Sinnvolles »Shrinken«

Miniaturisierung von Mixed-Signal-ICs geht anders

23. September 2022, 9:30 Uhr | Von Armin Derpmanns

In der digitalen Welt wird mithilfe kleinerer Prozessstrukturen die Miniaturisierung vorangetrieben. Der Ansatz funktioniert nicht bei Analog- und Leistungselektronik-ICs, hier ist ein komplett anderer Ansatz erforderlich.

Miniaturisierung ist in der Halbleitertechnologie seit ihren Anfängen eine Konstante. Anspruchsvolle Anwendungen erfordern immer kleinere Bauelemente, um in tragbare Geräte zu passen oder Größe und Gewicht in mobilen Anwendungen zu reduzieren – aber zunehmend auch in der Industrie, Medizintechnik und im Bereich Automotive.

Während der Weg zu immer kleineren Bausteinen bei rein digitalen Lösungen relativ klar und verständlich ist, ist er bei Analog- und Leistungshalbleitern wesentlich weniger offensichtlich und folgt anderen Gesetzmäßigkeiten.

In diesem Beitrag geht Toshiba auf die Herausforderungen bei der Verkleinerung von Mixed-Signal-ICs ein und erläutert einige der verwendeten prinzipiellen Ansätze.

Seit langem wird erwartet, dass jede neue Technologiegeneration kleiner oder leistungsfähiger als ihre Vorgängertechnologie ist – oder beides. Denn dann können Ziele wie die Gewichtsreduzierung bei Elektrofahrzeugen, um deren Reichweite zu erhöhen; Verkleinerung von Industrieanlagen wie Robotern und attraktivere und bequemere persönliche/mobile Geräte realisiert werden.

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Herausforderungen bei Analog und Leistungselektronik

Seit den 1960er Jahren, als das »Mooresche Gesetz« zum ersten Mal formuliert wurde, geht man davon aus, dass die grundlegende Technologie integrierter Schaltkreise, die allen Elektronikdesigns zugrunde liegt, alle paar Jahre eine erhebliche Zunahme der Komplexität bei gleichzeitiger Verringerung der Größe und der Kosten mit sich bringt. Dies hat sich weitgehend bewahrheitet, insbesondere bei den rein digitalen Bauelementen wie Logik-ICs und MCUs. Hier erfolgt die Miniaturisierung in erster Linie mithilfe von kleineren Strukturen.

Im Bereich Analog und Leistungselektronik liegen die Dinge jedoch etwas anders. Hier konzentriert sich der Ansatz zur Miniaturisierung mehr auf die Fähigkeit, Designblöcke zu kombinieren und das Gesamtdesign zu verbessern. Einige Bauelemente, wie z.B. Leistungs-MOSFETs, benötigen eine bestimmte physikalische Größe, um niedrige ohmsche (statische) Verluste zu erreichen und die höheren Ströme zu bewältigen, die moderne Anwendungen häufig erfordern. Sofern das Design nicht verbessert werden kann, um den Stromverbrauch zu senken, ist die Größe dieser Bauelemente durch die Gesetze der Physik festgelegt.

Entscheidend für die Integration von Analog- und Leistungselektronikdesigns zusammen mit digitaler Logik ist die Fähigkeit, verschiedene Herstellungsprozesse zusammenzuführen – eine gemeinsame Basis ist erforderlich, um ein Höchstmaß an Integration zu erreichen.

Anders denken!

Für den flüchtigen Betrachter bedeutet Miniaturisierung meist, die Größe des Chips und des dazugehörigen Chip-Gehäuses zu verkleinern. Obwohl dies einige Vorteile mit sich bringt, gibt es auch andere Ansätze, die lohnenswert sein können. Denn letztlich geht es dem Systementwickler nur darum, die Größe und das Gewicht seines Enddesigns zu verringern. Dafür braucht er genau die Halbleiter, mit denen er diese Ziele erreichen kann.

Der Begriff »sinnvolles Shrinken« adressiert genau folgende Tatsache: Oft lässt sich mit einem Halbleiterbauelement ein Design deutlich stärker verkleinern, als das mit dem Halbleiterbaustein selbst möglich wäre. Ein Beispiel ist die Umstellung von Silizium-/Si-MOSFETs auf Materialien mit breiter Bandlücke (WBG; Wide Bandgap) wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN). Durch eine verringerte Gate-Ladung (Qg) können diese Bauelemente bei hohen Frequenzen effizienter arbeiten, wodurch sich die Größe der magnetischen Komponenten und der Aufwand für das Wärmemanagement (z.B. Kühlkörper) aufgrund der verbesserten Effizienz verringern. Andere Beispiele für überarbeitete Halbleiterdesigns, die Designvorteile mit sich bringen, sind fortschrittliche Motorsteuerungen, die ohne externe Komponenten, wie z.B. Nebenschlusswiderstände (Shunts), auskommen. Somit ist die reine Chip-Integration ganz klar nicht der alleinbestimmende Faktor.

Was muss berücksichtigt werden?

Neben der Verbindung der verschiedenen Design-Blöcke innerhalb eines Mixed-Signal-ICs sind noch viele weitere Überlegungen zu berücksichtigen. Dies erfordert zwangsläufig genaues Abwägen der Vor- und Nachteile und benötigt daher erfahrene Entwickler.

Der eigentliche Prozess beginnt mit einem umfassenden Verständnis der Anwendung(en), in der/denen der Baustein zum Einsatz kommen soll. Danach werden die Schnittstellen zwischen den einzelnen Blöcken betrachtet, um sicherzustellen, dass die Treiberstärke (die von einem Block zum anderen gelieferte Energie) angemessen, aber nicht überspezifiziert ist. In einigen Fällen kann es von Vorteil sein, einige Funktionen aus dem analogen Bereich in den digitalen Bereich zu verlagern, in anderen Fällen ist dies aufgrund von Aspekten wie Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Leistung für die Anwendung möglicherweise nicht möglich. Auch Wärmeverluste müssen beachtet werden, denn sie können beispielsweise fortschrittliche Gehäusetechniken mit beidseitiger Kühlung erforderlich machen, was wiederum mit Kosten verbunden ist.

In anspruchsvollen Anwendungen/Umgebungen, wie z.B. unter der Motorhaube, müssen auch die eingesetzten Materialien sorgfältig ausgewählt werden. Aufgrund der extremen (und schnellen) Temperaturschwankungen können sich das Substrat und andere Komponenten unterschiedlich schnell ausdehnen und zusammenziehen (unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizient - CTH), was die Anschlüsse belastet und zu Problemen mit der Zuverlässigkeit führt. Folglich müssen Materialien wie Substrate, aber auch Klebstoffe, sorgfältig ausgewählt werden, um den Anforderungen gerecht zu werden.

In fast allen Fällen ist »machbar« also das deutlich bessere Ziel als nur »kleiner« - auch unter folgender Perspektive: Die Automobilindustrie fordert in vielen Fällen eine automatische optische Inspektion (AOI), und dafür sind sichtbare Anschlüsse notwendig, und das bestimmt letztlich, wie klein ein Gehäuse sein kann.