Kontrolle der "Hitze" bei der Chip-Herstellung; die Schönheit hinter den Details verstehen

von: Fischer Zhu

Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel wurde zuvor in EET Chinaveröffentlicht.

Im Chinesischen ist die Verwendung des Wortes "Kochhitze" nicht auf die Küche beschränkt; es kann auch zur Beschreibung des Charakters und der Reife einer Person verwendet werden.

Dies gilt auch für die Halbleiterindustrie.

Obwohl ein winziger Chip recht einfach aussieht, stecken in ihm viele wissenschaftliche Erkenntnisse. Nur wer die Herstellungsprozesse und Anwendungsprinzipien wirklich versteht, weiß, wie schwierig es ist, einen Chip zu produzieren, und kann die Schönheit schätzen, die hinter der Aufmerksamkeit für kleine Details steckt.

Waferherstellung und die Autos der Zukunft

Dank des unaufhaltsamen Fortschritts in der Halbleitertechnologie werden viele unglaubliche Funktionen für Automobile entwickelt, die Halbleitertechnologie beinhalten; zum Beispiel ebnen fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) derzeit den Weg für selbstfahrende Autos.

Im Allgemeinen wird erwartet, dass der Halbleitermarkt für Autoanwendungen bis 2023 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 7 % wächst und der Marktwert von 35,0 Mrd. $ auf 54,0 Mrd. $ steigt. Dank der Impulse, die von ADAS/Self-Driving/Infotainment (IVI)/Elektrofahrzeug-Antriebsstrang/Sicherheitsanwendungen ausgehen, wird der Wert der Halbleiterchips in jedem Auto voraussichtlich von 375 US-Dollar im Jahr 2017 auf 613 US-Dollar im Jahr 2025 steigen. Während dieses Zeitraums wird der Wert der ADAS-Anwendungen mit einer geschätzten CAGR von 19 % voraussichtlich stark ansteigen.

Trotzdem ist den meisten Menschen die immer engere Verbindung zwischen Automobilelektronik und Halbleiter-Gießereien nicht bewusst.

IP, Prozesstechnologie und Service sind entscheidend

Für das Autoelektronikgeschäft von GF ist das AutoPro™-Servicepaket ein entscheidendes Element. Dieses Servicepaket bietet Erfahrung, Qualität und Zuverlässigkeit für alle Automobiltechnologien von GF. So kann das Servicepaket die strengen Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen der Automobilindustrie erfüllen und den Automobilherstellern helfen, die Leistung von Halbleitern zu nutzen, um in das neue Zeitalter des "Smart Internet" einzutreten.

Die Bedeutung des AutoPro-Servicepakets liegt darin, dass es allen GF-Fabriken weltweit, einschließlich Dresden, Malta, New York, Singapur und Chengdu, China, ermöglicht, modularisierte Plattformen bereitzustellen, die die Auto-Spezifikationszertifizierung für verschiedene Arten von Automobilkunden bestanden haben, unabhängig davon, welche Prozesse sie ausgewählt haben (z. B. die Mainstream-Prozesse 180nm, 130nm, 55nm und 40nm in Singapur, die 14LPP/12LP/7LP FinFET-Technologie in Malta oder die 22nm FD-SOI-Technologie in Dresden).

Es überrascht nicht, dass die Automobilhersteller noch höhere Anforderungen an Qualität und Zuverlässigkeit stellen als Kunden auf anderen Märkten. Aus diesem Grund ist eine IATF16949-Zertifizierung von großer Bedeutung.

Die IATF16949-Zertifizierung gibt die Gewissheit, dass der gesamte Produktionsprozess in einem kontrollierbaren, rückverfolgbaren Zustand gehalten wird. Sie garantiert auch, dass die Produktions-, Test- und Screening-Prozesse von Auto-ICs fehlerfrei sind, und ist daher ein wichtiger Indikator für Kunden aus der Automobilindustrie.

Das Werk 1 von GF in Dresden wurde vor kurzem fertiggestellt und erhielt seine erste IATF16949/ISO9001-Zertifizierung. Diese bescheinigt, dass das Qualitätsmanagementsystem des Werks den Anforderungen der Automobilproduktion entspricht, und dass Kunden aus der Automobilbranche IC-Produkte von GF beziehen können.

Auswahl des richtigen Verfahrens für verschiedene Anwendungen

Im Gegensatz zu anderen Foundries ist GF sowohl im FD-SOI- als auch im FinFET-Bereich tätig. Der 22FDX® von GF, der Teil des AEC-Q100-Automobilstandards ist, hat bereits die Zertifizierung erhalten und kann die strengen Qualitäts- und Leistungsanforderungen des Automobilmarktes erfüllen.

Wir haben immer wieder festgestellt, dass die Kosten und die Komplexität des Maskenprozesses bei der Herstellung von 22FDX deutlich niedriger sind als beim 14-nm-FinFET-Prozess, und der FinFET-Prozess kann auch nicht ohne Weiteres die für RF-Bauteile erforderliche Body-Bias erreichen. Folglich bietet FD-SOI durch die Erzielung von Echtzeit-Kompromissen zwischen Stromverbrauch, Leistung und Kosten eine ideale Technologie für neue eingebettete Systeme mit Verknüpfungsmöglichkeiten. Das Internet der Dinge (IoT), 5G und ADAS sind die am besten geeigneten Märkte für die FD-SOI-Technologie. Im Gegensatz dazu ist eine fortschrittliche CMOS-Technologie wie FinFET für Chips geeignet, die eine maximale Verarbeitungsleistung bieten sollen.

Wie wählt man das geeignete Verfahren für verschiedene Anwendungen aus?

GF hat sich immer darauf konzentriert, enge Beziehungen zu seinen Kunden zu pflegen und deren Produktanforderungen genau zu verstehen. Wenn ein Kunde einen leistungsstarken Prozessorchip herstellen möchte, empfiehlt GF das FinFET-Verfahren; wenn er nur einen Radarempfänger herstellen möchte, ist das Si-Ge-Verfahren ausreichend; und wenn er ein hochauflösendes Radar herstellen möchte, ist das 22FDX-Verfahren am besten geeignet. Bei der Erarbeitung von Lösungen unterstützt GF seine Kunden auch mit PPA-Analyseberichten für die verschiedenen Verfahren, um die richtige Wahl zu treffen.

Die HF-Einheit aktueller 77-86-GHz-Mittel-/Langstrecken-Automobilradargeräte basiert in der Regel auf dem Si-Ge-Verfahren und die digitale Einheit auf dem 180-nm- und 130-nm-CMOS-Verfahren, so dass die Verarbeitungsleistung des Chips insgesamt gering ist. Im Vergleich dazu bietet die 22FDX-Technologie von GF eine herausragende Millimeterwellen-Leistung und digitale Dichte, so dass Radarsensoren auf der Basis von 22FDX eine noch höhere Auflösung und geringere Latenzzeiten bieten und gleichzeitig extrem niedrige Gesamtsystemkosten gewährleisten können. Wir haben gesehen, dass Kunden schnell Radarbildgebungs-Chipsätze auf der Grundlage der 22FDX-Technologie eingeführt haben. Diese Chipsätze können Objekte bis zu einer Reichweite von 300 m erkennen und bieten ein breites Sichtfeld mit extrem hoher Auflösung.

Kunden haben die Mainstream-CMOS-Prozesstechnologie von GF für die Entwicklung von 77-GHz-Radarmodulen mit kurzer/mittlerer Reichweite eingesetzt. Diese Module integrieren Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren, SRAM, Flash und unterstützende Komponenten auf einzelnen Leiterplatten und können als Ersatz für große Radararrays eingesetzt werden.

Natürlich ist das Radar nur eine Möglichkeit, wie Halbleiter in Autos eingesetzt werden. Die Steuerung des Antriebsstrangs ist eine andere Möglichkeit. Auf der jüngsten Embedded World-Konferenz stellte Silicon Mobility seine Field Programmable Control Unit (FPCU) vor, die zur Steuerung von Elektro- und Hybridantrieben verwendet werden kann.

Dieses Element wurde unter Verwendung der 55LPx-Technologie von GF entwickelt, kann Informationen von Sensoren und Aktoren in Echtzeit verarbeiten und steuern und kann mit einer Standard-CPU auf einem einzigen Chip verbunden werden (entspricht den Sicherheitsstandards ISO 26262 ASIL-D).

Ein Rahmenwerk, das auf dieser FPCU basiert, bietet mehr Funktionalität, Flexibilität und Sicherheit und kann die Fähigkeit und Leistung der Antriebsstrangsteuerung in Elektro- und Hybridfahrzeugen verbessern. Durch den Einsatz von Hardware, nicht von Software, zur schnellen Implementierung komplexer Algorithmen zur Antriebsstrangsteuerung kann dieser Rahmen Energie sparen und die Lebensdauer der Batterie verlängern. Laut Silicon Mobility kann die FPCU die Reichweite von Elektro- und Hybridfahrzeugen um 32 % erhöhen.

Derzeit machen MCUs für Klimaanlagen-, Motor- und Ölsystemsteuerung, Kurz-/Mittel-/Langstreckenradar, ICs für das Stromversorgungsmanagement von Elektro-/Hybridautos und Hochleistungsprozessoren für ADAS-/Selbstfahrsysteme den größten Anteil an den Anwendungsservices von GF automotive electronics aus. Unseren eigenen Beobachtungen zufolge suchen chinesische Automobilkunden eher nach Chips für die Verarbeitung visueller Daten und für selbstfahrende Autos, während die wichtigsten Anwendungen auf dem europäischen Markt aus Mikrocontrollern, Sensoren, Kameras und Lidar bestehen und amerikanische Kunden auf Lösungen für Lidar und selbstfahrende Autos abzielen.

China ist ein sehr interessanter Markt, und etwa 30 % der Halbleiteranbieter auf dem internationalen Markt kommen aus China. Allerdings beziehen viele Tier-1-Automobilhersteller in China nach wie vor Standard-Radar- und Prozessorchips von grossen Automobilzulieferern - das ist der aktuelle Stand der Dinge. Dennoch sieht GF in den verschiedenen innovativen Lösungen, die in China entstanden sind, ein grosses Potenzial. Neben der Bereitstellung integrierter IP-Lösungen wie MIPI-Schnittstelle und Can-Bus umfasst unsere Strategie auch ein Design-Center in China, um Kunden dabei zu helfen, die GF-Plattformen noch besser zu nutzen.