在半导体与智能感知技术不断融合的背景下,GlobalFoundries(简称GF)与Egis Technology的最新合作代表了传感器产业迈向更高集成度和更低功耗的重要一步。此次双方以GF的55nm工艺平台为基础,采用前照式单光子雪崩二极管(SPAD)技术开发直接飞行时间(dToF)传感器,并将驱动电路、微控制器和测距内核集成到单芯片解决方案中。该方案在性能与成本之间寻求平衡,旨在为手机、物联网、汽车等多样化应用提供小型化、低功耗且易于量产的3D感测能力。本文围绕技术原理、工艺优势、应用场景、产业链与市场竞争格局进行深入解析,帮助读者全面理解此次合作的战略意义与落地潜力。 技术解读:何谓dToF与SPAD,为什么选择前照式与55nm? 直接飞行时间(dToF)传感器通过发射短脉冲光并测量光子从目标反射回传感器所需的时间来计算距离。这一方法在长距离测量、动态场景以及高精度测距方面具备天然优势。
与间接飞行时间(iToF)相比,dToF通常在距目标更远且对背景光干扰更鲁棒的条件下表现更好,因此适合需要高灵敏度与广阔测距范围的应用。 SPAD是一类能够在光子级别实现霍变检测的光电二极管,具备极高的时间分辨率和灵敏度,因此常被用于ToF系统中作为接收器。前照式SPAD(front-side-illuminated SPAD)相较于背照式设计在制造成本和工艺兼容性方面具有优势。虽然背照式在量子效率上常常更好,但前照式通过工艺优化可以有效降低暗计数率(dark count rate)并提升近红外响应,这对于手机激光自动对焦和近红外环境下的存在检测尤为重要。 GF选择55nm平台作为开发基础,反映出该工艺在混合信号、模拟与数模混合电路领域的成熟与成本效益。55nm工艺在集成驱动器、MCU与测距内核方面提供了合适的设计空间,既能满足传感器的模拟前端性能要求,又能将数字处理电路整合在同一晶片上,从而实现单芯片系统级解决方案。
对于目标是量产化与快速上市的传感器产品而言,成熟工艺带来的良率与产能优势至关重要。 单芯片集成的优势:尺寸、功耗、成本与量产的平衡 将发射驱动、接收前端、微控制器和测距算法整合在一颗芯片上,能够显著缩小模块尺寸并减少外部器件需求,这对手机、可穿戴设备和小型智能家电尤为重要。单芯片化降低了封装复杂度与PCB布局的难度,从而带来更高的可靠性和更低的BOM成本。 功耗是移动端和物联网终端的核心痛点之一。通过在芯片级进行系统设计优化,能够实现精细的电源管理、按需唤醒和低功耗待机模式,从而在不牺牲性能的前提下延长设备续航。此外,集成化降低了信号传输路径的损耗与延迟,有利于提升测距精度与时间同步性能。
在量产阶段,采用成熟的55nm工艺还有助于保证良率与制造稳定性。GF在新加坡的产线能够快速响应客户需求并提供量产能力,同时通过GlobalShuttle等设计支持项目协助客户完成芯片设计、封装和测试的路径优化,从而缩短从原型到规模化生产的时间。 市场应用与场景扩展:从指纹识别到3D感知 Egis Technology以指纹传感器制造商起家,深耕生物识别市场多年。此次向3D感应与dToF方向延伸,不仅是其产品线的自然升级,也是对未来智能终端需求的前瞻布局。dToF传感器可在多个场景发挥作用。手机与笔记本的激光自动对焦功能能够更快、更准确地完成对焦,尤其在弱光或高速移动场景下优势明显。
智能家电和楼宇自动化中的存在检测、距离感知与手势识别将提升设备交互的自然性与节能效率。工业与移动机器人、无人机等自主移动平台通过dToF实现障碍物检测与避撞,能够显著提升安全性与自主导航能力。汽车领域对高可靠性的远距感知同样有持续增长的需求,尤其是在座舱内监测和短距防撞等子领域。 技术挑战与工程难点 尽管单芯片dToF方案带来众多优点,但在工程实现上仍存在挑战。首先,SPAD器件的暗计数率控制至关重要。暗计数率受制造缺陷、温度以及器件设计影响,若控制不当会导致误触发与测距误差。
其次,在强环境光下保持高信噪比需要精细的光学设计与信号处理算法,包括脉冲宽度控制、时序管理和多次回波处理。再次,射频干扰、时钟抖动与电源噪声等会影响时间测量精度,要求芯片具备良好的电磁兼容设计与电源隔离策略。最后,封装与光学窗口设计对光学效率与系统可靠性同样重要,尤其是在消费电子等对外观有严格要求的产品中。 产业链协同与供应链考量 GF作为晶圆代工厂的角色不仅是提供工艺能力,还承担起帮助客户实现设计可制造性(DFM)、封装和测试的责任。GlobalShuttle等项目能够为客户提供从设计到量产的端到端支持,降低客户的技术门槛。此外,新加坡产线的可用性意味着面向亚太客户的供应链响应速度更快。
从组件供应角度看,ToF系统除了核心SPAD芯片外,还需要光源(如VCSEL或微型激光器)、光学滤波件、透镜与封装材料。各环节的配合决定了最终产品的成本与性能。近年来,全球对更多在地化生产的需求增加,推动了代工厂与传感器厂商之间更紧密的合作,以规避供应链中断风险并满足本地市场的法规和采购偏好。 竞争格局与差异化路径 ToF和3D感测市场已有多家实力厂商在不同工艺节点与市场定位上展开竞争。大公司通常拥有完整的光电一体化能力及更强的系统级设计资源,而中小厂商则可能在特定垂直市场或成本优化上找到机会。GF与Egis的合作通过结合成熟工艺平台与生物识别厂商的市场渠道,试图实现技术与市场的快速对接。
差异化路径包括在低功耗高灵敏度方面实现突破、在小型化与封装一体化上提供更具吸引力的解决方案、或通过软硬结合(即芯片+算法)提升系统鲁棒性与用户体验。 对终端厂商与开发者的意义 对于手机厂商、家电厂商和机器人开发者而言,能够获得体型更小、功耗更低、成本更可控的dToF模块意味着产品设计更具灵活性。单芯片方案降低了集成复杂度,缩短了产品开发周期,使得中小型OEM也能在短时间内推出带有先进3D感测能力的产品。此外,通过与GF的合作,Egis能够借助代工厂的设计支持与量产能力,为客户提供从参考设计到样机验证的完整服务,降低了技术采纳门槛。 政策与市场趋势的外部推动力 全球范围内对智能设备的隐私、安全与本地化生产愈发重视。3D感测技术在生物识别、行为识别与环境感知方面的应用,恰恰能满足消费者对更自然交互与更高安全性的期待。
同时,地缘政治与贸易政策变化促使品牌厂商寻求更稳健的供应链与多地点产能。GF在不同地区的制造布局与对客户设计服务的延伸,能够为设备厂商提供一定程度的供应链弹性。 未来展望:技术进化与市场落地的节奏 短期内,可预见的是基于55nm前照式SPAD的dToF模块将率先切入需要小型化与成本敏感的市场,如智能门锁、家电存在检测、入门级手机的激光对焦模块等。中期来看,随着算法优化、封装技术进步与光源成本下降,该方案可能被更广泛地应用于中高端消费电子与机器人平台。长期则取决于SPAD器件性能的持续提升、近红外光学元件的成熟以及系统级功耗的进一步降低。若能够在暗计数率、量子效率和环境鲁棒性方面取得显著进展,dToF有望在更多主动避障、高精度手势识别和车内监控等领域取代传统传感方案。
总结:意义与挑战并存 GlobalFoundries与Egis的合作在技术上结合了SPAD高灵敏度、dToF高精度测距与55nm工艺的量产友好性,在产业链上则通过GF的新加坡产线与GlobalShuttle项目提供了快速量产和设计支持的路径。该合作既满足了指纹传感厂商向3D感测延展的战略需求,也为移动、物联网与汽车等领域带来更具成本竞争力的单芯片感知方案。然而,工程上的暗计数控制、强光环境鲁棒性以及封装与光学配套仍是需要持续攻关的问题。总体而言,此次合作代表了智能感知向更高集成化、更低功耗及更广泛市场化迈进的重要进展,值得关注其后续在量产规模、客户采纳与应用生态方面的演进。 。
