怎么保证LiDAR(激光雷达)的安全性

辅助驾驶系统(ADAS)中的传感器封装是至关重要的

辅助驾驶系统(ADAS)中的传感器封装是至关重要的

对于当前最新的辅助驾驶和自动驾驶技术而言,安全性最重要。LiDAR(激光雷达)技术是能够实现自动驾驶的最重要技术之一。它通过激光束不断地扫描汽车周围的行驶环境,系统中的传感器收集数据并生成实时的高分辨率3D地图。在整个复杂的系统中,LiDAR通过人工智能与摄像头和雷达建立连接,一起实现所谓的ADAS 5:可在所有条件下实现驾驶功能全自动化。

用于ADAS和自动驾驶的固态激光雷达
LiDAR传感器收集数据并生成实时周围环境的高分辨率3D地图

自动驾驶的安全性取决于激光雷达(LiDAR)是否发射准确的光信号

在开发安全可靠的自动驾驶系统方面,近几年已经取得巨大进步,但仍然面对一些问题。其中一个挑战是要保证LiDAR传感器系统中光信号传输的质量。但是实际情况LiDAR传感器多数安装在车辆外部,因此会暴露在恶劣的天气条件中,例如极端温度和高湿度以及冲击和振动。这些危害会损害或甚至破坏敏感的系统内部零件,包括激光光源、MEMS反射镜以及接收信号的光电二极管。

特别是许多开发人员担心气密性问题,因为潮气带来的微小水雾会导致激光二极管芯片中的金属发生氧化,进而导致功率下降,甚至过早达到EOL(寿命终止)状态。另外,在全自动驾驶汽车中,传感器精度不足也可能导致周围环境的3D地图信息出现错误或延迟。这会导致错误操作,甚至交通事故,这两者都会带来危及生命的安全风险。

驾驶环境的恶劣条件以及极高的光学性能要求迫使敏感的LiDAR部件需要可靠的气密封装。另外,若将LiDAR技术用于大众化汽车应用,绝对安全性、可靠性和耐用性也很关键。LiDAR传感器的封装必须确保能够实现稳定且高性能的光信号传输—不仅仅是几小时或几天,而是可稳定使用许多年。

光源(激光二极管)的玻璃金属密封封装
MEMS反射镜的玻璃金属密封封装

高品质的封装器件对于传输准确的光信号至关重要

在传感器的密封封装领域,有不同的技术。对于用于恶劣环境的汽车和光电子传感器封装,最常用的一种技术是玻璃金属密封,简称GTMS。顾名思义,该全密封封装主要使用金属和玻璃两种材料。首先将传感器部件封装在金属管壳内,金属管壳和导电金属引脚通过特别的绝缘玻璃来密封。使用专用玻璃密封的优点在于无机材料不可渗透且几乎不会老化。气体和水分不能透过玻璃进入传感器内部,可近乎永久地保持高度气密性。相比之下,聚合物等材料会随时间自然老化,无法保持真正的全密封环境。

传感器的玻璃金属封装,通常采用光学玻璃或透镜作为光信号传输接口。使用高品质玻璃或透镜对于顺利和精确传输信号很重要。

玻璃金属密封有卓越的可靠性

玻璃金属密封的重要质量标准是选择具有合适热膨胀系数(CTE)的特种玻璃和金属,因为这两种材料在封接工艺中通常会产生的不同膨胀或收缩。精心的材料匹配和组合还可以直接熔合这两种材料,不需使用其它连接剂。一旦实现共熔,玻璃和金属将实现非常可靠的耐用度,甚至可以承受汽车环境中的极端压力和温度变化。

典型的GTMS封装的“引脚设计”—也称作“通孔设计”—使得传感器封装能够与PCB(印刷电路板)牢固连接。金属引脚可以插入到PCB中并使用焊锡将其紧紧固定上,使得组件非常抗冲击和振动。另一种封装技术是陶瓷表面贴装(SMD)。SMD是贴装在PCB上,因此可能对机械撞击、特别是横向载荷更敏感。

典型的玻璃金属密封(GTMS) 封装设计
通孔引脚和焊锡将GTMS封装固定在PCB上,提高了组件可靠性

在该新兴领域中,目前有很多不同的LiDAR传感器技术“竞相涌现”。例如机械自旋、MEMS扫描、Flash(闪光)和反射镜系统技术。LiDAR传感器封装的要求也非常复杂,不同方法之间存在差异。但供应商期望的一贯要求是:LiDAR传感器公司正在寻找可信和经验丰富的合作伙伴,能够提供所有过程支持,从早起开发和原型设计以至稳定高品质的批量生产。

SCHOTT电子封装部门亚太区销售总监叶国宏先生表示:“SCHOTT准备通过合作的方式将高品质的标准和定制化封装产品应用到快速发展的LiDAR技术中。”他补充道:“基于我们几十年的光通讯和汽车工业供应商专业经验,客户将受益于我们的光电子专有技术以及我们的批量制造能力,包括遍布世界各地的IATF 16949认证生产工厂。”

2020年5月27日

联系

彭斌
电子封装
肖特中国

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