Eine größere Rolle für Foundries auf dem Analogmarkt

von: Dave Lammers

Ein wachsender Anteil von Analog- und Mixed-Signal-ICs wird in Foundries wie GLOBALFOUNDRIES hergestellt.

Wenn es um Kommentare über die Halbleiterindustrie geht, leben wir in einer Welt mit einem großen D (digital) und einem kleinen A (analog), wobei die digitalen Spitzenprodukte die meiste Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Während analoge und Mixed-Signal-ICs etwa 15 Prozent des Umsatzes der Chipindustrie ausmachen - 48 Milliarden Dollar im Jahr 2016 - wird kaum darüber geschrieben, wie sie hergestellt werden. Ein Hauptgrund dafür ist, dass bis vor kurzem die meisten analogen Bauteile mit älteren Technologien hergestellt wurden.

Aber das ändert sich gerade.

Analogmarkt

Jim Feldhan, Präsident von Semico Research (Phoenix), sagte, dass Mixed-Signal-Chips immer mehr digitale Inhalte enthalten, was zu größeren Chips führt, was wiederum den Einsatz fortschrittlicherer Prozesstechnologien erfordert, um die Chipgröße unter Kontrolle zu halten. "Früher haben wir von Big A, little D gesprochen, aber jetzt werden viel mehr digitale Schaltungen hinzugefügt", sagte er.

Die Integration analoger und digitaler Funktionen führt auch zur Verwendung von 300mm-Wafern, um die Kosten zu kontrollieren. "Das fördert die Nutzung von foundry ", sagte Feldhan und fügte hinzu, dass es sich nur wenige analoge IC-Unternehmen leisten können, 300mm-Fabriken zu bauen.

Unternehmen wie Texas Instruments haben die 300-mm-Fertigung für hochvolumige analoge Teile übernommen, aber nur sehr wenige analoge Unternehmen haben das Kapital, um eine 300-mm-Fertigung zu bauen und zu füllen, fügte er hinzu.

Das finanzielle Bild ändert sich auch in anderer Hinsicht. Analoge Unternehmen hatten früher beneidenswerte Bruttomargen, sagte Feldhan, aber der zunehmende Wettbewerb hat die durchschnittlichen Verkaufspreise (ASP) in den letzten fünf Jahren stark reduziert, von einem analogen ASP von 46 Cent im Jahr 2011 auf durchschnittlich 36 Cent im letzten Jahr, laut Semico Research. Dieser 25-prozentige Rückgang der ASPs hat dazu geführt, dass mehr analoge Unternehmen ihre Investitionen in die Produktentwicklung und weniger in teure Kapazitätserweiterungen stecken.

"Die analogen Unternehmen haben mit den gleichen Problemen zu kämpfen wie die digitalen IC-Unternehmen. Ihre Margen sind ziemlich knapp, und so ist es unvermeidlich, dass sie sich auf die Produktentwicklung konzentrieren und sich mehr an Foundries wenden", sagte Feldhan.

GF hat auf diese Trends in zweierlei Hinsicht reagiert: zum einen mit dem Ausbau der Kapazitäten für analoge und Mixed-Signal-Produkte, zum anderen mit der Beschleunigung seiner Technologie-Roadmap. Die 300-mm-Fabrik des Unternehmens in Chengdu, China, Fab 11, wird zusätzliche Kapazitäten für die 180-nm- und 130-nm-Produktion sowie für die 22-nm-Fertigung mit vollständig verarmtem SOI(22FDX®) bieten, die voraussichtlich in großem Umfang für Mixed-Signal-Anwendungen eingesetzt werden wird. Die 300-mm-Fabrik in Singapur, Fab 7, bietet Platz für die zusätzliche Produktion von 130-nm-, 55-nm- und zukünftigen 40-nm-Analog/Mixed-Signal-Prozessen.

Mike Arkin, stellvertretender Direktor für die Produktlinie Analog/Power bei GF, sagte: "Wir sehen einen Bedarf an mehr Kapazität. Wir gehen davon aus, dass wir in den nächsten drei bis fünf Jahren erheblich wachsen werden, und wenn wir unsere Prognosen betrachten, wird die Zeit kommen, in der wir sogar noch mehr Kapazitäten benötigen werden. Die Erweiterung in China wird es GF ermöglichen, sein Analog- und Power-Geschäft weiter auszubauen" für die 130nm BCDLite® und 180nm BCDLite Angebote.

Arkin sagte, dass viele IDMs für analoge und gemischte Signale auf Fab-Lite oder Fabless umsteigen.
Sie "suchen nach Alternativen, um ihre Roadmaps fortzusetzen, ohne so viel zu investieren. Einzelne Unternehmen können nicht wie foundry in der Tretmühle bleiben, daher kommen immer mehr IDMs auf uns zu, wenden sich an uns, treiben unsere Roadmap voran und sprechen mit uns über das Design in den GF-Prozessen".

Außerdem gibt es immer mehr Start-ups, die sich mit Energiemanagement beschäftigen. "Es gibt Start-ups mit brillanten Ideen, die noch niemand gemacht hat. In einigen Fällen kommen sie aus dem universitären Umfeld und suchen Hilfe bei den Prozessen", so Arkin.

Und etablierte Unternehmen, die bisher nicht im Stromversorgungsbereich vertreten waren, entwickeln Lösungen. "Die Unternehmen, die bisher nicht im Stromversorgungsbereich tätig waren, brauchen Foundries, die nicht nur heute gute Mixed-Signal-Prozesse anbieten, sondern auch eine aktive Roadmap für die Zukunft", sagte er.

Hinzufügen von Optionen und neuen Knoten

GF bietet sowohl einen Bipolar-CMOS-DMOS (BCD)-Prozess mit Deep-Trench-Isolation und Unterstützung für höhere Spannungen als auch einen kostengünstigeren BCDLite-Prozess mit geringerer Spannung an. (BCDLite ist eine patentierte Prozesstechnologie, die nur von GF erhältlich ist).

Das BCDLite-Verfahren ist aufgrund einer weniger komplizierten Isolationsstruktur kostengünstiger und für niedrigere Spannungen als das traditionelle BCD-Verfahren ausgelegt. Während BCD eine vergrabene N-Schicht und eine tiefe Grabenisolierung aufweist, verwendet BCDLite ein Triple-Well-Isolationsschema als Kostenreduzierung für Kunden, die kein hohes Isolationsniveau benötigen.

Arkin sagte, dass einige Unternehmen ein BCDLite-Verfahren sicher anwenden und die Kosten im Vergleich zum BCD-Verfahren senken könnten.

"Viele Kunden, die BCD verwenden, sind risikoscheu. Sie könnten BCDLite verwenden, das mit bis zu 30 bis 40 Volt im Vergleich zu 85 V bei BCD arbeitet, und hätten trotzdem ein robustes Design. So könnte beispielsweise das kabellose Laden für verbraucherorientierte Anwendungen die Vorteile von BCDLite nutzen. Andere Industriekunden denken darüber nach, die BCD-Prozesse in Automobilqualität zu nutzen, um die Sicherheit in Hochtemperaturumgebungen zu gewährleisten. Es gibt keine harte Linie", so Arkin.

BCDLite ist ein verbraucherorientierter Prozess, aber Arkin sagte: "Mit der Automobilbranche als treibende Kraft für neue Anwendungen stellen die Kunden fest, dass sie ihre Verbraucherdesigns in den BCD-Automobilprozess (Grades 1 und 0) für eine Automobilversion ihrer Designs übertragen können. Dies ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie traditionelle CMOS-Logikprozesse für Automotive Gr1-Anwendungen qualifiziert und vermarktet wurden."

Ausweitung der Prozess-Roadmap

Seit 2010 hat GF kumulativ 2,3 Millionen BCDLite-Wafer ausgeliefert. Laut Arkin ist das Unternehmen eine "solide Nr. 2" im analogen foundry Geschäft.

analoge Karte

"GF führt in diesem Jahr aktiv die Sub-100nm-BCDLite-Technologie ein", so Arkin. "Wir investieren in die Erweiterung unserer Analog- und Stromversorgungsexpertise auf noch kleinere Nodes, die unsere bestehenden CMOS-Technologien ergänzen.

Es gibt auch eine Reihe anderer Fortschritte (siehe Tabelle der Prozessoptionen), mit SRAM- und nichtflüchtigen Speicheroptionen, die im 130-nm-BCD- und BCDLite-Knoten angeboten werden, sowie Hochspannungs- und Ultrahochspannungsangebote (UHV, bis zu 700 V) im 180-nm-Prozess.

Weniger Chips für kleinere Formfaktoren

Feldhan sagte, dass die Systemhersteller versuchen, die Formfaktoren ihrer Telefone und anderer Verbraucherprodukte zu verkleinern und daher mit ihren IC-Lieferanten zusammenarbeiten, um mehr digitale Kerne in ihre Power-Management-Produkte zu integrieren. "Dadurch, dass weniger Chips auf der Systemplatine untergebracht werden, verringert sich der Aufwand für das Reflow-Löten während der Montage", fügte er hinzu.

Arkin sagte, dass die Regierungen in der ganzen Welt zunehmend einen geringeren Energieverbrauch fordern. "Die Dinge entwickeln sich schneller als noch vor zehn Jahren, als der Stromverbrauch flach war. Ein Wendepunkt kam 2007, als der Energy Star® 4.0 die 80 PLUS®-Anforderungen für Computer einführte. Seitdem hat sich der Markt für Energiemanagement stärker auf Effizienz und technische Differenzierung ausgerichtet und nicht mehr nur auf Kosten, Kosten, Kosten."

Die Zukunft von BCDLite  

"Da BCDLite in kleinere Prozessgeometrien integriert wird, ist es besonders interessant für batteriebetriebene Handgeräte wie Smartphones, Smartwatches, Blutzuckermessgeräte und viele andere."

Um den Formfaktor dieser Systeme zu verringern, so Arkin, arbeiten die IC-Anbieter daran, Geräte auf neue und interessante Weise zu integrieren und den Sockel mit neuen Funktionen zu versehen. Die meisten dieser Funktionen sind digitale Funktionen, die zusätzlich zu den analogen oder Stromversorgungsfunktionen hinzugefügt werden".

Ein BCDLite-Prozess für den nächsten Knotenpunkt sei "ideal" für Systeme, die mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben werden, sagte er. Da die analogen Funktionen in den meisten Fällen nicht so stark skalieren wie die digitalen, müssen sich Anbieter, die zusätzlich zu den analogen oder Stromversorgungsfunktionen digitale Funktionen hinzufügen, mit den Herausforderungen von Kosten und Chipgröße auseinandersetzen. "Wenn sie horizontal digitale Funktionen hinzufügen, müssen sie darüber nachdenken, wie viel sie auf einen einzigen Chip packen können, ohne dass die Kosten sinken", so Arkin.

Ein großer Analog- und Mixed-Signal-Kunde mit großer Erfahrung im Digitaldesign verfügt über Lösungen, die die Force-Touch-Schnittstelle unterstützen, die den Benutzern eine komplexere oder reichhaltigere Möglichkeit zur Interaktion mit dem Touchscreen bietet. Dies hat jedoch einen hohen Preis, da immer mehr digitale Inhalte enger mit den analogen Funktionen verknüpft werden.

Mit Force Touch und anderen "sensorempfindlichen" Funktionen, so Arkin, "würde ein Next-Node-BCDLite-Prozess mehr Verarbeitungskapazitäten unterstützen, die mit analogen Funktionen verbunden sind. GF arbeitet an einem solchen Prozess, um die sensorempfindlichen Fähigkeiten noch weiter auszubauen".

Die Automobilindustrie ist ein weiterer sich schnell entwickelnder Markt. Mark Granger, Vice President in der Automotive Group von GF, sagte, dass BCD und BCDLite neue Anwendungen in der Automobilindustrie finden werden. "Das Energiemanagement spielt eine immer wichtigere Rolle, wenn es darum geht, bei Elektrofahrzeugen (EVs) höchste Effizienz bei der Umwandlung der Batterieladung in Vortrieb zu erreichen. Es gibt viele Bereiche, in denen diese Technologie für sehr effiziente Stromversorgungssysteme eingesetzt werden kann."

Über den Autor

Dave Lammers

Dave Lammers

Dave Lammers schreibt für Solid State Technology und ist Blogger für die Foundry Files von GF. Dave Lammers begann über die Halbleiterindustrie zu schreiben, als er Anfang der 1980er Jahre im Tokioter Büro von Associated Press arbeitete, einer Zeit des schnellen Wachstums der Branche. 1985 wechselte er zur E.E. Times, für die er in den folgenden 14 Jahren von Tokio aus über Japan, Korea und Taiwan berichtete. Im Jahr 1998 zogen Dave, seine Frau Mieko und ihre vier Kinder nach Austin, um ein texanisches Büro für die E.E. Times einzurichten. Als Absolvent der University of Notre Dame erwarb Dave einen Master-Abschluss in Journalismus an der University of Missouri School of Journalism.