣板安裝解決方案。雖然引腳框架仍然是功率器件的首選封裝方式，但對(duì)更高運(yùn)行頻率和更低導(dǎo)通電阻的需求使得新封裝類型得以引入，從而盡可能地減少寄生電感和電容。銅夾互連（簡(jiǎn)稱為Cu Clip）就是例子之一，它不僅可以降低RDSon，還能提高交換性能。

汽車向更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛和電氣化方向發(fā)展也帶來(lái)了對(duì)更大處理能力的需求。因此，汽車行業(yè)現(xiàn)在也在使用功能更強(qiáng)大的微處理器。這使得引腳數(shù)約為100個(gè)的基本8位器件開(kāi)始向引腳數(shù)超過(guò)600個(gè)的32位處理器轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)在用于這些器件的封裝類型的例子之一是倒裝芯片球柵格陣列(FCBGA)。

汽車行業(yè)的另一個(gè)主要趨勢(shì)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)零故障的要求。這種“零缺陷”的呼聲對(duì)半導(dǎo)體封裝公司提出了更高的要求，他們需要確保自己的器件完全無(wú)故障。因此，在封裝和將封裝焊接到電路板的過(guò)程中，必須以一種能夠消除任何潛在故障的方式進(jìn)行。

這主要涉及到半導(dǎo)體封裝在制造過(guò)程中的應(yīng)用便捷程度。為了確保嚴(yán)格的質(zhì)量控制和質(zhì)量保證，現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)做法是遵循自動(dòng)檢測(cè)流程，更具體地說(shuō)也就是自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(AOI)。

值得注意的是，采用側(cè)引線電鍍(SLP)的可潤(rùn)濕側(cè)翼QFN封裝成為了汽車應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。它形成的焊接圓角可為AOI設(shè)備提供可檢測(cè)的接頭，采用這種封裝技術(shù)大大拓寬了QFN在汽車行業(yè)的運(yùn)用。

除了SLP QFN之外，汽車行業(yè)的許多半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商還采用了Cu Clip技術(shù)，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)比絲焊互連更高的載電流容量，同時(shí)還能降低電感和電阻。Cu Clip的高功率特性已被運(yùn)用于獨(dú)立功率晶體管中，而目前的制造工藝已允許將其應(yīng)用于多芯片封裝，以便在一個(gè)綜合器件中滿足功率和控制的需求。

結(jié)語(yǔ)

隨著汽車行業(yè)在車輛中引入更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛，半導(dǎo)體封裝技術(shù)在提供更加集成、可靠和高效的器件方面愈發(fā)顯得至關(guān)重要，這將使得更先進(jìn)的ADAS系統(tǒng)得以運(yùn)用。目前的半自動(dòng)車輛到第4級(jí)和第5級(jí)完全自動(dòng)駕駛車輛有望將以更快的速度繼續(xù)發(fā)展，而ADAS系統(tǒng)將成為其不可或缺的一部分，以便提供增強(qiáng)的導(dǎo)航、更高的安全性、更高的連接性，并持續(xù)提升舒適性。應(yīng)對(duì)所有這些挑戰(zhàn)離不開(kāi)高質(zhì)量的創(chuàng)新封裝解決方案，而OSAT在汽車半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中處于理想位置，能夠提供相關(guān)的服務(wù)。

UTAC是汽車OSAT供應(yīng)商中排名第三的OSAT。憑借其最先進(jìn)的汽車組裝和測(cè)試服務(wù)，UTAC的汽車質(zhì)量在業(yè)界名列前茅。UTAC在多個(gè)垂直領(lǐng)域的半導(dǎo)體組裝和測(cè)試方面擁有專業(yè)技術(shù)，特別是在支持針對(duì)汽車市場(chǎng)的IDM和無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體公司方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。
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