Embora o caminho para a miniaturização em aplicações puramente digitais esteja bem desenvolvido, em aplicações analógicas e de potência a abordagem continua a ser possível, embora muito menos óbvia.
Neste artigo técnico, a Toshiba irá discutir os desafios da miniaturização de dispositivos de sinal misto e examinar algumas das abordagens utilizadas.
Há muito que se espera que cada geração de tecnologia seja mais pequena ou mais poderosa que a anterior, ou ambas. Existem muitas razões para tal: reduzir o peso dos veículos elétricos para aumentar a sua autonomia, miniaturizar equipamentos industriais como os robôs e tornar os nossos dispositivos pessoais mais atraentes e convenientes.
O Desafio dos Circuitos Analógicos e de Potência:
Desde a década de 1960, quando a Lei de Moore foi cunhada, a expectativa era de que a tecnologia básica de circuitos integrados, que sustenta os projetos eletrónicos, apresentasse um crescimento significativo em complexidade, acompanhado por reduções de tamanho e custo a cada dois anos. Isto confirmou-se em grande parte, principalmente no mundo dos dispositivos puramente digitais, como os circuitos integrados lógicos e os microcontroladores (MCUs). Neste caso, a redução de tamanho refere-se principalmente à redução do tamanho dos componentes através da evolução do processo de fabrico e é amplamente impulsionada pela automatização de design eletrónico (EDA).
No entanto, no mundo dos dispositivos analógicos e de potência, a situação é um pouco diferente. Aqui, o foco da redução de tamanho está mais na capacidade de combinar blocos de projeto e em melhorar o projeto para que isso aconteça. Alguns componentes, como os MOSFET de potência, requerem um determinado tamanho físico para oferecer baixas perdas óhmicas (estáticas) e suportar as correntes mais elevadas normalmente exigidas pelas aplicações modernas. A menos que o projeto possa ser melhorado para reduzir o consumo de energia, as leis da física ditam o tamanho destes tipos de componentes.
A chave para integrar projetos analógicos e de potência com lógica digital é a capacidade de combinar diferentes processos de fabrico: é necessária uma base comum para atingir os mais altos níveis de integração.
Pensar Diferente:
Para o observador casual, a miniaturização significa simplesmente comprimir o encapsulamento do semicondutor num tamanho mais pequeno e, embora isto possa oferecer algumas vantagens, existe normalmente uma abordagem melhor. Em última análise, o projetista do sistema procura reduzir o tamanho e o peso do projeto final e necessita de dispositivos semicondutores que o permitam, dependendo de todas as circunstâncias do projeto.
Aquilo a que se costuma chamar "redução significativa de tamanho" reflete o facto de que uma alteração num dispositivo semicondutor pode permitir reduções de tamanho noutros componentes que são muitas vezes maiores do que o próprio semicondutor. Exemplo disso é a transição de MOSFETs de silício (Si) para materiais de banda larga (WBG), como o carboneto de silício (SiC) ou o nitreto de gálio (GaN). Graças à redução da carga de porta (Qg), estes dispositivos conseguem operar de forma mais eficiente a altas frequências. Como consequência das frequências mais elevadas, o tamanho dos componentes magnéticos é reduzido, assim como o tamanho dos componentes de gestão térmica (como os dissipadores de calor), devido ao aumento da eficiência. Outros exemplos de projetos de semicondutores revistos que oferecem vantagens de projeto são os controladores de motor avançados que podem operar sem a necessidade de componentes externos, como resistências shunt.
Aspetos a considerar:
Para além da conectividade entre os vários componentes de um semicondutor de sinal misto, muitas outras considerações devem ser tidas em conta. Isto exige inevitavelmente uma quantidade significativa de concessões e, por essa razão, exige projetistas altamente experientes.
O processo começa com uma compreensão completa da(s) aplicação(ões) em que o dispositivo será utilizado. A partir daí, as interfaces entre cada um dos blocos são estudadas para garantir que a força de acionamento (a energia fornecida de um bloco para outro) é adequada, mas não excessiva. Em alguns casos, pode ser vantajoso transferir certas funções do domínio analógico para o domínio digital, mas noutros, isto pode não ser adequado para a aplicação devido a aspetos de precisão, fiabilidade e desempenho.
Uma das principais considerações é o percurso das perdas por condutividade, tanto elétrica como térmica. A geração de calor é um dos fatores que determinam o tamanho dos semicondutores, pelo que minimizar as perdas é fundamental. Por exemplo, os designers devem considerar as vantagens e desvantagens de ligar o chip à embalagem com um fio ou clipe de cobre, não só do ponto de vista elétrico e térmico, mas também em termos de fabrico, desempenho e fiabilidade. Para minimizar as perdas por condutividade térmica, pode ser necessária uma embalagem avançada que forneça arrefecimento por ambos os lados, embora isto possa ter implicações económicas.
Em aplicações e ambientes severos, como os que se encontram em aplicações automóveis sob o capô, os materiais devem ser cuidadosamente considerados. Devido às flutuações extremas (e rápidas) de temperatura, o substrato e outros componentes podem expandir-se e contrair-se a taxas diferentes (coeficiente diferencial de expansão térmica - CTH), o que irá exercer pressão sobre as junções, levando a problemas de fiabilidade. Os materiais, como substratos e adesivos, devem ser cuidadosamente escolhidos para se adequarem ao ambiente de aplicação.
Em quase todos os casos, "gerenciável" é um objetivo melhor do que "mais pequeno". Por exemplo, a indústria automóvel tem uma necessidade específica de inspeção ótica automatizada (AOI) que requer rastos visíveis, os quais, em última análise, definem o quão pequena pode ser uma encapsulação.
Exemplo de projeto: Controlador de motor.
Os controladores de motores são dispositivos relativamente complexos e, por isso, um bom exemplo do processo de integração e miniaturização. Normalmente, estes dispositivos consistem em lógica de controlo, drivers de gate e MOSFETs, que podem ser integrados em diversas combinações. Para além do que é fisicamente possível, a prioridade do projetista é determinar o que faz sentido integrar.
Figura 1: São possíveis múltiplas abordagens de integração para MCDs
É evidente que uma solução totalmente integrada poderia conter todos os componentes principais. No entanto, embora isto seja atraente do ponto de vista da organização e simplicidade do circuito, limita a flexibilidade. Uma abordagem alternativa integra apenas a lógica de controlo e os drivers de gate, deixando os MOSFETs como dispositivos externos discretos. Isto permite que os MOSFETs sejam dimensionados para diferentes aplicações, oferecendo maior atratividade (e maiores volumes de produção, o que terá impacto no custo).
A incorporação de novas técnicas de projeto na lógica de controlo pode beneficiar o projeto e facilitar o processo de integração e miniaturização. Por exemplo, o controlo inteligente de fase coloca a corrente e a tensão na mesma fase, reduzindo assim o fator de potência e o consumo de energia, o que aumenta a eficiência e reduz os custos de funcionamento do motor.
Figura 2: Técnicas de design inovadoras favorecem o processo de integração e miniaturização
Num sistema de acionamento de motores convencional, são necessários dois resistores externos (bastante grandes) para a deteção de corrente. No entanto, o inovador Sistema Avançado de Deteção de Corrente (ACDS) da Toshiba substitui estas resistências externas por um circuito de medição integrado inteligente e de alta precisão, simplificando o layout da placa de circuito impresso e poupando espaço no projeto final.
Podem ser incorporadas técnicas adicionais, como o exclusivo Advanced Dynamic Mixed Decay (ADMD) da Toshiba. O ADMD proporciona um seguimento altamente preciso da corrente de entrada, permitindo um controlo muito eficaz do motor a altas rotações. Além disso, as técnicas de controlo de motores sem sensores eliminam a necessidade de sensores de efeito Hall externos, reduzindo ainda mais o tamanho, o custo da lista de materiais e a complexidade.
Considerações Comerciais:
Embora muitas abordagens possam ser tecnicamente viáveis, as considerações comerciais devem ser tidas em conta ao integrar e miniaturizar circuitos integrados. Os profissionais da área de aprovisionamento são cada vez mais pressionados por políticas de múltiplos fornecedores que exigem que os dispositivos com compatibilidade de footprint estejam disponíveis em diversos fabricantes. Embora esta seja uma questão importante por si só, está a levar muitas empresas de semicondutores a manter footprints e atribuições de pinos padrão da indústria para os seus dispositivos. Mesmo com esta exigência, existe ainda a oportunidade de se diferenciar através de um bom design e de técnicas inovadoras, como as descritas anteriormente.
Resumo:
A miniaturização de circuitos integrados de sinal misto contendo elementos analógicos e/ou de potência é muito diferente da miniaturização de um circuito integrado digital. Devido aos processos mistos envolvidos, é necessária uma abordagem diferente e, muitas vezes, o tamanho do próprio circuito integrado pode não ser reduzido, mas podem ser obtidos benefícios significativos em termos de tamanho noutras partes do produto final.
As complexas compensações e decisões sobre o que integrar (e como), bem como as considerações comerciais, exigem engenheiros altamente experientes. A Toshiba está numa posição única neste sentido, graças à sua expertise em lógica de controlo, microcontroladores (MCUs), lógica simples, interligações, pontes, projetos de drivers multigate (baseados nos seus optoacopladores) e MOSFETs de potência.
Autor: Armin Derpmanns, Director Geral de Marketing de Semicondutores, Toshiba Electronics Europe GmbH
