Während die Miniaturisierung in rein digitalen Anwendungen weit fortgeschritten ist, bleibt dieser Ansatz in analogen und Leistungselektronikanwendungen zwar möglich, aber deutlich weniger offensichtlich.
In diesem Fachartikel erörtert Toshiba die Herausforderungen der Miniaturisierung von Mixed-Signal-Bausteinen und untersucht einige der angewandten Ansätze.
Es wird seit Langem erwartet, dass jede Technologiegeneration kleiner oder leistungsstärker als ihre Vorgängerin sein wird – oder beides. Dafür gibt es viele Gründe: die Gewichtsreduzierung von Elektrofahrzeugen zur Erhöhung ihrer Reichweite, die Miniaturisierung von Industrieanlagen wie Robotern und die Steigerung der Attraktivität und Benutzerfreundlichkeit unserer persönlichen Geräte.

Die Herausforderung von Analog- und Leistungselektronik:
Seit den 1960er-Jahren, als das Mooresche Gesetz formuliert wurde, wird erwartet, dass die grundlegende Technologie integrierter Schaltungen, die elektronischen Designs zugrunde liegt, alle zwei Jahre ein signifikantes Wachstum der Komplexität aufweist, begleitet von einer Verringerung von Größe und Kosten. Dies hat sich weitgehend bewahrheitet, insbesondere im Bereich rein digitaler Geräte wie Logik-ICs und Mikrocontroller (MCUs). In diesem Fall bezieht sich die Größenreduzierung primär auf die Verkleinerung von Strukturen durch Prozessoptimierung und wird maßgeblich durch die elektronische Designautomatisierung (EDA) vorangetrieben.
Im Bereich analoger und Leistungselektronik verhält es sich jedoch etwas anders. Hier liegt der Fokus der Größenreduzierung eher auf der Möglichkeit, Designblöcke zu kombinieren und das Design entsprechend zu verbessern. Einige Komponenten, wie beispielsweise Leistungs-MOSFETs, benötigen eine bestimmte physikalische Größe, um geringe ohmsche (statische) Verluste zu gewährleisten und die in modernen Anwendungen typischerweise höheren Ströme zu bewältigen. Sofern das Design nicht zur Reduzierung des Energieverbrauchs verbessert werden kann, bestimmen die Gesetze der Physik die Größe dieser Komponenten.
Der Schlüssel zur Integration von Analog- und Leistungselektronik mit digitaler Logik liegt in der Fähigkeit, unterschiedliche Fertigungsprozesse zu vereinen: Eine gemeinsame Grundlage ist erforderlich, um ein Höchstmaß an Integration zu erreichen.

Anders denken:
Für den Laien bedeutet Miniaturisierung lediglich, das Halbleitergehäuse zu verkleinern. Dies bietet zwar Vorteile, doch oft gibt es einen besseren Ansatz. Letztendlich strebt der Systementwickler danach, Größe und Gewicht des finalen Designs zu reduzieren und benötigt dafür – abhängig von den jeweiligen Projektbedingungen – Halbleiterbauelemente, die dies ermöglichen.
Die sogenannte „signifikante Verkleinerung“ verdeutlicht, dass die Änderung eines Halbleiterbauelements Größenreduzierungen an anderer Stelle bewirken kann, die um ein Vielfaches größer sind als die des Halbleiters selbst. Ein Beispiel hierfür ist der Wechsel von Silizium-MOSFETs (Si-MOSFETs) zu Materialien mit breiter Bandlücke (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN). Durch die Reduzierung der Gate-Ladung (Qg) arbeiten diese Bauelemente effizienter bei hohen Frequenzen. Infolge der höheren Frequenzen verringert sich die Größe magnetischer Komponenten sowie – aufgrund der gesteigerten Effizienz – die Größe von Komponenten für das Wärmemanagement (wie Kühlkörper). Weitere Beispiele für überarbeitete Halbleiterdesigns, die Designvorteile bieten, sind fortschrittliche Motorsteuerungen, die ohne externe Bauteile wie Shunt-Widerstände auskommen.

Zu berücksichtigende Aspekte:
Neben der Vernetzung der verschiedenen Komponenten eines Mixed-Signal-Halbleiters müssen zahlreiche weitere Faktoren beachtet werden. Dies erfordert zwangsläufig eine Reihe von Kompromissen und somit hochqualifizierte Entwickler.
Der Prozess beginnt mit einem gründlichen Verständnis der Anwendung(en), in der/denen das Bauelement eingesetzt werden soll. Anschließend werden die Schnittstellen zwischen den einzelnen Blöcken untersucht, um sicherzustellen, dass die Ansteuerkraft (die von einem Block zum anderen übertragene Energie) ausreichend, aber nicht überdimensioniert ist. In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, bestimmte Funktionen vom analogen in den digitalen Bereich zu übertragen, in anderen Fällen ist dies aufgrund von Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Leistung jedoch nicht zielführend.

Ein wichtiger Aspekt ist der Verlauf der Wärmeleitverluste, sowohl elektrischer als auch thermischer Art. Die Wärmeentwicklung ist einer der Faktoren, die die Größe von Halbleitern bestimmen, daher ist die Minimierung von Verlusten entscheidend. Beispielsweise müssen Entwickler die Vor- und Nachteile der Verbindung des Chips mit dem Gehäuse mittels Kupferdraht oder Klemme abwägen – nicht nur unter elektrischer und thermischer Sicht, sondern auch im Hinblick auf Fertigung, Leistung und Zuverlässigkeit. Um Wärmeleitverluste zu minimieren, kann ein fortschrittliches Gehäuse mit beidseitiger Kühlung erforderlich sein, was jedoch wirtschaftliche Folgen haben kann.
In anspruchsvollen Anwendungen und Umgebungen, wie sie beispielsweise im Motorraum von Kraftfahrzeugen vorkommen, müssen die Materialien sorgfältig ausgewählt werden. Aufgrund extremer (und schneller) Temperaturschwankungen dehnen sich Substrat und andere Komponenten unterschiedlich stark aus und ziehen sich zusammen (unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizient – ​​CTH). Dies führt zu Spannungen an den Übergängen und damit zu Zuverlässigkeitsproblemen. Materialien wie Substrate und Klebstoffe müssen daher sorgfältig auf die jeweilige Anwendungsumgebung abgestimmt werden.
In fast allen Fällen ist „handhabbar“ ein besseres Ziel als „kleiner“. Beispielsweise besteht in der Automobilindustrie ein besonderer Bedarf an automatisierter optischer Inspektion (AOI), die sichtbare Spuren erfordert, welche letztendlich bestimmen, wie klein eine Verkapselung sein kann.

Designbeispiel: Motorsteuerung.
Motorsteuerungen sind relativ komplexe Bauteile und daher ein gutes Beispiel für Integration und Miniaturisierung. Typischerweise bestehen sie aus Steuerlogik, Gate-Treibern und MOSFETs, die in verschiedenen Kombinationen integriert werden können. Neben den physikalischen Möglichkeiten liegt die Priorität des Entwicklers darin, die sinnvollsten Integrationskomponenten zu ermitteln.

Abbildung 1: Für MCDs sind mehrere Integrationsansätze möglich

Es ist offensichtlich, dass eine vollständig integrierte Lösung alle Hauptkomponenten enthalten könnte. Dies ist zwar aus Gründen der Sauberkeit vorteilhaft, schränkt aber die Flexibilität ein. Ein alternativer Ansatz integriert lediglich die Steuerlogik und die Gate-Treiber, während die MOSFETs als separate externe Bauelemente fungieren. Dadurch können die MOSFETs für verschiedene Anwendungen dimensioniert werden, was die Attraktivität erhöht (und höhere Produktionsvolumina ermöglicht, was sich auf die Kosten auswirkt).
Die Integration neuer Designtechniken in die Steuerlogik kann die Konstruktion verbessern und die Integration sowie die Miniaturisierung erleichtern. Beispielsweise sorgt die intelligente Phasensteuerung dafür, dass Strom und Spannung in derselben Phase liegen. Dadurch werden der Leistungsfaktor und der Energieverbrauch reduziert, was die Effizienz steigert und die Betriebskosten des Motors senkt.

Abbildung 2: Innovative Designtechniken begünstigen den Integrations- und Miniaturisierungsprozess

In herkömmlichen Motorantriebssystemen werden zwei (vergleichsweise große) externe Strommesswiderstände benötigt. Toshibas innovatives Advanced Current Sensing System (ACDS) ersetzt diese externen Widerstände jedoch durch eine intelligente, hochpräzise integrierte Messschaltung. Dies vereinfacht das Leiterplattenlayout und spart Platz im finalen Design.
Zusätzliche Verfahren wie Toshibas einzigartiges Advanced Dynamic Mixed Decay (ADMD) können integriert werden und ermöglichen eine hochpräzise Erfassung des Eingangsstroms sowie eine sehr effektive Motorsteuerung bei hohen Drehzahlen. Darüber hinaus entfällt durch sensorlose Motorsteuerungstechniken der Bedarf an externen Hall-Effekt-Sensoren, wodurch Größe, Materialkosten und Komplexität weiter reduziert werden.

Wirtschaftliche Überlegungen:
Viele Ansätze sind zwar technisch machbar, doch müssen bei der Integration und Miniaturisierung integrierter Schaltungen auch wirtschaftliche Aspekte berücksichtigt werden. Zulieferer sehen sich zunehmend mit Multi-Source-Richtlinien konfrontiert, die die Verfügbarkeit von Bauelementen mit kompatibler Bauform von verschiedenen Herstellern erfordern. Dies ist an sich schon ein wichtiges Thema und führt dazu, dass viele Halbleiterunternehmen weiterhin branchenübliche Bauformen und Pinbelegungen für ihre Bauelemente beibehalten. Trotz dieser Vorgabe besteht weiterhin die Möglichkeit, sich durch gutes Design und innovative Techniken, wie die oben beschriebenen, zu differenzieren.

Zusammenfassung:
Die Miniaturisierung von Mixed-Signal-ICs mit analogen und/oder Leistungskomponenten unterscheidet sich grundlegend von der Miniaturisierung digitaler ICs. Aufgrund der unterschiedlichen Fertigungsprozesse ist ein anderer Ansatz erforderlich. Oftmals lässt sich die Größe des ICs selbst nicht reduzieren, jedoch können an anderer Stelle im Endprodukt signifikante Größenvorteile erzielt werden.
Die komplexen Abwägungen und Entscheidungen hinsichtlich der zu integrierenden Komponenten (und der Integrationsmethoden) sowie die zu berücksichtigenden wirtschaftlichen Aspekte erfordern hochqualifizierte Ingenieure. Toshiba ist in diesem Bereich dank seiner Expertise in den Bereichen Steuerlogik, Mikrocontroller, einfache Logik, Verbindungstechnik, Brückenschaltungen, Multigate-Treiber (basierend auf Optokopplern) und Leistungs-MOSFETs optimal aufgestellt.

Autor: Armin Derpmanns, General Manager Semiconductor Marketing, Toshiba Electronics Europe GmbH