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X-FAB mit neuem Prozess

Alle digitalen Isolatortypen aus einer Foundry

4. Dezember 2023, 7:00 Uhr | Heinz Arnold

X-Fab unterstützt seine Kunden mit Process-Design-Kits, um sicherzustellen, dass die Wafer für die geplante Weiterverarbeitung zu Isolatoren funktionieren.

X-FAB kann als einziger Hersteller Silizium-Isolatoren sowohl auf induktiver und kapazitiver Basis als auch als diskrete und integrierte Versionen fertigen. Tilman Metzger von X-FAB, erklärt im Interview, was das Besondere daran ist.

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Markt&Technik: Warum hat X-FAB die 0,35-µm-Prozessplattform »XA035« entwickelt, um ihren Foundry-Kunden die Fertigung von digitalen Isolatoren auf Basis von Silizium anbieten zu können?

Tilman Metzger, Technical Marketing Manager High Voltage von X-FAB: Erstens wächst der Markt für diese Produkte und zweitens passen die dafür erforderlichen Prozesse sehr gut in unsere More-than-Moore-Strategie. Außerdem wollten wir etwas Besonderes entwickeln, was nicht jeder anbieten kann. 2018 haben wir deshalb die 0,35-µm-Prozessplattform »XA035« eingeführt. Sie eignet sich sowohl für die Fertigung von Silizium-Isolatoren auf Basis der kapazitiven als auch der induktiven Kopplung.

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Bisher konnten wir darauf nur diskret aufgebaute Isolatoren anbieten. Die Plattform war aber von Anfang an darauf ausgelegt, auch integrierte Isolatoren produzieren zu können. Jetzt haben wir – zusammen mit Leitkunden – den CMOS- mit dem Hochvoltprozess kombiniert, der das ermöglicht. Damit sind wir die einzige Foundry, die nicht nur sowohl kapazitive als auch induktive sondern auch diskrete und integrierte Silizium-Isolatoren fertigen.

Warum ist es vorteilhaft, sowohl diskrete als auch integrierte Isolatoren fertigen zu können?

Weil wir den modularen Ansatz verfolgen, also beide Silizium-Isolator-Typen auf Basis eines identischen Isolationsmodells fertigen können, haben die Anwender die Möglichkeit, mit diskreten Typen anzufangen und dann auf die integrierten Versionen überzugehen, ohne etwas neu erfinden zu müssen. Die meisten wollen beide Möglichkeiten nutzen, denn beide haben für bestimmte Anwendungen ihre jeweiligen Vor- und Nachteile.

Welche sind dies?

Die diskreten Isolatoren bestehen aus drei Komponenten, die integrierten benötigen nur zwei. Das bedeutet weniger Bonddrähte und damit weniger parasitäre Kapazitäten. Andere Foundries bieten meist nur kapazitive Isolatoren in integrierter Form an. Dass wir auch die induktiven Isolatoren fertigen können, ist schon etwas Besonderes, denn als Foundry haben wir bisher vor allem CMOS-Logik gefertigt. Jetzt kombinieren wir das mit Tausenden von Volt, das ist eine ganz andere Dimension.

Was bedeutet das auf der Prozessebene?

Wir mussten nur noch die Implantationsschritte einführen, um die aktiven und passiven Elemente zu formieren – unabhängig vom Backend. Damit wird vieles komplexer. Denn es kommt nun nicht mehr nur auf den eigentlichen Prozess an, auch das Layout, die Gehäuse und wie man testet spielt jetzt eine wesentliche Rolle. Das ist etwas vollkommen anderes als bei CMOS-Logik-ICs. Hier haben wir die volle Kontrolle über den Prozess und können auf Wafer-Ebene testen.

Wenn ein neu entwickelter CMOS-Logik-IC hergestellt wird, kann er auf dem Wafer getestet werden, bevor die Vereinzelung stattfindet. Wenn mehrere Fehler gefunden werden, schaut man, warum sie aufgetreten sind, dann wird verbessert, es gibt einen Respin und die Sache ist damit meist behoben. Bei den Isolatoren gibt es viel mehr Fehlermöglichkeiten: Layout, Prozess, Test und Gehäuse. Außerdem funktioniert der Test bei den Isolatoren nicht so einfach, denn hier müssen wir mit hohen Spannungen testen, das geht nicht mehr auf dem Wafer.

Gibt es einen Standard für die Tests?

Viele Jahre gab es lediglich eine deutsche VDE-Richtlinie. Inzwischen gibt es einen internationalen IEC-Standard 60747-17:2020, der alle notwendigen Tests genau spezifiziert. Beispielsweise ist es vorgeschrieben, dass an jedes Bauteil im Produktionstest für 1 s eine Spannung von 6 kV anlegt wird, wenn es für 5 kV ausgelegt ist. Der IEC-Standard ist sehr hilfreich.

Können einige Testes nicht doch auf Wafer-Ebene durchgeführt werden?

Ja, einige Kunden machen »Pre-Screening«. Eine der wichtigsten Kenngrößen ist die Schichtdicke der Isolation in den Isolatoren. Auf dem Wafer können wir nicht mit 6 kV testen, aber wir können indirekt eine Kapazität einbringen und so auf die Schichtdicke schließen. Damit können die Anwender nicht den Endtest umgehen, aber sie können die fehlerhaften Komponenten schon früh aussortieren, was auch schon deutlich Kosten spart. Insgesamt haben wir sehr viel in die Entwicklung der Tests investiert, um die Kunden damit unterstützen zu können.

Dazu gehören aber auch andere Maßnahmen, beispielsweise haben wir viel Zeit darauf verwandt, Designregeln für sie aufzustellen, etwa um Abstände festzulegen oder dafür zu sorgen, dass scharfe Ecken vermieden werden, wo sich hohe E-Felder aufbauen. Wir stellen den Anwender mit unseren PDKs umfangreiche Unterstützung zur Verfügung, sodass er seinen Lernprozess abkürzen kann. Er kann direkt loslegen und kann sich sicher sein, dass er Wafer bekommt, auf dem die Isolatoren funktionieren. Denn den Prozess limitieren hier nicht wie in der reinen CMOS-Fertigung das Equipment, sondern wir stellen aufgrund unserer Erfahrung die Design-Rules auf, die zusammen mit unserem Prozess eine gute Qualität auf Wafer-Ebene liefert.

Inwieweit kürzt das seinen Lernprozess ab?

Wie gesagt, es kommt ja nicht nur auf den Prozess auf Wafer-Ebene an, alles beeinflusst sich gegenseitig: Das Layout, das Packaging und der Test. Ist das Test-Set-up nicht gut oder das Packaging schlecht, können wir nichts machen, wir fertigen auf Wafer-Ebene und wollen nicht in die anderen Bereiche vordringen und keinesfalls unseren Kunden Konkurrenz machen. Aber mit unseren PDKs muss ein Kunde mit wenig Erfahrung nicht bei Null anfangen. Wer viel Erfahrung hat, der kann aber auch nach seinen Regeln arbeiten, der benötigt diese Unterstützung eben nicht. Wer sich an unsere Regeln hält, kann sicher sein, dass die Fehler nicht im Design und im Prozess liegen können. Er benötigt dann einfach weniger Iterationen, bis er genau feststellt, wo die Fehler liegen und wie er sie beseitigen kann.

Will X-FAB mit den Silizium-Isolatoren den Optokopplern Marktanteile abnehmen?

Die Optokoppler haben ihre Berechtigung, es hat ja seinen Grund, dass sie immer noch den Markt dominieren. Ich sehe vor allem zwei Bereiche, in denen die Silizium-Isolatoren ihre Vorteile sehr gut ausspielen können. Erstens ist die Anzahl der Kanäle bei Optokopplern beschränkt, vier Kanäle funktionieren gerade noch, mehr wird extrem kompliziert und teuer. Die digitalen Isolatoren kennen diese Beschränkung nicht, sie sind einfacher und günstiger. Einen zweiten deutlichen Vorteil spielen sie bei hohen Umgebungstemperaturen aus. Die Optokoppler gehen ab spätestens 125 °C in die Knie. Da kommen die digitalen Isolatoren leicht drüber. Wir unterstützen Temperaturen bis 175 °C mit unserem Prozess.