Ces travaux mettent en lumière une technologie avancée d'intégration 3D, combinant TSV (Through Silicon Vias) et Flip Chip appliquée à la technologie de photonique sur silicium, permettant de concevoir un module de balayage laser compact et haute performance.
Cette innovation est intégrée à un système LiDAR à 256 canaux, pensé pour répondre aux exigences de miniaturisation, d'efficacité énergétique et d'industrialisation des applications automobiles de demain.
Pourquoi le LiDAR s'impose comme capteur clé pour les véhicules autonomes ?
Alors que la conduite autonome suscite un fort intérêt chez les constructeurs automobiles, elle se heurte encore à un défi technologique majeur. Aujourd'hui, seuls deux types de capteurs sont largement utilisés dans les véhicules autonomes : le radar et la caméra. Le radar, bien qu'efficace à longue portée, manque de précision pour mesurer des distances courtes. Quant à la caméra, elle ne comble pas cette lacune et ne permet pas une visibilité optimale en cas de brouillard, d'intempéries ou de conduite nocturne.
C'est là qu'intervient le LiDAR. Grâce à sa technologie laser, il permet une détection précise et fiable : il projette un faisceau lumineux qui, une fois réfléchi par un obstacle, renseigne non seulement sur la distance, mais aussi sur la forme de l'objet détecté. Une avancée cruciale pour améliorer la sécurité et la performance des systèmes de conduite autonome.
Ce type de capteur est identifié comme la solution envisagée par la majorité des acteurs automobiles et le CEA possède une expérience solide sur le sujet à travers la création de la start-up SteerLight pour laquelle les travaux mis en œuvre sont compatibles.
Intégration 3D et packaging avancé : une nouvelle génération de LiDAR embarqué
Le CEA-Leti apporte son expertise from device to system – du dispositif au système – en intégrant de la technologie d'intégration 3D et packaging avancé à un dispositif photonique silicium pour hybrider le LiDAR sur un interposeur en silicium.
Au cœur de cette technologie se trouve un OPA (Optical Phased Array), un véritable système de balayage laser miniature. La lumière y circule à travers des guides d'ondes, alimentés par un laser connecté via quatre fibres optiques. Ces faisceaux sont ensuite divisés en 256 canaux optiques, permettant un balayage précis du champ de vision.
Ce balayage, couvrant un angle de –20° à +20°, est assuré par une commande thermique indépendante sur chacune des 256 voies, rendue possible grâce à des interconnexions dédiées. Afin d'assurer une compacité maximale, ces interconnexions sont reportées sur la surface arrière du substrat à l'aide des TSV.
Le routage est ensuite réalisé sur la face arrière, ainsi que la réalisation de plots de connexion en étain/argent de petites dimensions (20 µm de diamètre au pas de 40 µm), permettant la brasure sur l'interposeur via la technologie Flip Chip.
La partie photonique et l'extraction du faisceau laser sont positionnées sur la face avant du dispositif, tandis que le signal est redirigé vers la face arrière, jusqu'à l'interposeur. Ce dernier pourra, à terme, intégrer d'autres éléments tels que les circuits CMOS de commande et de réception du signal, ainsi que d'autres sous-systèmes.
Cette configuration permet un gain de place important et offre une grande flexibilité pour l'évolution du produit. Ce procédé d'intégration repose sur des interconnexions précises, qui assurent la communication entre les différentes couches fonctionnelles du dispositif.
Une réponse aux enjeux industriels des constructeurs
Cette technologie d'hybridation et de connectique en face arrière permet un gain d'espace supérieur à 80 % par rapport à un packaging conventionnel en wire bonding (câblage filaire), un avantage considérable pour une intégration embarquée dans un véhicule.
Grâce à l'intégration d'un interposeur en silicium, il devient possible d'ajouter directement sur la puce d'autres composants essentiels, tels que des circuits de commande, de la mémoire, ou encore des capteurs additionnels.
Cette approche permet également de réduire significativement les coûts de production. Contrairement à la majorité des technologies actuellement utilisées pour fabriquer des LiDARs, l'ensemble des éléments est ici réalisé de façon collective sur des substrats silicium jusqu'à 300 mm, en s'appuyant sur des technologies de fabrication standardisées, déjà largement maîtrisées par les acteurs du semi-conducteur.
Pour que les véhicules autonomes deviennent une réalité à grande échelle, il sera nécessaire de combiner trois types de capteurs : caméra, radar et LiDAR. Ce dernier devra être compact, peu énergivore et abordable.
La technologie développée au CEA-Leti répond à ces exigences. Elle offre un fort potentiel d'intégration et de densification, une consommation maîtrisée (environ 20 W pour l'émission) et peut être industrialisée à grande échelle.