三大可靠性抓手/四大產(chǎn)品線規(guī)劃，揭秘納芯微磁傳感器出貨超億顆的秘密

　　磁傳感器是傳感器中重要的品類，是電流傳感、接近傳感、線性位置檢測、轉(zhuǎn)動速率檢測、旋轉(zhuǎn)位置檢測等傳感器主要實現(xiàn)方式之一，在汽車、工業(yè)、能源和消費電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)貝哲斯咨詢的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2022年全球磁傳感器市場規(guī)模為224.25億元(人民幣)，預(yù)計到2028年將達到463.32億元，2023-2028期間的年均復(fù)合增長率(CAGR)高達12.83%。

　　過往，人們提到磁傳感器，主要討論的都是幾家國際廠商。隨著終端市場對磁傳感器需求爆發(fā)，國產(chǎn)磁傳感器廠商緊抓這波機遇，目前已經(jīng)初見規(guī)模。根據(jù)納芯微最新發(fā)布的2023年業(yè)績報告，其傳感器產(chǎn)品營收實現(xiàn)逆勢增長，2023年實現(xiàn)營業(yè)收入16575.26萬元，同比增長49.18%。納芯微磁傳感器技術(shù)市場經(jīng)理謝奔在和記者交流時表示，“當(dāng)前納芯微磁傳感器產(chǎn)品出貨量已經(jīng)超過1億顆，汽車和工業(yè)等領(lǐng)域的一些頭部廠商都已經(jīng)是我們的客戶。”

　　出貨超1億顆是一個門檻，也是一個契機，那么納芯微是如何完成這一成績的?有哪些引領(lǐng)市場的核心技術(shù)?在這篇文章中將給出答案。

　　磁傳感器技術(shù)、產(chǎn)品和市場概述

　　磁傳感器基于電磁感應(yīng)原理，對位置、速度、電流等變量進行檢測。如果按照技術(shù)原理來分，磁傳感器主要分為霍爾(Hall)傳感器和磁阻傳感器兩大類，其中磁阻傳感器又可以繼續(xù)細(xì)分為AMR(各向異性磁阻)、GMR(巨磁阻)、TMR(隧道磁阻)三大類。

　　霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)對磁場進行檢測，是目前磁傳感器中最大的門類。主要原因在于，霍爾傳感器發(fā)展歷史悠久、技術(shù)成熟，且可以用硅基工藝制造。謝奔從產(chǎn)品設(shè)計的角度談道：“在磁傳感器領(lǐng)域，霍爾傳感器出現(xiàn)時間最早，在產(chǎn)品設(shè)計方面就會有兩大明顯的優(yōu)勢：其一是應(yīng)用于霍爾傳感器的成熟IP比較多;其二是硅基工藝讓霍爾傳感器更加有益于產(chǎn)品集成。”按照Yole的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以出貨量口徑計算，霍爾傳感器在磁傳感器中占比高達69%，AMR、GMR、TMR傳感器占比則分別是13%、5%和13%。

　　從技術(shù)發(fā)展來看，霍爾傳感器之后，依次出現(xiàn)的技術(shù)是AMR、GMR、TMR。作為最新的技術(shù)，TMR在低功耗和高精度方面，有著天然的優(yōu)勢。

　　正如上述數(shù)據(jù)所示，目前磁傳感器發(fā)展正處于高速增長期。作為一個大的傳感器類別，磁傳感器能夠長久存在且不斷進行技術(shù)迭代，背后的支撐力是龐大的市場需求。磁傳感器具有精度高、響應(yīng)速度快、靈敏度高，且具有無接觸、無摩擦、無振動等優(yōu)點，廣泛用于汽車、工業(yè)、消費電子、醫(yī)療器械、計算機等領(lǐng)域，主要的產(chǎn)品形態(tài)包括磁位置傳感器、磁速度傳感器、磁開關(guān)、磁電流傳感器、電子羅盤和鎖存器等，市占比分別為38.2%、20%、16.8%、16.2%、8.5%和0.3%。

　　納芯微四大磁傳感器產(chǎn)品矩陣

　　作為現(xiàn)代傳感器產(chǎn)業(yè)的一個主要分支，磁傳感器不僅產(chǎn)品類別豐富，且應(yīng)用廣泛。謝奔指出，納芯微公司的使命是“‘感知’‘驅(qū)動’未來，共建綠色、智能、互聯(lián)互通的‘芯’世界”。因而，磁傳感器是納芯微重要的產(chǎn)品布局。目前，納芯微在磁傳感器方面共有四大產(chǎn)品矩陣：

　　· 電流傳感器，包含集成式電流傳感器、線性電流傳感器，其中線性電流傳感器又可分為有磁芯和無磁芯的方案。

　　· 位置傳感器，包含角度傳感器、磁開關(guān)，其中磁開關(guān)又包含了車規(guī)霍爾開關(guān)/鎖存器、工規(guī)霍爾開關(guān)、工規(guī)TMR開關(guān)/鎖存器。

　　· 速度傳感器，主要是ABS輪速傳感器。

　　· 磁傳感器調(diào)理芯片，用于xMR或GaAs霍爾傳感器的信號調(diào)理。

　　

　　對照上面的市占比信息，可見納芯微的磁傳感器類別是非常全面的，技術(shù)上主要傾向于布局成熟的霍爾傳感器，以及TMR磁阻效應(yīng)傳感器。記者對比納芯微和多家廠商的磁傳感器產(chǎn)品后發(fā)現(xiàn)，無論是基于怎樣的技術(shù)原理，納芯微磁傳感器在精度和靈敏度方面都有一定的優(yōu)勢，謝奔稱，這是因為納芯微對此專門做了技術(shù)增強，尤其是針對霍爾傳感器。

　　他介紹說，霍爾傳感器作為一個歷史悠久的磁傳感器類別，和其他后面出現(xiàn)的技術(shù)(指AMR、GMR、TMR)相比，在精度和靈敏度等方面會有劣勢。納芯微深知這一點，基于多年的傳感器調(diào)理芯片設(shè)計經(jīng)驗，以及在產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用過程中積累的大量客戶需求與應(yīng)用經(jīng)驗，針對性地設(shè)計了一階+二階溫度補償電路，保證了霍爾傳感器在溫度范圍內(nèi)的輸出穩(wěn)定性。

　　

　　為了讓霍爾傳感器也能夠擁有較高的精度，納芯微開發(fā)了霍爾板堆疊、旋轉(zhuǎn)電流驅(qū)動等技術(shù)。一般而言，霍爾傳感器相比xMR傳感器會有更高的噪聲，為了實現(xiàn)產(chǎn)品的低噪聲，納芯微在產(chǎn)品內(nèi)部進行霍爾板堆疊，雖然產(chǎn)品內(nèi)部看起來還是一個霍爾點，不過這個點內(nèi)會包含6個、8個，甚至更多的霍爾板，進而讓產(chǎn)品有更加優(yōu)質(zhì)的噪聲表現(xiàn)。

　　

　　產(chǎn)品有了更高的信噪比，就會更加容易實現(xiàn)高精度。同時，納芯微還在霍爾傳感器內(nèi)部加入了旋轉(zhuǎn)電流驅(qū)動等專利技術(shù)，有兩象限旋轉(zhuǎn)或者四象限旋轉(zhuǎn)等多種方式，從而降低了霍爾傳感器的零漂，這也能進一步提升產(chǎn)品精度。

　　謝奔指出，“為了提升霍爾傳感器的特征性能，在納芯微內(nèi)部，上述這樣的技術(shù)創(chuàng)新非常多。”他以納芯微霍爾效應(yīng)角度傳感器舉例，該產(chǎn)品一個突出的優(yōu)勢是能夠在更寬的溫度和磁場變化范圍內(nèi)保持高精度。這主要得益于差分檢測與Cordic算法。相關(guān)器件采用四盤霍爾差分檢測，針對差分后的正余弦信號，又設(shè)計了自動增益調(diào)整模塊，可以將動態(tài)變化的原始模擬信號靈活地調(diào)整到14bit ADC的70%或80%量程。再加上Cordic算法，納芯微霍爾效應(yīng)角度傳感器便具有了抵抗外界雜散磁場干擾的能力，不受環(huán)境溫度變化的影響，器件內(nèi)的動態(tài)角度補償、濾波器等則進一步提升了測量精度。

　　記者在和謝奔的溝通中能夠明顯感覺到，在納芯微每一款霍爾傳感器背后，都會有一個技術(shù)創(chuàng)新的故事。通過這些技術(shù)創(chuàng)新，納芯微的霍爾傳感器具備了線性區(qū)間大，抗干擾能力強，等優(yōu)點，且產(chǎn)品精度處于行業(yè)領(lǐng)先地位，也進一步提升了產(chǎn)品的性價比。和霍爾傳感器一樣，納芯微在TMR傳感器方面同樣進行了大量的技術(shù)創(chuàng)新，以進一步發(fā)揮TMR在低功耗和高精度方面的技術(shù)優(yōu)勢。

　　除了產(chǎn)品性能方面的優(yōu)勢之外，謝奔表示，無論是當(dāng)下，還是未來的產(chǎn)品規(guī)劃，汽車都是納芯微磁傳感器重點關(guān)注的方向。為了讓產(chǎn)品能夠滿足汽車應(yīng)用中復(fù)雜、嚴(yán)苛的環(huán)境挑戰(zhàn)，“高品質(zhì)”是納芯微磁傳感器的另一張名片。高品質(zhì)體現(xiàn)在很多方面，包括性能冗余、應(yīng)力補償和高可靠性。

　　首先看性能冗余，謝奔以納芯微集成式電流傳感器舉例，產(chǎn)品提供隔離電壓功能。其中，SOW-16封裝的集成式電流傳感器的基本絕緣工作電壓是1550Vpk/1097Vrms，是UL62368法規(guī)基于其爬電距離8.0mm所允許的工作電壓。不過，該產(chǎn)品內(nèi)部的絕緣物質(zhì)的絕緣能力遠(yuǎn)不止于此。在絕緣油中，其最大浪涌隔離耐壓(Vsurge)可達10kV。

　　再看應(yīng)力補償，無論是在汽車應(yīng)用中，還是在工業(yè)、能源應(yīng)用中，外部應(yīng)力都是一個很大的挑戰(zhàn)。為了讓納芯微的磁傳感器能夠應(yīng)對這些應(yīng)力情況，該公司在電路設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計上都給出了方案。在電路設(shè)計上，納芯微部分產(chǎn)品帶有應(yīng)力補償功能;在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，納芯微磁傳感器在形狀設(shè)計和封裝材料選擇方面充分考慮了應(yīng)力的影響，在工程驗證階段，會在變化的環(huán)境中根據(jù)應(yīng)力對性能的影響調(diào)整框架設(shè)計，并選擇具有更低應(yīng)力系數(shù)的封裝材料。

　　最后看一下產(chǎn)品高可靠性保障，在這個方面，納芯微通過三大抓手進行保障——可靠性設(shè)計、可靠性驗證、高覆蓋度下線測試。“在納芯微內(nèi)部，針對汽車芯片開發(fā)有一套產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的準(zhǔn)則，通過設(shè)計審查的方式來評估一顆芯片是否滿足汽車應(yīng)用的需求，在過孔數(shù)量、線寬、走線等方面都有非常嚴(yán)格的要求。另外，車規(guī)級的磁傳感器，不僅需要嚴(yán)格遵循車規(guī)級測試和可靠性標(biāo)準(zhǔn)，同時也需要使用車規(guī)級電路的設(shè)計規(guī)則，采用車規(guī)晶圓，以及符合要求的車規(guī)封測專線。”謝奔說。

　　根據(jù)他的描述，實際上除了這三大抓手，納芯微針對一些特殊應(yīng)用的車規(guī)級產(chǎn)品的可靠性測試還會“加嚴(yán)”——進行更加嚴(yán)格的額外測試，比如汽車芯片一般會有1000小時的長時間老化測試，納芯微的標(biāo)準(zhǔn)是雙倍的，要測2000小時。

　　這種嚴(yán)格的產(chǎn)品測試流程在工業(yè)和消費級磁傳感器方面同樣有所體現(xiàn)。同時，納芯微工業(yè)和消費級磁傳感器在生產(chǎn)端也有相應(yīng)的生產(chǎn)管控，比如3西格瑪(3σ)管理，進而保障產(chǎn)品無質(zhì)量問題。

　　納芯微磁傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

　　從應(yīng)用角度來看，磁傳感器的應(yīng)用是非常廣泛的，國計民生的各個領(lǐng)域都有涉及。那么，納芯微四大磁傳感器產(chǎn)品矩陣主要面向哪些領(lǐng)域呢。謝奔回復(fù)稱，汽車、能源、工業(yè)和消費電子是納芯微磁傳感器重點覆蓋的領(lǐng)域。

　　面向汽車領(lǐng)域，納芯微提供集成式電流傳感器、線性電流傳感器、角度傳感器、車規(guī)霍爾開關(guān)/鎖存器、速度傳感器等產(chǎn)品。其中，集成式電流傳感器主要用于汽車OBC、DC-DC;線性電流傳感器主要用于汽車牽引電機的相電流與母線電流檢測;角度傳感器主要用于汽車熱管理系統(tǒng)水閥位置檢測、雨刮器位置檢測、方向盤轉(zhuǎn)角位置檢測、EGR閥等;車規(guī)霍爾開關(guān)/鎖存器主要用于汽車座椅位置、車窗控制、天窗、尾門位置檢測、車載電機換相等;速度傳感器主要用于汽車ABS輪速檢測。謝奔強調(diào)，后續(xù)包括主動懸架、EPS等汽車應(yīng)用，納芯微的磁傳感器也會陸續(xù)支持。

　　面向工業(yè)、能源和消費電子領(lǐng)域，納芯微提供集成式電流傳感器、線性電流傳感器、工規(guī)霍爾開關(guān)、工規(guī)TMR開關(guān)/鎖存器等產(chǎn)品。其中，集成式電流傳感器主要用于工業(yè)變頻器、電源、光伏逆變器等領(lǐng)域;線性電流傳感器主要用于電流傳感器模塊等應(yīng)用;工規(guī)霍爾開關(guān)主要用于家電、智能門鎖、電動兩輪車、無人機、鼠標(biāo)鍵盤、電動工具、筆記本電腦、民用電表等市場;工規(guī)TMR開關(guān)/鎖存器主要用于工業(yè)液位計、干簧管替代、民用表計(水表、氣表、熱量表)、工業(yè)伺服編碼器等領(lǐng)域。

　　納芯微磁傳感器調(diào)理芯片主要用于xMR或GaAs霍爾的信號調(diào)理。

　　綜合謝奔的深入講解和納芯微的官方資料，納芯微磁傳感器品類全、應(yīng)用廣，全面的技術(shù)支持在中間起到積極串聯(lián)作用。針對上述應(yīng)用，納芯微提供完善的文檔和工具支持、及時的現(xiàn)場技術(shù)支持，且工具中有很多易于用戶使用的改進。以可編程霍爾開關(guān)NSM1030應(yīng)用為例，GUI上設(shè)計了Auto trim功能，用戶不需要在應(yīng)用中手動一步步調(diào)整code, 取而代之可以通過一鍵自動調(diào)教的方式自動尋找開關(guān)點，大幅提升了編程效率。

　　此外，和其他磁傳感器供應(yīng)商相比，納芯微有一個顯著的競爭優(yōu)勢就是出色的產(chǎn)品定制化能力。謝奔稱，納芯微有完善的產(chǎn)品開發(fā)流程，多年的大客戶合作開發(fā)經(jīng)驗，保障了開發(fā)過程的科學(xué)性，降低人為因素造成開發(fā)事故的可能性。同時，加嚴(yán)的可靠性測試進一步確保了芯片的可靠性。

　　“在納芯微傳感器、電源、信號鏈、驅(qū)動、隔離接口等眾多產(chǎn)品線中，積累了大量的IP，這些經(jīng)過不同應(yīng)用場景驗證過的IP可以被芯片設(shè)計人員直接調(diào)用，從而大大提高開發(fā)效率并有效降低產(chǎn)品開發(fā)失敗、存在品質(zhì)問題的可能性。這些復(fù)用的IP讓納芯微的產(chǎn)品無論是標(biāo)準(zhǔn)品還是定制產(chǎn)品，都具有超高的性價比。”他進一步講到。

　　事實上，上面提到的納芯微速度傳感器就屬于一款定制芯片，是納芯微與大陸集團旗下合資公司陸博合作開發(fā)的輪速傳感器，主要應(yīng)用于防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)、自動變速器等控制系統(tǒng)。在這個案例中，納芯微充分發(fā)揮自己的技術(shù)優(yōu)勢和領(lǐng)先的產(chǎn)品、市場理解，為陸博提供符合其本土化戰(zhàn)略及市場需求的解決方案。據(jù)悉，這款產(chǎn)品將于今年第四季度量產(chǎn)，既是一款定制化產(chǎn)品，也是一款面向通用市場的產(chǎn)品。

　　謝奔表示，“在定制化業(yè)務(wù)合作中，還有一點也很重要，作為一家上市公司，納芯微具有穩(wěn)健的財務(wù)能力與業(yè)務(wù)透明度，保障定制化項目合作方的供應(yīng)鏈安全。”