Хотя путь к миниатюризации в чисто цифровых приложениях хорошо разработан, в аналоговых и силовых приложениях этот подход остается возможным, хотя и гораздо менее очевидным.
В этой технической статье компания Toshiba обсудит проблемы миниатюризации устройств смешанного сигнала и рассмотрит некоторые из используемых подходов.
Давно ожидалось, что каждое поколение технологий будет меньше или мощнее своего предшественника, или и то, и другое. Причин этому много: снижение веса электромобилей для увеличения запаса хода, миниатюризация промышленного оборудования, такого как роботы, и повышение привлекательности и удобства наших персональных устройств.
Проблемы аналоговых и силовых устройств:
С 1960-х годов, когда был сформулирован закон Мура, ожидалось, что базовая технология интегральных схем, лежащая в основе электронных разработок, будет демонстрировать значительный рост сложности, сопровождающийся уменьшением размеров и стоимости каждые два года. В значительной степени это подтвердилось, особенно в мире чисто цифровых устройств, таких как логические интегральные схемы и микроконтроллеры (MCU). В этом случае уменьшение размеров в основном относится к уменьшению размеров элементов за счет эволюции технологического процесса и в значительной степени обусловлено автоматизацией проектирования электроники (EDA).
Однако в мире аналоговых и силовых устройств ситуация несколько иная. Здесь акцент в уменьшении размеров делается на возможности комбинирования блоков проектирования и на улучшении конструкции для достижения этой цели. Некоторые компоненты, такие как силовые MOSFET-транзисторы, требуют определенного физического размера для обеспечения низких омических (статических) потерь и работы с более высокими токами, обычно требуемыми в современных приложениях. Если конструкцию нельзя улучшить для снижения энергопотребления, законы физики диктуют размеры таких компонентов.
Ключ к интеграции аналоговых и силовых схем с цифровой логикой заключается в возможности объединения различных производственных процессов: для достижения высочайшего уровня интеграции необходима общая основа.
Нестандартный подход:
для непосвященного наблюдателя миниатюризация просто означает уменьшение размеров полупроводникового корпуса, и хотя это может дать некоторые преимущества, часто существует более эффективный подход. В конечном итоге, разработчик системы стремится уменьшить размер и вес конечной конструкции и нуждается в полупроводниковых устройствах, которые позволяют это сделать, в зависимости от всех обстоятельств проекта.
То, что часто называют «значительным уменьшением размеров», отражает тот факт, что изменение одного полупроводникового устройства может привести к уменьшению размеров в других областях, во много раз превышающему размер самого полупроводника. Примером этого является переход от кремниевых (Si) MOSFET к широкозонным материалам (WBG), таким как карбид кремния (SiC) или нитрид галлия (GaN). Благодаря уменьшению заряда затвора (Qg) эти устройства способны работать более эффективно на высоких частотах. В результате более высоких частот уменьшается размер магнитных компонентов, а также размер компонентов системы терморегулирования (таких как радиаторы) из-за повышения эффективности. Другие примеры усовершенствованных полупроводниковых схем, обеспечивающих преимущества в проектировании, — это передовые контроллеры двигателей, которые могут работать без необходимости использования внешних компонентов, таких как шунтирующие резисторы.
Области, которые следует учитывать:
Помимо взаимосвязи между различными компонентами полупроводникового устройства смешанного сигнала, необходимо учитывать множество других факторов. Это неизбежно требует значительных компромиссов и, по этой причине, предполагает наличие высококвалифицированных разработчиков.
Процесс начинается с тщательного понимания области применения устройства. Затем изучаются интерфейсы между каждым из блоков, чтобы убедиться, что управляющая сила (энергия, передаваемая от одного блока к другому) является достаточной, но не избыточной. В некоторых случаях может быть выгодно перенести определенные функции из аналоговой области в цифровую, но в других случаях это может быть неприемлемо для данного приложения из-за аспектов точности, надежности и производительности.
Одним из главных факторов, которые необходимо учитывать, является путь потерь проводимости, как электрических, так и тепловых. Выделение тепла является одним из факторов, определяющих размер полупроводников, поэтому минимизация потерь имеет важное значение. Например, разработчики должны учитывать компромиссы при соединении кристалла с корпусом медным проводом или зажимом не только с электрической и тепловой точки зрения, но и с точки зрения производства, производительности и надежности. Для минимизации потерь теплопроводности может потребоваться усовершенствованный корпус, обеспечивающий охлаждение с обеих сторон, хотя это может иметь экономические последствия.
В жестких условиях эксплуатации, таких как в автомобильных системах, необходимо тщательно выбирать материалы. Из-за экстремальных (и быстрых) колебаний температуры подложка и другие компоненты могут расширяться и сжиматься с разной скоростью (дифференциальный коэффициент теплового расширения - CTH), что создает нагрузку на соединения и приводит к проблемам с надежностью. Материалы, такие как подложки и клеи, должны быть тщательно подобраны в соответствии с условиями эксплуатации.
Практически во всех случаях «управляемый» размер является более предпочтительной целью, чем «меньший размер»; Например, автомобильная промышленность особенно нуждается в автоматизированном оптическом контроле (АОИ), который требует видимых следов, определяющих, насколько малым может быть размер инкапсулированного элемента.
Пример проектирования: контроллер двигателя.
Контроллеры двигателей — относительно сложные устройства и, следовательно, хороший пример процесса интеграции и миниатюризации. Как правило, эти устройства состоят из управляющей логики, драйверов затворов и MOSFET-транзисторов, которые могут быть интегрированы в различных комбинациях. Помимо того, что физически возможно, приоритетом для разработчика является определение того, что имеет смысл интегрировать.
Рисунок 1: Для MCD возможны различные подходы к интеграции
Очевидно, что полностью интегрированное решение могло бы содержать все основные компоненты. Однако, хотя это привлекательно с точки зрения чистоты конструкции, это ограничивает гибкость. Альтернативный подход интегрирует только логику управления и драйверы затворов, оставляя MOSFET-транзисторы в качестве дискретных внешних устройств. Это позволяет подобрать размеры MOSFET-транзисторов для различных применений, что делает их более привлекательными (и позволяет увеличить объемы производства, что повлияет на стоимость).
Внедрение новых методов проектирования в логику управления может улучшить конструкцию и упростить процесс интеграции и миниатюризации. Например, интеллектуальное управление фазой приводит ток и напряжение в одну фазу, тем самым снижая коэффициент мощности и энергопотребление, что повышает эффективность и снижает эксплуатационные расходы двигателя.
Рисунок 2: Инновационные методы проектирования способствуют процессу интеграции и миниатюризации
В традиционных системах управления двигателем требуется пара (довольно больших) внешних резисторов для измерения тока. Однако инновационная система измерения тока Advanced Current Sensing System (ACDS) от Toshiba заменяет эти внешние резисторы интеллектуальной, высокоточной интегральной измерительной схемой, упрощая компоновку печатной платы и экономя место в конечном проекте.
Могут быть использованы дополнительные технологии, такие как уникальная технология Advanced Dynamic Mixed Decay (ADMD) от Toshiba. ADMD обеспечивает высокоточное отслеживание входного тока, что позволяет эффективно управлять двигателем на высоких оборотах. Кроме того, бессенсорные методы управления двигателем исключают необходимость использования внешних датчиков Холла, что еще больше уменьшает габариты, стоимость комплектующих и сложность.
Коммерческие соображения:
Хотя многие подходы могут быть технически осуществимы, при интеграции и миниатюризации интегральных схем необходимо учитывать коммерческие соображения. Специалисты по снабжению все чаще руководствуются политикой многоканального производства, требующей наличия совместимых по размерам устройств от нескольких производителей. Хотя это само по себе важный вопрос, он заставляет многие полупроводниковые компании поддерживать стандартные для отрасли размеры и назначение выводов для своих устройств. Даже при наличии этого требования все еще существует возможность выделиться за счет качественного проектирования и инновационных методов, таких как описанные выше.
Аннотация:
Миниатюризация интегральных схем смешанных сигналов, содержащих аналоговые и/или силовые элементы, существенно отличается от миниатюризации цифровых интегральных схем. Из-за использования смешанных технологических процессов необходим иной подход, и зачастую размер самой интегральной схемы может не уменьшаться, но значительные преимущества в размерах могут быть достигнуты в других областях конечного продукта.
Сложные компромиссы и решения относительно того, что интегрировать (и как), а также коммерческие соображения требуют высококвалифицированных инженеров. Компания Toshiba занимает уникальное положение в этом отношении благодаря своей экспертизе в области управляющей логики, микроконтроллеров, простой логики, межсоединений, мостов, многозатворных драйверов (на основе своих оптопар) и силовых MOSFET-транзисторов.
Автор: Армин Дерпманс, генеральный директор по маркетингу полупроводников, Toshiba Electronics Europe GmbH.
