與時(shí)俱進(jìn)，聚焦中國智造之光電芯

1   先進(jìn)制造心“芯”向榮的光電結合

中國經(jīng)濟進(jìn)入由高速增長(cháng)轉向高質(zhì)量發(fā)展新常態(tài)后，“中國制造”在向“中國智造”轉變，并驅動(dòng)先進(jìn)制造領(lǐng)域的需求持續增長(cháng)?！丁笆濉眹覒鹇孕孕屡d產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃》、《工業(yè)4.0 戰略實(shí)施計劃》等政策持續推動(dòng)著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、關(guān)鍵環(huán)節數字化及產(chǎn)品生命周期企業(yè)集成化，核心部件國產(chǎn)化突破是工控領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。

先進(jìn)制造核心離不開(kāi)“精密”兩個(gè)字，精密加工意味著(zhù)釘鉚之間、退進(jìn)之時(shí)必須分毫不差，這背后仰賴(lài)電腦中樞嚴密地發(fā)號施令，才能確保各部件運動(dòng)精確可控，其中至關(guān)重要的一個(gè)部件就是光電編碼器，而光電芯片就是它的核心。然而，該技術(shù)長(cháng)期被國外公司壟斷，但是近年來(lái)國內也開(kāi)始多方嘗試推動(dòng)國產(chǎn)化替代。通過(guò)與蘇州安必軒微電子有限公司董事長(cháng)蔡激文訪(fǎng)談，我們了解到光電芯片國產(chǎn)化的前景廣闊。中國先進(jìn)制造的領(lǐng)域得到國家的全力支持，且發(fā)展國內技術(shù)及外延式拓展也已經(jīng)取得階段性成果。

蔡激文談到，中國作為伺服系統制造大國，在高精度、強穩定性、高響應速度等技術(shù)方面與國際先進(jìn)水平存在差距，尚未成長(cháng)為制造強國。伺服系統是由光電編碼器、伺服電機與驅動(dòng)控制系統組成的，編碼器的精準度直接決定伺服系統效果。其原理和應用如圖1 所示。

圖1 光電編碼器芯片的原理及應用

鑒于編碼器是一個(gè)集光、機、電三種技術(shù)于一體的精密設備，設計制造難度極高，導致其成本始終居高不下。盡管近年來(lái)國內很多廠(chǎng)家投入了大量資金和人力使得編碼器價(jià)格逐漸趨低，但由于核心芯片長(cháng)期被國外公司壟斷，編碼器價(jià)格還是處于高位?？上驳氖?，經(jīng)過(guò)幾年的不懈努力和嘗試，安必軒于2018 年成功研發(fā)出可以完全替代進(jìn)口編碼器核心芯片產(chǎn)品，使得百元級光電編碼器成為可能，完全消除了光電編碼器核心芯片被禁運的風(fēng)險。

安必軒的光電編碼器芯片解決了長(cháng)期以來(lái)困擾編碼器的幾個(gè)問(wèn)題：

①編碼器使用環(huán)境通常比較惡劣，面臨水汽、灰塵和油污逐漸沉積在碼盤(pán)上的狀況，影響編碼器的精度，甚至導致編碼器無(wú)法工作。

②傳統編碼器安裝調試需要有經(jīng)驗的技術(shù)人員才可以完成，難以實(shí)現自動(dòng)化生產(chǎn)。

③傳統編碼器結構復雜，加工成本高昂。在芯片設計和算法設計時(shí)，安必軒率先考慮了解決上述問(wèn)題的具體辦法，其光電編碼器完美解決了上述問(wèn)題。自從2018 年產(chǎn)品推出以來(lái)，其設計理念得到認可，并已經(jīng)推出系列產(chǎn)品，開(kāi)始批量應用，得到客戶(hù)的絕對性認可。

2   工業(yè)應用煥然一“芯”的光電創(chuàng )新

光電編碼器芯片的應用領(lǐng)域非常之廣，既有高精尖的航空航天和軍工裝備，也有高大上的精密數控機床和各種智能自動(dòng)化設備，還擴展到民用普及型產(chǎn)品。涉及高精度、閉環(huán)調速系統和伺服系統的轉速測量都需要支持角位移、線(xiàn)位移信息的測量和傳遞，對光電編碼器芯片的需求就在于此。由于此類(lèi)芯片屬于光敏器件，光電結合緊密且工藝特殊，對參數控制要求較高，需要在溫條件（如110℃）下持續工作7 天24 小時(shí)不間斷，還要保證信號形態(tài)正常，且電流輸出能力較大，有特殊的封裝工藝要求，是國產(chǎn)化的壁壘。

憑借對于行業(yè)應用的深刻理解和經(jīng)驗積累，以及深厚的光電集成化芯片技術(shù)積淀，安可軒完全掌握核心技術(shù)并擁有自主知識產(chǎn)權，其光電傳感技術(shù)國際領(lǐng)先。蔡激文指出，正向設計是創(chuàng )新的關(guān)鍵，也是其成為國內唯一能夠如此堅持和堅守的光電芯片公司，使得工藝不斷優(yōu)化，并參與封測工藝研發(fā)定型，以提高封裝良品率。圖2 為高端光電編碼器芯片框圖及產(chǎn)品形態(tài)。

芯片

圖2 高端光電編碼器芯片框圖及產(chǎn)品形態(tài)

光電編碼器單片系統（SoC）具有很高的集成度，其微控制器（MCU） 核心為RISC-V，還集成了數字信號處理器（DSP）單元、高速高精度模擬數字轉換器（ADC）、低噪聲運算放大器，還有高靈敏度光電感應陣列。中國是一個(gè)規?？梢赃_到每年1000萬(wàn)套的市場(chǎng)，低端產(chǎn)品的國產(chǎn)化基本實(shí)現，而高端產(chǎn)品則需要挑戰日本和德國兩家公司。所幸安可軒量產(chǎn)芯片以更高的集成度超過(guò)國外競品性能，這源于核心芯片和算法均為自主研發(fā)，可以確保整機性能優(yōu)異而成本較低，裝配難度小，性?xún)r(jià)比高。相比國外公司，由于芯片和算法都為自用，所以?xún)r(jià)格居高不下，雖然整機性能不錯，但整機成本較高，裝配難度大，性?xún)r(jià)比很低。通過(guò)高性?xún)r(jià)比解決方案實(shí)現下游客戶(hù)需要的功能參數是編碼器行業(yè)打破競爭壁壘，更好地響應客戶(hù)需求，以差異化、定制化服務(wù)客戶(hù)的關(guān)鍵?？蛻?hù)一旦成功采用解決方案，后續產(chǎn)品設計便可標準化輸出，黏性較強。而后進(jìn)入者如要搶占份額，不僅需要合格的產(chǎn)品服務(wù)，更需要較長(cháng)的產(chǎn)品論證周期?？偠灾?，國產(chǎn)化光電編碼芯片將有助于提升整體先進(jìn)制造行業(yè)的效益。

國內首創(chuàng )的特殊生產(chǎn)工藝保證安必軒的光電芯片產(chǎn)品性能超群，其所擁有的多項發(fā)明專(zhuān)利更是使技術(shù)保持優(yōu)勢的根本，其中包括首創(chuàng )的自動(dòng)校準單元，以顯著(zhù)提高編碼器精度、獨創(chuàng )快速迭代算法達到解碼速度快準穩，新型結構減少裝配誤差并提高裝配速度，云端自動(dòng)校準支持客戶(hù)零基礎生產(chǎn)。下游行業(yè)對高精密設備需求不斷提升，伺服系統的應用范圍在不斷擴大，倒逼產(chǎn)品性能提升。光電編碼芯片高端應用包括精密機床、注塑機、高端機器人、風(fēng)電設備、3D 打印機、醫療設備等；中端應用有電梯、數控機床、角度測試儀、無(wú)人機吊艙、電力系統、汽車(chē)、太陽(yáng)能平臺等；低端應用包含工業(yè)應用的紡織機器、工業(yè)機械臂、傳送帶、軌交閘機等，以及民用的掃地機器人、安防監控攝像頭、旋鈕等。

3   集成電路隨“芯”所遇的光電情結

任何一個(gè)產(chǎn)品的成功都離不開(kāi)天時(shí)、地利、人和，對此蔡激文頗有感慨。

“天時(shí)”就是趕上中國先進(jìn)制造突飛猛進(jìn)的潮流，是進(jìn)行專(zhuān)屬技術(shù)創(chuàng )新和開(kāi)拓一個(gè)行業(yè)細分市場(chǎng)的最佳機遇。2019 年成立之初，安必軒產(chǎn)品就列入《中國制造2025》的國家行動(dòng)綱領(lǐng)，面對巨大的市場(chǎng)需求。據QYResearch 預測，2025 年將達到140 億美元（1 美元約為人民幣6.5 元），而這也是國際形勢推動(dòng)進(jìn)口替代的絕佳機會(huì )。

“地利”就是得到地方政府給予創(chuàng )新型高科技企業(yè)全方位支持，以及區域性產(chǎn)業(yè)鏈的配套優(yōu)勢。安必軒選擇落戶(hù)在蘇州高新區，最重要的原因就是當地政府對集成電路產(chǎn)業(yè)的支持，政府提供研發(fā)補貼、設備補貼、流片補貼、銷(xiāo)售獎勵和地方貢獻獎勵?！短K州高新區關(guān)于鼓勵企業(yè)上市（掛牌）的若干意見(jiàn)的通知》也為未來(lái)的企業(yè)上市鋪平了道路。一系列人才支持政策充分體現了以人為本的關(guān)愛(ài)。

“人和”就是解決光電芯片行業(yè)發(fā)展所受人才制約。國內芯片行業(yè)設計能力雖沒(méi)有落后，由于國外對手太多，國內光電芯片涉足較少，人才稀缺。蔡激文作為強有力的領(lǐng)軍人物，一手打造他的“夢(mèng)之隊”。核心團隊學(xué)歷背景全部碩士以上，由美國硅谷海歸領(lǐng)銜，清華與上海交大精英為團隊班底，科班出身帶著(zhù)強大且專(zhuān)業(yè)的學(xué)術(shù)背景，并一直從事集成電路行業(yè)；精通各類(lèi)IC 設計方案；熟圖3悉全球流片封測產(chǎn)線(xiàn)；有完整的 IC產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗。

圖3 光電傳感技術(shù)的延申及拓展應用

“安必軒已經(jīng)在光電編碼器領(lǐng)域實(shí)現突破，達到國內唯一、國際領(lǐng)先水平”，蔡激文說(shuō)：“作為光電傳感技術(shù)全場(chǎng)景解決方案提供商，安必軒肯定不會(huì )停留在光電編碼器這一個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)，未來(lái)安必軒會(huì )充分發(fā)揮已經(jīng)取得的成功經(jīng)驗，逐步進(jìn)入其他光電芯片的細分領(lǐng)域，如光電隔離驅動(dòng)、光電隔離放大、單芯片接近開(kāi)關(guān)、心率監測、血氧監測、距離檢測等，打開(kāi)千億市場(chǎng)版圖，并立志成為行業(yè)的領(lǐng)頭羊，為中國‘智’造貢獻力量”。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）