Шумахер У. Полупроводниковая электроника

лектуальные силовые приборы. Меньше выпускается электронных устройств большой мощности. Тем не менее, доля так называемой кремниевой начинки в цене данных устройств очень велика. В сегменте интеллектуальной силовой электроники ценовой прессинг относительно высок. Самые низкие цены наблюдаются в сегменте бытовой электроники.

Различные профили могут быть получены в оптимальном виде только при использовании специально адаптированных технологий, применяющихся на начальном (front-end) этапе (изготовление полупроводниковых пластин) и конечном этапе (back-end) разработки (изготовление корпусов). В качестве примера, на Рис. 3.3 представлены технологии исследований и разработки, необходимые для автомобильной электроники. Именно поэтому компания Infineon предлагает оптимизированные приборы для каждого подсегмента рынка. Следовательно, компания Infineon является поставщиком системных решений. В структуру компании Infineon Technologies входят подразделения автомобильной электроники (Automotive Power), промышленной электроники (Industrial Power), микроконтроллеров (Microcontrollers) и датчиков (Advanced Sensors), каждое из которых охватывает свой подсегмент рынка.

3.2. Разработка продукции

Разработка продукции начинается с идеи. Начиная с этого момента, заданная спецификация согласовывается с одним или несколькими потенциальными заказчиками. Затем возможность реализации проекта проверяется при помощи компьютерного моделирования самого объекта или системы в целом, т.е. заказчик задаёт технические параметры устройства, а специалисты конструкторского отдела Infineon прово-

дят его разработку, подбирая оптимальные технологии, используемые на начальном (front-end) и конечном (back-end) этапах проекта, под требования приложений.

Вслед за успешным анализом технической реализуемости начинается этап создания продукции с коммерческого планирования. После составления этого плана отделом менеджмента, разрабатывается концепция создания продукции. Затем задаются и определяются начальный и конечный этапы реализации продукции.

Когда все важные параметры будут заданы, начинается производство первой партии полупроводниковых пластин. Если никакие исправления не требуются, то этап технического задания и реализации на этом завершается. Следом за ним начинается этап оценки и маркетинга проекта.

После создания полупроводниковой пластины и её корпусирования на конечном этапе разработки, полученные приборы измеряются, проводятся испытания в схеме применения, и, если результаты удовлетворительные, выпускается опытная партия. Разработка продукции завершается только в том случае, если сделаны все необходимые доработки, технические характеристики полностью соответствуют требованиям и продемонстрирована надёжная работа изделия. С данного момента предварительная спецификация считается готовой. Заказчик получает опытные образцы для разработки конечного устройства.

В дополнение к этому, некоторые заказчики получают оценочный комплект. Он состоит из готовой платы, на которой реализована эталонная схема применения, протоколов испытаний и руководства по применению, полного программного обеспечения, которое может понадобиться для управления прибором, и контактные данные ответственных специалистов для решения технических вопросов. Специалисты

по применению работают с заказчиком до полного завершения проекта. При возникновении проблем он может также проконсультироваться со специалистом по конкретному прибору в головном офисе компании. Например, совместно с заказчиком можно провести моделирование тепловых процессов во всём электронном блоке управления. Или при возникновении электромагнитных помех в устройстве соответствующий электронный блок управления может быть оптимизирован совместно со специалистами компании Infineon по электромагнитной совместимости.

Затем опытные образцы передаются на квалификационные испытания, которые проводятся под наблюдением соответствующего подразделения. После этого приборы передаются в серию, и начинается постепенное наращивание объёмов производства. После изготовления достаточно большого количества партий продукции, отдел маркетинга выпускает окончательную спецификацию (datasheet), и начинаются крупносерийные поставки.

3.2.1.Различия процессов разработки продукции

Существуют основные отличия в процессе разработки, в зависимости от которых разрабатываемая микросхема будет стандартной (широкого применения), специализированной стандартной, называемой также полузаказной (Application Specific Standard Product — ASSP) или узко специа-

лизированной, заказной (Application Specific Integrated Circuit — ASIC).

Стандартные ИС не имеют чётко выраженной специализации. Они должны использоваться как можно б=ольшим числом потребителей в как можно большем количестве приложений. Поскольку такие ИС легко скопировать, быстро развивается конкурентная среда с относительно высоким ценовым давлением.

С другой стороны, специализированные стандартные ИС (ASSP) предназначены для конкретного применения и используются, главным образом, ограниченным числом потребителей. Они могут быть рационально использованы только в определённых приложениях, для которых они предназначены. Примеры современных специализированных ИС: — мостовая схема управления электроприводом дроссельной заслонки (система ETC) TLE7209, специализированная микросхема питания для подушек безопасности TLE6711 или набор микросхем для передних дверей автомобиля, состоящий из микросхемы питания и передачи данных TLE6263 и многофункционального драйвера TLE7201.

Тенденция к применению ASSP пояснена на примере микросхемы управления дверями автомобиля, приведённой на Рис. 3.4. При использовании автомобильного источника питания с напряжением 42 В в одной микросхеме можно объединить полный набор силовых функций. В принципе, в эту микросхему также можно включить и микроконтроллер.

Заказные ИС (ASIC) полностью изготавливаются в соответствии с требованиями заказчика. Основная цель — реализация пожеланий заказчика. Только в редких случаях возможна работа с заказчиками для дальнейшей оптимизации системы. В этом случае важным фактором для компаний-изго- товителей оборудования (OEM), например автопроизводителей, является возможность участия в разработке (Рис. 3.5).

Это единственный способ для решения спорных вопросов, которые могут существовать и которые непременно возникнут в «конвейерной структуре» OEM — поставщик автоэлектроники — поставщик полупроводниковых приборов.

С другой стороны, в случае использования ASSP и тем более стандартной продукции необходимо провести исследования рынка, опросив большое количество потребителей, чтобы получить наиболее широкую область применения. Это единственная возможность обсудить функции готовых наборов микросхем. Организация производства в компании Infineon (датчики, микроконтроллеры и силовые микросхемы) позволяет добиться комплексного подхода при изготовлении печатных плат различных устройств (т.е. по возможности организовать поставку всех микросхем для печатной платы в виде системного набора микросхем).

3.3. Группы продукции

Для того чтобы классифицировать силовые полупроводниковые приборы по группам, рассмотрим их характеристики как функцию от уровня интеграции (сложности). Из Рис 3.6 видно, что простые компоненты, МОП-транзисторы и IGBT находятся в начале оси «характеристик» (сложность).

Если к МОП-транзистору или IGBT добавить схемы защиты, то в самом простом случае мы получим так называемый TEMPFET (MOSFET с защитой от перегрева). Силовые полупроводниковые приборы с дополнительными интеллектуальными устройствами контроля состояния обычно называются SmartFET. Далее можно выделить PROFET (защищённые полевые транзисторы), или верхние ключи (располагаются между плюсом источника питания и нагрузкой, второй вывод нагрузки подключён к земле) и HITFET (полевые транзисторы с высокой степенью интеграции), или нижние ключи (см. подраздел 3.4.3).

Если объединить несколько интеллектуальных полевых транзисторов и добавить дополнительные функции, то мы получим интеллектуальную силовую микросхему (PIC — от англ. smart Power Integrated Circuit). К этой группе относятся многоканальные ключи, полумостовые и мостовые микросхемы (полумостовая микросхема состоит из двух последовательно соединённых ключей между положительной и отрицательной шинами источника питания), микросхемы источников питания и микросхемы линейных драйверов.

Ещё более высокий уровень интеграции ведёт к появлению так называемых силовых системных микросхем. Они изготавливаются и оптимизированы по стоимости специально для конкретной задачи (например, для управления подушками безопасности или антиблокировочной системы тормозов).

Наивысшие уровни интеграции достигаются путём использования встроенных силовых устройств. Это, по крайней мере теоретически, законченные системы на одном кристалле или на нескольких кристаллах в одном корпусе. Однако, на сегодняшний

Эксплуатационные характеристики

силовые модули

одном корпусе и силовых приборов

систем

микросхемы,

Сложность

день, только в редких случаях этот путь является экономически оправданным.

3.4.Технология изготовления полупроводниковых пластин (начальный этап проекта)

Каждая группа продукции может оптимальным образом быть изготовлена при использовании какой-то конкретной технологии. В области силовой электроники используется множество технологий. Это и базовая биполярная, МОП-, комплементарная МОП- (C-MOS) и силовая МОПтехнологии (D-MOS), а также их комбина-

ции. На Рис. 3.7 показаны связи этих технологий с группами продукции.

3.4.1. Базовые технологии

КМОП-технология

Эта технология получила название КМОП (комплементарная МОП), так как в ней используются только p- и n-канальные МОП-транзисторы, резисторы и конденсаторы. Транзистор изготавливается в карманах p- и n-типа с затвором из поликристаллического кремния. В качестве резистора можно использовать слой из поликремния. Обкладками конденсатора служат слой по-

ликремния и легированная подложка, а диэлектриком — оксидный слой. КМОП-тех- нология оптимизирована для реализации логических функций. По существу, с её помощью можно создавать устройства с очень низкими напряжениями питания (5 В, 3 В, 1.8 В), а это позволяет использовать компоненты небольшого размера с высокой степенью интеграции. На КМОП-транзисто- рах могут быть также реализованы аналоговые функции. Компания Infineon располагает целым рядом технологических процессов (C5, C6, …, C11) производства логических схем, некоторые из которых используются при изготовлении микросхем ЭСППЗУ или флэш-памяти.

Биполярная технология

В биполярной технологии в качестве активных элементов используются n-p-n и p- n-p биполярные транзисторы. Для чисто биполярных структур не требуются затворы из поликремния. Следовательно, подобные технологические процессы включают меньшее количество операций и поэтому очень рентабельны. Степень интеграции зависит от класса технологии по пробивному напряжению. Класс напряжения зависит от размеров интегральных транзисторов. DOPL — это биполярная технология, разработанная компанией Infineon.

ДМОП-технология (DMOS)

ДМОП-, или DMOS-транзисторы (от англ. Double diffused MOS — МОП-транзис- торы, изготовленные методом двойной диффузии) — это транзисторы, оптимизированные для коммутации больших токов и предназначенные для работы при высоких напряжениях. Данный транзистор имеет длинный канал, благодаря чему можно получить высокое пробивное напряжение. Конструктивно он состоит из параллельно соединённых ячеек, что позволяет получить высокие токи (низкое сопротивление в открытом состоянии) и высокую плотность энергии. ДМОП-структуры имеют более толстый, чем у логических структур, подзатворный оксидный слой, что позволяет изготавливать более надёжные приборы. Компания Infineon предлагает различные ДМОП-технологии, которые оптимизированы для отдельных устройств. Например, PFET- и SFET-технологии.

Если эти базовые технологии объединить в логической последовательности, то мы получим следующие интересные варианты, которые, благодаря их специфическим характеристикам, предназначены для конкретного применения.

БиКМОП-технология

БиКМОП-технология сочетает в себе биполярные и КМОП-компоненты. Такая комбинация компонентов позволяет реализовывать различные аналоговые функции, например прецизионные источники опорного напряжения. Компания Infineon предлагает различные БиКМОП-технологии, которые, например, оптимизированы для применения в ВЧ устройствах.

CD-технология

CD-технология сочетает в себе КМОП- и ДМОП-компоненты. Это позволяет одновременно в одной микросхеме совмещать логические функции, высокую мощность и большие токи. Один из примеров CD-тех- нологии, предлагаемой компанией Infineon, — интеллектуальная технология.

BCD-технология

BCD-технология — это технология, сочетающая в себе биполярные, КМОП- и ДМОП-компоненты. С их помощью можно изготавливать компоненты на различные классы напряжения. КМОП-структуры позволяют получить высокие плотности размещения логических элементов. Таким образом, существует возможность, например, интегрирования микроконтроллера. Совместное использование биполярных и КМОП-структур позволяет создать прецизионные схемы опорного напряжения. ДМОП-транзисторы позволяют коммутировать высокие токи и напряжения (вплоть до 20 А и 80 В).

В некоторых случаях для достижения высоких степеней интеграции в низковольтных логических схемах используется более одного подзатворного оксидного слоя (субмикронная логика). Также возможно создание нескольких резистивных слоёв из поликремния. В передовой BCD-технологии используется более 25 фотолитографий (фотошаблонов). Однако это делает её более дорогостоящей по сравнению с более простыми технологиями, например КМОП.

3.4.3.Интеллектуальные МОПтранзисторы (SmartFET)

Если в приборы, изготовленные по силовой МОП-технологии (power-MOS), добавить дополнительные карманы p- и n-типа, то появляется возможность сочетать дополнительные функции в одном устройстве. МОП-транзисторы становятся интеллектуальными. Например, можно интегрировать функции защиты и контроля состояния прибора. Ряд компонентов, которые можно получить в результате данного усовершенствования, представлен на Рис. 3.9.

Как мы видим, на данном рисунке не представлены биполярные структуры. Таким образом, мы имеем дело с CD-техноло- гиями (КМОП и ДМОП). Основные параметры приборов, изготовленных по этим технологиям, определяются спецификацией на электронные ключи.

В случае CD-технологии интерес представляет то, какое количество дополнительных компонентов и какого типа можно интегрировать. Данный параметр называется топологическими нормами; от него зависит размер компонентов и плотность их размещения, определяется он, как правило, толщиной подзатворного диэлектрика и дополнительными этапами изготовления. В любом случае правило таково: технология с меньшими топологическими нормами является более сложной для реализации и, как следствие, более дорогостоящей.

Как и в случае с силовыми МОП-тран- зисторами, ток течёт вертикально через

транзистор. Таким образом, все элементы имеют одну подложку, которая является стоком силовой структуры. Сопротивление в открытом состоянии будет меньше, чем в структурах с изолированным стоком. В дальнейшем оно может быть уменьшено путём сошлифования пластины до толщины в несколько десятков микрон. Таким образом, можно изготовить некоторые силовые структуры, стоки которых будут соединены вместе. У подобных устройств с общим стоком теплоотводящая пластина корпуса должна быть изолирована от внешнего заземлённого радиатора, поскольку часто потенциал стока не совпадает с потенциалом земли системы. На Рис. 3.10 показан путь протекания тока в структуре такого типа, а на Рис. 3.11 — примеры использования данных структур.

С точки зрения применения, с помощью CD-технологии можно создать так называемые верхние и нижние ключи. Понятия верхний ключ и нижний ключ следуют из схемы их включения (см. Рис. 3.11), на которой показана последовательность подключения ключа и нагрузки. В общем случае, отрицательный потенциал источника питания соединяется с землёй схемы, как, например, в автомобильных источниках питания.

Если нагрузка соединена с землёй системы (например, в автомобиле), то это позволяет использовать на один провод меньше, потому что ток будет возвращаться в аккумулятор через корпус автомобиля. Если на-

грузка соединена с землёй, то ключ должен быть подключён между нагрузкой и плюсом аккумуляторной батареи; на схеме, приведённой на Рис 3.11, он будет находиться на верхней стороне. С другой стороны, нижний ключ всегда соединён с землёй системы. На Рис. 3.12 показаны типичные верхние и нижние ключи, выпускаемые компанией Infineon.

Выпускаются не только дискретные электронные ключи, но и так называемые мостовые схемы, поскольку всё чаще применяются реверсивные электроприводы с электронным управлением. На Рис 3.13 представлена так называемая мостовая (H- bridge) схема. Эта схема может использоваться для соединения нагрузки, обычно двигателя постоянного тока, с источником питания любой полярности.

Рис. 3.13. Мостовая схема для реверсивного электропривода.

Помимо интегрированных в одном корпусе слаботочных схем, были также разработаны микросхемы семейства TrilithIC. Это мостовые схемы, которые совмещают в одном корпусе МОП-транзисторы и/или управляющий чип. Сокращение «TRI» взято потому, что оптимальным для создания мостовой схемы является использование двух кристаллов нижних ключей и одного сдвоенного кристалла верхних ключей. На Рис 3.14 представлена типовая микросхема подобного типа. Как видно из рисунка, кристаллодержателем служит выводная рамка. Для наглядности микросхема показана без полимерной формовочной массы, чтобы можно было увидеть её внутреннюю структуру.

Компания Infineon осуществляет массовое производство микросхем, изготавливаемых по CD-технологии, уже более 20 лет.

Клей

Рис. 3.14. Типовая микросхема семейства TrilithIC.

Последнее поколение микросхем Smart 5 имеет чрезвычайно низкое сопротивление в открытом состоянии и значительно меньшие топологические нормы. Это сделало возможным изготовление мощных электронных ключей со сложной логикой. Сейчас не осталось преград для производства интеллектуальных ключей с полной диагностикой их состояния.

В погоне за слоганом «Кремний вместо реле» будут востребованы устройства с жёсткими требованиями по диагностике; в таких приложениях единственным возможным вариантом является использование интеллектуальных ключей. Практический пример приведен на Рис. 3.15. Для того чтобы яснее продемонстрировать эффект сокращения размеров, на данном рисунке в реальном масштабе показаны микросхемы с одинаковым набором функций. Сверху приведена микросхема предыдущего поколения, а снизу — её аналог, изготовленный по новейшей технологии Smart 5.

Конечно, во всех случаях использования CD-технологии должна проверяться целесообразность применения монолитных ИС. Компания Infineon учитывала данный факт при разработке своих базовых концепций: «кристалл на кристалле» (Chip-on-Chip — CoC) и «кристалл рядом с кристаллом» (Chip-by-Chip — CbC). При этом стандартный МОП-транзистор используется в качестве так называемого базового кристалла. Лишь ограниченное количество дополнительных интеллектуальных микросхем требует применения сложных (дорогих) технологий. Два кристалла монтируются один на другом или один рядом с другим по специальной технологии.