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ManBetX万博体育官网在线登录科技:携下一代多结高功率车规级VCSEL布局智能汽车市场(MEMS微访谈)

发布时间:2023年06月09日

访谈背景:ManBetX万博体育官网在线登录(以下简称“ManBetX万博体育官网在线登录科技”)创始于2017年,是一家全球技术领先的垂直腔面发射激光器(VCSEL)供应商,公司产品定位高端市场,依托国际一流的光电芯片设计与品质管控能力,产品覆盖消费电子、车载、数据通信三大领域。麦姆斯咨询一直关注ManBetX万博体育官网在线登录科技的成长历程,曾分别在2018年公司创业伊始、2020年完成2亿元A+轮融资之际对ManBetX万博体育官网在线登录科技进行过专访。近些年,随着激光雷达(LiDAR)、智能座舱、车内光通讯等智能汽车应用的蓬勃兴起,VCSEL作为核心光源器件即将迎来第二波传感应用的市场需求浪潮。ManBetX万博体育官网在线登录科技凭借全球稀缺的下一代多结高功率车规级VCSEL芯片技术,正顺势而为积极布局智能汽车市场。在此背景下,麦姆斯咨询再次采访了ManBetX万博体育官网在线登录科技首席执行官(CEO)James Liu博士,揭秘ManBetX万博体育官网在线登录科技的智能汽车领域VCSEL产品矩阵和市场规划。

麦姆斯咨询:James Liu博士,感谢您再次接受麦姆斯咨询的专访!自2020年专访至今已过3年时间,其中也经历过疫情的考验,ManBetX万博体育官网在线登录科技在此期间取得了哪些值得关注的里程碑事件?抓住了哪些市场机遇?

James Liu:过去3年来,ManBetX万博体育官网在线登录科技在VCSEL的三大落地关键领域(车载、数据通信、消费电子)完成了芯片开发及下一代芯片技术储备,VCSEL模组产品开发落地取得了较大进展。

在车载应用方面,ManBetX万博体育官网在线登录科技凭借领先的多结外延设计技术,已完成全场景的车规级VCSEL产品矩阵布局与技术储备。其中,驾驶员和乘客监控系统(DMS/OMS)模组产品已于2022年通过AEC-Q102车规认证,正进入国产替代落地过程;同时,车规级激光雷达VCSEL芯片已与国内头部车企、激光雷达厂商以及车路协同方案领导厂商达成战略合作,将从2024年开始,逐步释放技术积累带来的营收贡献。

在数据通信方面,ManBetX万博体育官网在线登录科技基于6英寸晶圆工艺的数据通信VCSEL产品在国内处于第一梯队。其中,25G数据通信芯片已经开始量产,56G PAM4数据通信芯片已经完成内部测试,并通过业界多家客户的测试,性能处于业界领先水平,计划今年开始批量出货。112G-PAM4数据通信芯片进入研发流片阶段。过去几年,公司重点投入6英寸晶圆工艺调优与量产良率提升,在未来市场渗透率提升期将具有极大的成本优势。同时,公司与客户的前瞻研发团队,正在光电集成的CPO光引擎产品及多波长通信产品领域合作,共同定义下一代产品形态。

在消费电子方面,ManBetX万博体育官网在线登录科技已完成多品类多结VCSEL产品矩阵的部署,在产品性能、可靠性、成本、技术支持与服务等方面,均取得行业龙头客户的认可。其中,近距离传感VCSEL模组、结构光VCSEL模组、3D飞行时间(ToF)VCSEL芯片已与行业头部客户达成量产合作,目前正在稳定出货中。

麦姆斯咨询:请您谈谈消费电子、车载、数据通信三大应用领域的VCSEL市场现状,市场需求端分别出现了哪些变化,对VCSEL提出了哪些新要求?

James Liu:就市场现状而言,VCSEL行业前5大厂商垄断了93%的市场份额,而国外双寡头就垄断了80%的市场份额(Lumentum占据42%,II-VI占据37%),产业链正在加速垂直整合。展望未来,在全球范围内VCSEL市场未来5年复合年均增长率(CAGR)排名前三的细分领域将包括车载(97%)、数据通信(22%)和移动消费(16%),其中,车载应用有望成为最大的细分市场。在发展更为迅速的的中国市场,我们根据市场现状及趋势判断,未来5年,这三大细分市场的总规模有望从10亿元增长至50亿元,CAGR达到40%以上,市场空间巨大。具体来说:

车载市场方面,智能电动汽车将催生包含DMS/OMS、舱外激光雷达、车载光通信、车路协同等新需求。其中,伴随隐私安全等标准提升与座舱内监控、交互方式的增加,VCSEL的渗透率将逐渐提升,替代原有LED的补光方案。这要求VCSEL能在满足车规认证的条件下工作,并在成本方面接近LED。对于舱外激光雷达,考虑到主机厂对激光雷达的降本需求,以VCSEL代替传统EEL的方案也将越来越多地被应用。特别是在补盲激光雷达领域,全固态激光雷达采用VCSEL作为发光源已成为行业共识,这要求VCSEL能够在满足光功率密度的情况下,在可靠性、发散角、二维(2D)可寻址驱动控制等方面能够更好的匹配客户需求。在车载光通信领域,欧盟也正在出台法规,制定下一代车内通信标准,以光纤为传输介质的近距离高速通信将渐渐为VCSEL上车提供更多的舞台。面对车规级应用,满足车内通信的可靠性需求也对VCSEL芯片提出更高要求。另外,车路协同激光雷达开始逐步量产,预期其市场容量是车载用量的两倍,主要以中距离的Flash固态激光雷达产品为主,VCSEL应用方案也在逐步进入头部客户的视野,同样在光功率密度、可靠性、发散角等方面对VCSEL提出了更高要求。

数据通信市场方面,伴随人工智能(AI)算力需求增加以及LPO封装模式带来的功耗降低,未来近距离400Gbps、800Gbps通信所需要的高速率VCSEL芯片(56G-PAM4、112G-PAM4)需求前景巨大。此类应用,除了需要保持高速率下的性能优势,对于产品性价比、可靠性方面也有高要求。

消费类市场方面,3D传感应用场景将在手机端之外的领域不断扩展,需要VCSEL供应商根据客户的需求灵活定制产品。由于消费市场的需求数量巨大,对于VCSEL产品的一致性、可靠性以及成本控制提出了更高的要求。

麦姆斯咨询:请您介绍一下ManBetX万博体育官网在线登录科技针对上述三大应用领域提供的VCSEL产品矩阵,另外能否介绍一些典型客户及案例?

James Liu:我们已经完成了上述三大应用领域的全面产品布局,ManBetX万博体育官网在线登录科技定位提供高品质VCSEL,与行业龙头客户进行深度合作。


ManBetX万博体育官网在线登录科技高品质VCSEL产品矩阵

(1)车载领域:布局全场景的车规级VCSEL产品矩阵,包含智能座舱DMS/OMS产品、半固态与全固态的激光雷达产品以及车内高速通讯产品(未来)。目前,国内前10的激光雷达企业中已有7家与我们建立合作。ManBetX万博体育官网在线登录科技目前已获得头部激光雷达厂商定点,争取获得第一供应商地位。对于某头部客户,凭借新一代“重构多结”技术芯片综合性能(光功率密度达到3000-5000W/mm2,发散角为15-17°,具有优异高温特性)及可靠性优势,公司已获得独家定制且成为第一供应商。

(2)数据通信领域:ManBetX万博体育官网在线登录科技的数据通信VCSEL产品在国内处于第一梯队,凭借团队在此领域的深厚积累,具有成为国内数据通信No. 1的极高潜力。目前25G芯片产品已通过国内20多家主流模组厂商的性能测试。新一代PAM4产品开发方面,56G PAM4数据通信产品,模组级别重要指标TDECQ < 1dB(行标 < 4dB)& ER = 4dB(行标需 > 3dB),与世界顶级供应商性能相近,预计2023年内实现量产;112G PAM4数据通信产品也是2023年的重要迭代项目,目前,初版产品正投产验证中。

(3)消费电子领域:例如3D结构光、3D ToF等应用的多款VCSEL产品正在与国内一线厂商合作,ManBetX万博体育官网在线登录科技是国内第一家在线下支付领域量产结构光VCSEL芯片的供应商。2D线结构光VCSEL产品业界领先,是扫地机器人龙头企业的第一供应商。在智能手机近距离传感应用方面,公司目前已成为某国内头部屏下传感方案商“psensor项目”的首选供应商。另外,公司开发的多结VCSEL具有目前业界最佳的光斑质量,正与国内外多家龙头方案公司就dToF应用开展独家订制,并已开始批量出货。

麦姆斯咨询:相比边发射激光器(EEL),为什么说VCSEL是下一代全固态激光雷达光源的理想之选?

James Liu:VCSEL在光功率密度方面已经高达3000~5000W/m²等级,与EEL相比,在实际使用中已经没有明显劣势。同时,VCSEL产品不论是在未来2D可寻址的芯片整合(更容易)、整机封装(更容易)、工艺难度(更低),还是在价格成本(更低)方面,都显著优于EEL,更有利于下一代全固态激光雷达光源的落地实现。

麦姆斯咨询:多结高功率VCSEL芯片是实现高性能全固态中远程激光雷达的底层关键元器件,随着汽车激光雷达市场的需求增长,成为全球VCSEL领先厂商的重点布局产品。请问ManBetX万博体育官网在线登录科技的多结高功率VCSEL芯片有哪何优势和特点?另外布局了哪些核心专利?

James Liu:ManBetX万博体育官网在线登录科技的多结高功率VCSEL芯片,具有高功率密度激光输出、小发散角的优势,同时保有高可靠性优势。

ManBetX万博体育官网在线登录科技的多结高功率VCSEL外延设计,不同于国内其他厂商的设计技术路线。ManBetX万博体育官网在线登录科技的技术路线,采用单氧化层设计,更接近于国外VCSEL大厂Lumentum。相对来说,重构多结的外延设计,内部技术确实有很多诀窍(know-how),ManBetX万博体育官网在线登录科技也是从2021年开始切换技术路线,并在近2年的持续迭代中,成功开发出与世界一流大厂相近的重构多结外延设计,并通过客户验证,能够承受激光雷达更高的功率密度输出。

由于材料应力的变化及氧化工艺过程中产生的晶体缺陷,激光雷达VCSEL芯片较容易发生产品失效的位置是水氧化层。国内其他厂商大多采用多层水氧化层设计方案以实现多结高功率VCSEL。ManBetX万博体育官网在线登录科技设计的“单层”水氧化层设计方案,更能有效降低激光雷达产品发生失效的机率,同时更能够在不损失光功率情况下,保持低发散角的优势。

此外,ManBetX万博体育官网在线登录科技的重构多结外延设计,大幅简化了生产步骤,提高了产品良率,从而有效降低代工厂及后续制程工厂的生产成本。这对于全固态中远程激光雷达产品落地,更是一大优势。

针对ManBetX万博体育官网在线登录科技的重构多结外延设计,在外延设计有效控制“单层”水氧化层外延设计、有效降低发散角,以及制程代工厂降低VCSEL失效机率等多方面,我司都已有相关的专利布局。

麦姆斯咨询:多结高功率VCSEL在制造方面有哪些难点或挑战?ManBetX万博体育官网在线登录科技在供应链管控和保质降本方面做了哪些工作?

James Liu:多结高功率VCSEL的技术难点之一在于外延及工艺的掌控性与稳定性。多层水氧化层多结外延在成长阶段,如何有效且精准控制各个水氧化层的厚度及外延质量是一大“关卡”。同时,除了水氧化工艺本身的控制性及均匀性之外,前步刻蚀工艺的深度也会直接影响水氧化结果,进而影响光电性能,缩小工艺之间的容错性窗口。上述两大难点将大幅降低芯片量产良率,进而增加生产成本。

相对而言,ManBetX万博体育官网在线登录科技的重构多结外延设计可有效控制并降低外延及工艺生产成本,与代工厂间是互利互惠的结果,同时也能有效降低激光雷达产品发生失效的机率,更能够保持住低发散角的优势(不损失光功率情况下)。

麦姆斯咨询:下一代全固态激光雷达提出了1D/2D可寻址分区扫描需求,ManBetX万博体育官网在线登录科技在1D/2D可寻址VCSEL阵列方面有哪些布局?

James Liu:1D可寻址方案主要核心是分区点亮,每个区域对应场景中的某一条横、竖区域。ManBetX万博体育官网在线登录科技已有成熟的供应链准备,现阶段同时有几款1D可寻址产品开发。值得一提的是,针对每区间距100微米以下的VCSEL芯片设计,ManBetX万博体育官网在线登录科技也有相对应的技术开发可符合客户需求,只是在后端模块封装阶段,对于走线、焊盘、打线、驱动布置等仍然有技术难点需要克服。

2D可寻址主要是在两个方向上做分区,以电寻址扫描的方式实现全场景覆盖和扫描。根据设计又可分为“全随机”及“伪随机”可寻址。“全随机”是每区独立走线、独立焊盘,所以可独立控制,但也因此,随着分区数量增加,对应焊盘数量也增加,将大幅增加芯片面积及成本。而“伪随机”的设计则可大幅减少焊盘数量,如下图中显示的是8×8的64区示意图,“伪随机”只需有16个焊盘及驱动即可,并不像1D可寻址或全随机设计,64个分区就要匹配64个通路。此外,“伪随机”2D芯片会将所有的阳极和阴极都放在同一个平面上,方便驱动连接,增加灵活性,缺点是工艺制程较多,且需要搭配外延设计,在扫描应用上也略较“全随机”受限。

不论“全随机”或“伪随机”2D可寻址,ManBetX万博体育官网在线登录科技也都有相对应的外延及工艺技术,可针对客户需求订制开发,并且对于“伪随机”2D可寻址通道间漏电导致串扰问题的改善以及减少边缘区域与中心区域因阻值造成光电性能差异部分,都已经有相关的专利布局。

“全随机”2D可寻址示意图


“伪随机”2D可寻址示意图,只需要16路驱动(8路阳极和8路阴极)即可实现64区可寻址扫描

麦姆斯咨询:VCSEL进入智能汽车供应链需要面对很高的车规认证“门槛”,ManBetX万博体育官网在线登录科技在这方面有何进展?如何确保车载VCSEL产品的品质和可靠性?

James Liu:ManBetX万博体育官网在线登录科技车载OMS/DMS应用的VCSEL投射器产品,激光雷达半固态/固态1D可寻址多款VCSEL芯片已通过车规AEC-Q102认证。目前,ManBetX万博体育官网在线登录科技在每一款新产品的研发设计、样品验证、试生产直到量产导入过程中,都进行了高标准的功能性能、可靠性、模拟寿命以及售后失效模式的监测验证管控,以保证每一颗ManBetX万博体育官网在线登录科技VCSEL芯片的高质量与高可靠性。例如,我们针对一款ToF VCSEL芯片进行了长达半年的Wafer Quality寿命测试监控,模拟芯片全生命周期使用后的PCE指标和光功率,结果指标始终保持在±2%的波动范围内。我们还针对三款VCSEL芯片(包括车载应用芯片)进行了长达1000H的高温性能测试,光功率的衰减率保持在0.8%以内,在5000H的高温性能测试后,芯片光功率的衰减率还能保持在6.7%以内,达到了世界领先水平。


一款ToF VCSEL芯片长达半年的Wafer Quality寿命测试监控


三款VCSEL芯片的1000H高温性能测试

麦姆斯咨询:VCSEL产业IDM模式的门槛较高(需要大量资金投入),ManBetX万博体育官网在线登录科技最初采用的是Fabless模式,现在逐步发展并探索构建了具有芯片设计、制造、封测与品控核心壁垒的“虚拟IDM”模式。“虚拟IDM”有何优势和意义?

James Liu:VCSEL产业IDM模式的门槛较高,全流程的芯片设计和制造对于国内企业来说仍旧是一笔巨大的支出,因此,国内有IDM模式的企业甚少,更遑论IDM模式的模拟芯片企业。随着IDM、Foundry、Fabless三大模式的发展,ManBetX万博体育官网在线登录科技从中探索出新的芯片制造模式。

因为传统IDM投资成本高、工艺调优难,虚拟IDM(Virtual IDM)现成为ManBetX万博体育官网在线登录科技采取的新模式,且具有轻资产、响应快,带来高品质的优点,三种主要模式的对比图如下:


虚拟IDM模式的优势

ManBetX万博体育官网在线登录科技不仅专注于芯片设计环节,还拥有自主的工艺平台与工艺技术。虽然产线本身不属于我们,但我们可基于代工厂的产线资源进行晶圆制造工艺专利的开发与优化,代工厂再按照其制造工艺进行生产。这让虚拟IDM有能力拓展高端产品,与相对低毛利的Fabless实现差异化竞争。由于ManBetX万博体育官网在线登录科技相较于其他Fabless供应商,拥有较强的工艺制造/设计工艺流程的能力,同时可以进一步建议代工厂开发先进制程,这让ManBetX万博体育官网在线登录科技能够采取虚拟IDM模式,有更大的底气。

由于ManBetX万博体育官网在线登录科技能够采取虚拟IDM模式,国际市场供需链将不受影响,很好地避免了成本花费 (人力资源/固定成本花费),更有利于让ManBetX万博体育官网在线登录科技与代工厂成为互利共生的合作伙伴。

麦姆斯咨询:我们关注到ManBetX万博体育官网在线登录科技不仅仅做VCSEL芯片,还沿着“光芯片→光模组→光引擎”路径发展,不断提升产品价值和服务能力,您可以介绍几个典型案例吗?

James Liu:在消费电子领域,ManBetX万博体育官网在线登录科技有众多VCSEL产品通过模组出货,直接供给终端客户。比如扫地机器人的2D线结构光方案与3D iToF方案,目前ManBetX万博体育官网在线登录科技均使用自主开发的VCSEL芯片搭配自有工艺的光学模组出货,分别成为两大头部客户的第一大供应商。此外,在汽车智能座舱领域,ManBetX万博体育官网在线登录科技在2022年就有车载OMS/DMS模组产品通过AEC-Q102的车规级认证,预计2023年量产上车。

在光引擎方面(光芯片+电芯片集成),ManBetX万博体育官网在线登录科技自建电路设计团队,与国内头部模组厂商共同开发光引擎(例如手机移动端用3D ToF收发模组、车载端激光雷达用VCSEL芯片与驱动电路集成方案),未来ManBetX万博体育官网在线登录科技将与合作伙伴一道,进一步发挥光芯片与电芯片的集成化优势,为客户提供创新价值。

麦姆斯咨询:在集成化应用方面,ManBetX万博体育官网在线登录科技布局了哪些关键技术和专利?例如集成光学技术。

James Liu:ManBetX万博体育官网在线登录科技同时也持续积累倒装(背出光)及微透镜技术。

背出光倒装VCSEL芯片将阳极和阴极制作于同一面,具有较佳的集成能力,并可降低因打线所引发的寄生电感,同时提供良好的散热能力而获得更高的光电性能。ManBetX万博体育官网在线登录科技已有背出光样品,工艺技术基本定型,处于性能持续迭代优化阶段,未来依据市场及客户需求,可随时切入产品开发应用。

微透镜内部样品为正出光VCSEL芯片整合微透镜方案,已验证VCSEL出光发散角可控,但因正出光发光孔面积有限,无法有效大范围调控光束,预期需要在背出光VCSEL芯片上才有较大的应用空间。微透镜技术将与VCSEL工艺一同在代工厂制作,不但可有效控制良率,还可省去对应光学器件的成本,并降低整体模块的体积。

整体来说,ManBetX万博体育官网在线登录科技的集成技术路线先以倒装技术为主,后续将再经过技术积累及光学仿真切入微透镜技术。背出光搭配可寻址等复合技术整合已经有相关的专利布局。

麦姆斯咨询:目前,国内从VCSEL设计到GaAs外延及晶圆制造,再到模组/系统应用等各个产业链环节日臻成熟。您如何看待现在的国内VCSEL生态环境及竞争格局?ManBetX万博体育官网在线登录科技如何确保领先优势?

James Liu:近年来,国内VCSEL生态取得了可喜的进展,除了VCSEL设计厂商外,国内也有多家VCSEL关联企业在GaAs平台的6英寸晶圆材料、外延生长、芯片代工等产业链上下游布局发展。但从行业聚集度来看,VCSEL产业链上游仍主要由海外/中国台湾厂商主导,中游基本被海外大厂垄断。从产业终局的角度来看,国内VCSEL厂商也会形成金字塔梯队,而在金字塔顶端的VCSEL厂商不会超过3家。正如1990年代,美国光通信泡沫时代VCSEL厂商有100多家,而最终仅剩金字塔顶尖的3家。这场竞争的入场券是产品性能,而最终的决胜因素在于芯片包括可靠性在内的品质与成本控制。

ManBetX万博体育官网在线登录科技拥有车载、数据通信、消费三大应用领域的完整芯片设计能力与量产落地经验,目前是全球范围内真正意义上唯一一家覆盖手机/XR、智能汽车、AI服务器三大高端产品场景的国产VCSEL供应商,并且与这三大领域的龙头客户都有深度合作。ManBetX万博体育官网在线登录科技的核心竞争优势体现在以下3方面:

首先,我们的团队在VCSEL领域拥有二十多年经验,积累了深厚的品质和可靠性管控能力,在过去几年累计千万级芯片的出货量中做到了芯片的零失效。

其次,ManBetX万博体育官网在线登录科技采用独具优势的“虚拟IDM”模式,确保客户获得高品质产品,以及有竞争力的价格,这对于目前VCSEL市场发展阶段是更合适的选择。VCSEL是偏模拟芯片的概念,对品质控制、迭代要求比较高,ManBetX万博体育官网在线登录科技凭借“虚拟IDM”模式,能够全程把控设计、制造、封测、中间制造工艺。我们在代工厂有购置自己的机台,当地数据会实时上传,可进一步加快产品迭代与问题溯源。

此外,ManBetX万博体育官网在线登录科技的供应链体系有深厚的基础,在供应链端梯次布局。ManBetX万博体育官网在线登录科技在中国台湾有常驻团队,全球VCSEL领域Top 1/Top 2代工厂由公司创始人兼首席科学家联系搭建,并保持多年良好的合作关系。考虑到国产替代和自主可控,ManBetX万博体育官网在线登录科技2020年初开始同国内领先的VCSEL代工伙伴合作,工厂工艺由ManBetX万博体育官网在线登录科技的台湾团队一起协助建立完善,目前已实现了消费电子VCSEL芯片的规模量产。不过,国内对于车载等高端芯片的6英寸VCSEL的大规模代工量产能力大约还需要4-6年时间才能成熟。随着VCSEL应用的爆发,未来ManBetX万博体育官网在线登录科技会考虑进一步整合并购芯片关键代工环节,完成对部分高端产品线的IDM闭环。

麦姆斯咨询:最后,请您畅谈ManBetX万博体育官网在线登录科技的下一个目标里程碑或规划设想。

James Liu:正如我们公司的愿景——“成为全球光芯片行业的领导者”,ManBetX万博体育官网在线登录科技的下一个里程碑是在国产芯片渗透率不到1%的高端VCSEL芯片领域(如车载VCSEL芯片、112G-PAM4 VCSEL芯片、手机用高端dToF VCSEL芯片等)获得超过10%的份额,并且逐渐将VCSEL设计能力、工艺能力转移到国内,逐步构建起高价值VCSEL模组的制造能力。

我们认为VCSEL行业与10多年前的LED行业、光伏电池行业非常相似,大规模的需求爆发正在酝酿之中,产业正在从欧美向亚洲(中国)加速转移。目前高端国产VCSEL芯片的份额不到1%,在十年后,或许国产VCSEL的渗透率能超过80%。所以在通过“虚拟IDM”模式磨合了车载、数通、消费的高端VCSEL设计能力与工艺能力之后,ManBetX万博体育官网在线登录科技将进一步布局制造能力,与同行一道,为中国高端光芯片的崛起及全球一流光电人才的培育贡献力量。