Si la miniaturisation des applications purement numériques est une voie bien établie, elle reste possible, bien que beaucoup moins évidente, pour les applications analogiques et de puissance.
Dans cet article technique, Toshiba aborde les défis de la miniaturisation des dispositifs mixtes et examine certaines approches utilisées.
On s'attend depuis longtemps à ce que chaque génération technologique soit plus compacte ou plus performante que la précédente, voire les deux. Les raisons sont multiples : réduire le poids des véhicules électriques pour augmenter leur autonomie, miniaturiser les équipements industriels tels que les robots et rendre nos appareils personnels plus attrayants et plus pratiques.

Le défi de l'analogique et de la puissance :
Depuis les années 1960, date de la formulation de la loi de Moore, on s'attend à ce que la complexité des circuits intégrés, qui sous-tendent les conceptions électroniques, augmente considérablement, tout en réduisant leur taille et leur coût tous les deux ans. Cette prédiction s'est globalement vérifiée, notamment pour les dispositifs purement numériques, tels que les circuits intégrés logiques et les microcontrôleurs. Dans ce cas, la réduction de taille fait principalement référence à la diminution de la taille des composants grâce à l'évolution des procédés de fabrication et est largement pilotée par l'automatisation de la conception électronique (CAO).
Cependant, dans le domaine des dispositifs analogiques et de puissance, la situation est quelque peu différente. Ici, la réduction de taille vise davantage à combiner des blocs de conception et à optimiser la conception pour y parvenir. Certains composants, comme les MOSFET de puissance, nécessitent une taille physique spécifique pour offrir de faibles pertes ohmiques (statiques) et supporter les courants plus élevés généralement requis par les applications modernes. À moins que la conception ne puisse être améliorée pour réduire la consommation d'énergie, les lois de la physique dictent la taille de ces types de composants.
La clé de l'intégration des conceptions analogiques et de puissance avec la logique numérique réside dans la capacité à fusionner différents processus de fabrication : une base commune est nécessaire pour atteindre les plus hauts niveaux d'intégration.

Une autre perspective :
Pour un observateur non averti, la miniaturisation se résume à réduire la taille du boîtier du semi-conducteur. Si cette approche peut présenter certains avantages, il existe souvent de meilleures solutions. En définitive, le concepteur du système cherche à réduire la taille et le poids du dispositif final et a besoin de semi-conducteurs qui le permettent, en fonction des spécificités du projet.
Ce que l’on appelle souvent une « réduction de taille significative » illustre le fait qu’une modification apportée à un semi-conducteur peut permettre des réductions de taille ailleurs, bien supérieures à celles du semi-conducteur lui-même. On peut citer l’exemple du passage des MOSFET en silicium (Si) aux matériaux à large bande interdite (WBG) tels que le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de gallium (GaN). Grâce à la réduction de la charge de grille (Qg), ces dispositifs fonctionnent plus efficacement à hautes fréquences. Par conséquent, la taille des composants magnétiques et celle des composants de gestion thermique (comme les dissipateurs de chaleur) sont réduites grâce à l’amélioration du rendement. Parmi les autres exemples de conceptions de semi-conducteurs révisées offrant des avantages en matière de conception, on peut citer les contrôleurs de moteurs avancés qui peuvent fonctionner sans avoir besoin de composants externes, tels que des résistances shunt.

Points à considérer :
Outre la connectivité entre les différents composants d'un semi-conducteur mixte, de nombreux autres aspects doivent être pris en compte. Ceci implique inévitablement des compromis importants et requiert, de ce fait, des concepteurs hautement qualifiés.
Le processus débute par une compréhension approfondie de la ou des applications pour lesquelles le dispositif sera utilisé. Ensuite, les interfaces entre chaque bloc sont étudiées afin de garantir que la force de commande (l'énergie fournie d'un bloc à l'autre) est adéquate sans être surdimensionnée. Dans certains cas, il peut être avantageux de transférer certaines fonctions du domaine analogique au domaine numérique, mais dans d'autres, cela peut s'avérer inadapté à l'application en raison de contraintes de précision, de fiabilité et de performance.

L'un des principaux points à considérer est le chemin des pertes par conduction, tant électriques que thermiques. La génération de chaleur est l'un des facteurs déterminants de la taille des semi-conducteurs ; il est donc important de minimiser ces pertes. Par exemple, les concepteurs doivent prendre en compte les compromis liés à la connexion de la puce au boîtier par un fil ou une agrafe en cuivre, non seulement du point de vue électrique et thermique, mais aussi en termes de fabrication, de performances et de fiabilité. Pour minimiser les pertes par conduction thermique, un boîtier avancé assurant un refroidissement bilatéral peut s'avérer nécessaire, malgré les implications économiques que cela peut engendrer.
Dans les applications et environnements difficiles, comme ceux rencontrés dans les systèmes automobiles, le choix des matériaux doit être mûrement réfléchi. En raison des fluctuations de température extrêmes (et rapides), le substrat et les autres composants peuvent se dilater et se contracter à des vitesses différentes (coefficient de dilatation thermique différentiel – CTH), ce qui exerce une contrainte sur les jonctions et engendre des problèmes de fiabilité. Les matériaux, tels que les substrats et les adhésifs, doivent être soigneusement sélectionnés en fonction de l'environnement d'application.
Dans la quasi-totalité des cas, il est préférable d'opter pour une solution « gérable » plutôt que « miniaturisée ». Par exemple, l'industrie automobile a un besoin particulier d'inspection optique automatisée (AOI) qui nécessite des pistes visibles, qui définissent en fin de compte la taille minimale d'une encapsulation.

Exemple de conception : Contrôleur de moteur.
Les contrôleurs de moteur sont des dispositifs relativement complexes et constituent donc un bon exemple du processus d’intégration et de miniaturisation. Ils se composent généralement d’une logique de commande, de circuits de commande de grille et de MOSFET, qui peuvent être intégrés de diverses manières. Au-delà des contraintes physiques, le concepteur doit avant tout déterminer les composants pertinents à intégrer.

Figure 1 : Plusieurs approches d'intégration sont possibles pour les MCD

Il est clair qu'une solution entièrement intégrée pourrait contenir tous les composants principaux. Cependant, bien que séduisante du point de vue de la propreté, elle limite la flexibilité. Une approche alternative consiste à intégrer uniquement la logique de commande et les circuits de commande de grille, laissant les MOSFET comme des composants externes discrets. Ceci permet de dimensionner les MOSFET pour différentes applications, ce qui est plus attractif (et permet des volumes de production plus importants, ce qui influe sur le coût).
L'intégration de nouvelles techniques de conception dans la logique de commande peut améliorer la conception et faciliter l'intégration et la miniaturisation. Par exemple, la commande de phase intelligente synchronise le courant et la tension, réduisant ainsi le facteur de puissance et la consommation d'énergie, ce qui accroît le rendement et diminue les coûts d'exploitation du moteur.

Figure 2 : Les techniques de conception innovantes favorisent le processus d'intégration et de miniaturisation

Dans un système d'entraînement moteur classique, deux résistances de détection de courant externes (relativement volumineuses) sont nécessaires. Cependant, le système innovant ACDS (Advanced Current Sensing System) de Toshiba remplace ces résistances externes par un circuit de mesure intégré intelligent et de haute précision, simplifiant ainsi la conception du circuit imprimé et optimisant l'espace dans le système final.
Des techniques supplémentaires, telles que la technologie ADMD (Advanced Dynamic Mixed Decay) exclusive à Toshiba, peuvent être intégrées. L'ADMD assure un suivi très précis du courant d'entrée, permettant une commande moteur très efficace à haut régime. De plus, les techniques de commande moteur sans capteur éliminent le besoin de capteurs à effet Hall externes, réduisant ainsi la taille, le coût du nomenclature et la complexité.

Considérations commerciales :
Bien que de nombreuses approches soient techniquement réalisables, il est essentiel de prendre en compte les aspects commerciaux lors de l’intégration et de la miniaturisation des circuits intégrés. Les responsables de la chaîne d’approvisionnement sont de plus en plus influencés par des politiques de multi-fournisseurs exigeant la disponibilité de composants compatibles en termes d’empreinte auprès de plusieurs fabricants. Bien que ce point soit important en soi, il conduit de nombreuses entreprises de semi-conducteurs à maintenir des empreintes et des brochages standardisés pour leurs composants. Malgré cette exigence, il reste possible de se différencier grâce à une conception soignée et à des techniques innovantes, telles que celles décrites précédemment.

Résumé :
La miniaturisation des circuits intégrés mixtes (analogiques et/ou de puissance) diffère sensiblement de celle des circuits intégrés numériques. Du fait de la diversité des procédés mis en œuvre, une approche différente s’impose. Souvent, la taille du circuit intégré lui-même ne peut être réduite, mais des gains de taille significatifs peuvent être obtenus ailleurs dans le produit final.
Les compromis complexes et les décisions relatives aux composants à intégrer (et à leur intégration), ainsi que les considérations commerciales, exigent des ingénieurs hautement qualifiés. Toshiba occupe une position unique à cet égard, grâce à son expertise en logique de commande, microcontrôleurs, logique simple, interconnexions, ponts, conception de circuits de commande multi-grilles (basés sur ses optocoupleurs) et MOSFET de puissance.

Auteur : Armin Derpmanns, directeur général du marketing des semi-conducteurs chez Toshiba Electronics Europe GmbH