11-Gbit/s-Transceiver ermöglichen neue Anwendungen

In Anwendungsbereichen mit relativ geringen Stückzahlen ist die Entwicklung eines ASICs wegen der hohen Einmalkosten unwirtschaftlich. Es gibt jedoch Bereiche, etwa Telekommunikation, Messen & Testen, Militär oder Raumfahrt, in denen die benötigte Leistung von den bislang...

AVX hat ein vereinfachtes Verfahren für die Herstellung eines Festelektrolyt-Tantal-Kondensators mit eingebauter Sicherung entwickelt. Zum Einsatz kommen dabei vorgefertigte Dünnfilmsicherungen, die sich einfacher im Gehäuse platzieren lassen als Drahtsicherungen. Zudem verbessern sich Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit der Sicherungen, und die Entwicklung eines applikationsspezifischen Kondensators fällt kürzer aus.

In Anwendungsbereichen mit relativ geringen Stückzahlen ist die Entwicklung eines ASICs wegen der hohen Einmalkosten unwirtschaftlich. Es gibt jedoch Bereiche, etwa Telekommunikation, Messen & Testen, Militär oder Raumfahrt, in denen die benötigte Leistung von den bislang verfügbaren FPGAs nicht erbracht werden konnte. Die Hersteller mussten daher zähneknirschend ein ASIC designen, obwohl wirtschaftlich gesehen ein FPGA die bessere Wahl gewesen wäre. Xilinx und Altera haben nun fast zeitgleich neue Familien ihrer Stratix- und Virtex-FPGAs herausgebracht, welche diese Lücke füllen.

Tantal-Kondensatoren widerstehen den unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen in Bezug auf Temperatur, Feuchte, Stöße, Vibrationen sowie andere mechanische und elektrische Belastungen (Spannung, Strom, Welligkeit, kurzzeitige Strom- und Spannungsspitzen). Allerdings müssen bei Festelektrolyt-Tantal-Kondensatoren die Anwendungshinweise beachtet werden, um sicherzustellen, dass die Zuverlässigkeit des Kondensators in vollem Umfang ausgeschöpft werden kann.

Aufgrund ihrer prinzipbedingten Zuverlässigkeit werden Tantal-Kondensatoren immer mehr in Anwendungen mit widrigen Umgebungsbedingungen verwendet. Dabei besteht das Risiko, dass es bei einem Überschreiten bestimmter Spezifikationen (z.B. der maximal zulässigen kurzzeitigen Strom- und Spannungsbelastung) zu einem Ausfall, einem Überhitzen und möglicherweise zu einem Durchbrennen des Bausteins kommt. Diese Bedenken bestehen hauptsächlich bei Produkten für hohe Spannungen, da die Selbstheilungsfähigkeit hier wegen der hohen Energiemengen unter Umständen an ihre Grenzen stoßen kann.

Auf dem Markt werden Tantal-Kondensatoren mit eingebauter Sicherung angeboten, die in diesen seltenen Fällen Schutz bieten, indem sie den Stromkreis bei zu hohen Stromstärken unterbrechen. Hierbei kommt ein bimetallischer Schmelzdraht zur Anwendung, der jedoch die Design-Flexibilität beeinträchtigt und dazu führen kann, dass sich der Ersatzserienwiderstand (ESR) des kompletten Bausteins gegenüber dem Kondensator allein um den Faktor 2 oder mehr erhöht.

AVX hat Festelektrolyt-Tantal-Kondensatoren mit eingebauter Dünnfilm-Sicherung entwickelt, die sich auszeichnen durch Sicherheit, einheitliche Eigenschaften, Zuverlässigkeit, äußerst kurze Ansprechzeiten, kompakte Abmessungen und einen niedrigeren ESR als die bislang üblichen Festelektrolyt-Tantal-Kondensatoren mit eingebauter Sicherung. Aufgrund der Konstruktionsweise lassen sich die Eigenschaften der Sicherung zielgerichteter spezifizieren und/oder der ESR kann direkter auf die Applikation abgestimmt werden, ohne die im Ge-häuse verfügbare Kapazität einzuschränken. Aufgrund der Verfügbarkeit von Sicherungen mit einer breiten Palette von Nennströmen und Ansprechzeiten kann für jede Applikation der passende Stromkreisschutz vorgesehen werden. Im Folgenden werden das Design, die Konstruktion und die Charakterisierungsdaten dieses Produkts erläutert.

Der Markt für FPGAs im Telekommunikationsbereich, beim Messen & Testen, beim Militär oder in der Raumfahrt wird auf 1,7 Mrd. Dollar geschätzt. Im Jahr 2008 hat das amerikanische Startup-Unternehmen Achronix (www.achronix.com) mit seinen Speedster-Hochleistungs-FPGAs erstmals Bausteine vorgestellt, die bis zu 40 10,3-Gbit/s-Transceiver enthalten und so etwa den dreifachen Durchsatz bislang existierender FPGAs erzielen. Jetzt liegt die Antwort der Marktführer Xilinx und Altera auf dem Tisch. Xilinx präsentiert die neue Generation seiner Flaggschiff-FPGA-Familie Virtex, die in einem 40-nm-Prozess unter Einsatz der dritten Generation der Xilinx-ASMBL-Architektur hergestellt wird. Die Bausteine arbeiten mit 1,0 V Core-Spannung und bieten eine Low-Power-Option mit 0,9 V.

Neben den Virtex-6-HXT-FPGAs mit bis zu 64 11,4-Gbit/s-Transceivern gibt es noch die Familien LXT und SXT, die „nur“ 6,5-Gbit/s-Transceiver, dafür aber bis zu 758 784 Logik-Elemente und bis zu 2016 DSP-Blöcke enthalten. Leider gibt es von Xilinx noch keine genauen Daten über die HTX-Familie.

Welche Arten von Sicherungen gibt es?

Eine verbreitete Methode zum Herstellen eines abgesicherten Kondensators besteht darin, eine Schmelzsicherung in das Kondensatorgehäuse einzubauen. Der Schmelzdraht wird mit dem internen Leadframe des Bausteins verschweißt, sodass das fertige Produkt eine Serienschaltung aus Schmelzbrücke und Kondensator aufweist. Die Schmelzbrücke besteht aus zwei oder mehr Metallen (Palladium, Ruthenium und Aluminium), mit denen sich durch Erhitzen auf ca. 650 °C eine exotherme Reaktion initiieren lässt. Zu der Erwärmung kommt es bei überhöhten Stromstärken. Mit einer schützenden Beschichtung wird verhindert, dass die exotherme Reaktion mit Temperaturen von 2800 °C zu einem Verkohlen des Kondensatorkörpers führt. Man bezeichnet dies als elektrisch aktivierte Sicherung [2]. In einer anderen Bauart hat der Schmelzdraht einen niedrigen Schmelzpunkt, sodass er bei Überlastung einfach duchschmilzt, anstatt eine exotherme Reaktion auszulösen. Dies wird als thermisch aktivierte Sicherung bezeichnet. Bei der Herstellung solcher Schmelzdraht-Sicherungen müssen der elektrische Widerstand, die Ansprechgeschwindigkeit und die Wärmeempfindlichkeit gegeneinander abgewogen werden. Die verschiedenen Parameter einer Sicherung lassen sich durch die Länge, den Durchmesser und die Zusammensetzung des Schmelzdrahts variieren.

Die Herstellung einer Schmelzdraht-Sicherung gliedert sich in mehrere Arbeitsgänge: Der Draht muss einem Schneidgerät zugeführt, abgelängt, auf dem Leadframe positioniert, verschweißt und mit einem nicht verkohlenden Überzug versehen werden. Wünschenswert wäre hier ein Verfahren, bei dem an Stelle des Ablängens, Positionierens, Verschweißens und Beschichtens des Schmelzdrahts eine fertige Sicherung verbaut wird. Kommerziell verfügbare Dünnfilm-Sicherungen wären für ein solches Modul aus Kondensator und Sicherung eine sehr gute Wahl.

Altera stellte seine neuen Stratix-IV-GT-Bausteine vor, die bis zu 24 11,3-Gbit/s-Transceiver und weitere 24 Transceiver mit 6,5 Gbit/s umfassen. Sie stellen bis zu 530 000 Logik-Elemente, 20,3 Mbit RAM und 1288 18×18-Multiplizierer zur Verfügung. Es gibt auch zwei Bausteine, die jeweils „nur“ zwölf 11,3-Gbit/s-Transceiver und weitere 24 Transceiver mit 6,5 Gbit/s beinhalten, so dass sie für 100G-Anwendungen ungeeignet sind, aber immerhin unter anderem 10-Gbit-Ethernet, PCI-Express, Interlaken, XAUI, STA, SAS und SRIO unterstützen.

Neben der Möglichkeit, dass FPGAs Einzug in die Entwicklung der nächsten Generation von 3GPP-LTE- und LTE-Basisstationen halten, zielen die FPGA-Familien vor allen Dingen auf drahtgebundene Netzwerke (100-Gbit/s-Line-Cards, Router, Switches und Daten- Ports für Rechenzentren).

Ist die passende Sicherung für die vorliegende Anwendung gefunden, erfolgt die Montage der Sicherung an einer vorbestimmten Stelle im Gehäuse, bevor das Festelektrolyt-Tantal-Kondensatorelement montiert und das Gesamtmodul mit einer schützenden Umhüllung versehen wird.

Große Bedeutung hat die Konfiguration des Leadframes. So wird beispielsweise ein ausreichender Abstand zwischen den Befestigungsstellen der Sicherung ebenso gefordert wie Flexibilität hinsichtlich der Platzierung der Sicherungen in unterschiedlich großen Gehäusen usw. Überdies ist die Konstruktion für das größte vorkommende Kondensatorelement auszulegen.