einblicke

Die meisten Kostenüberschreitungen bei kundenspezifischem Silizium entstehen nicht durch Designprobleme. Sie entstehen durch Anforderungen, die am Anfang offen zu lassen vernünftig war und die später teuer zu schließen sind. Das sind die, auf die es am meisten ankommt, wenn Temperatur Teil der Spezifikation ist.

Ein Temperaturprofil, nicht eine Temperatur

„200 °C“ ist eine Zahl, keine Anforderung. Was ein Design braucht, ist ein Profil:

• Die maximale Betriebstemperatur und wie lange das Bauteil dort verweilt
• Das Minimum, das häufig vergessen wird und manchmal schwieriger ist — ein Bauteil, das von −55 °C bis +200 °C spezifiziert ist, hat ein völlig anderes Referenzdesign als eines, das ab +25 °C spezifiziert ist
• Der Betriebszyklus: durchgehend oder Exkursionen mit definierter Haltezeit
• Die Zahl der Temperaturwechsel über die Einsatzdauer und die Änderungsrate, die beide Gehäuse- und Aufbauentscheidungen bestimmen, nicht Schaltungsentscheidungen
• Der Lager- und Transportbereich

Zwei Anwendungen mit derselben Spitzentemperatur und unterschiedlichen Profilen sind unterschiedliche Projekte. Ein Bohrlochwerkzeug, das pro Einsatz zweihundert Stunden bei 175 °C sieht, mehrere hundert Male, ist ein Ermüdungsproblem. Ein Ofensensor, der acht Jahre durchgehend bei 175 °C sitzt, ist ein Verschleißproblem. Sie werden unterschiedlich gelöst.

Eine Einsatzdauer, ausgedrückt in Stunden bei Temperatur

Nahezu jeder Hochtemperatur-Ausfallmechanismus — Elektromigration, Dielektrikumsdurchbruch, intermetallisches Wachstum an Bonddrähten, Ladungsverlust in ladungsbasierten Speichern — ist thermisch aktiviert und akkumuliert über die Zeit. Eine Lebensdaueranforderung lautet deshalb nicht „zehn Jahre“; sie lautet: Stunden bei jeder Temperatur des Profils.

Diese eine Zahl legt das Stromdichtebudget im Layout, die Wahl der Metallisierung, die Speicherstrategie und das Gehäuse fest. Sie am Anfang zu nennen ist sehr günstig; sie nach dem Tape-out zu ändern ist sehr teuer.

Genauigkeit über den gesamten Bereich, nicht bei Raumtemperatur

Die häufigste Spezifikationslücke, die wir sehen, ist ein Satz Genauigkeitswerte ohne zugehörige Temperatur. Offset, Verstärkungsfehler, Drift, Rauschen und Timing haben alle Temperaturkoeffizienten, und bei 200 °C dominieren diese Koeffizienten das Fehlerbudget.

Sinnvoll formuliert wird das, indem man trennt: Was muss über den gesamten Bereich halten, und was darf an einem bekannten Punkt getrimmt oder kalibriert werden? Und indem man sagt, ob die Kalibrierung einmalig in der Fertigung oder wiederkehrend im Feld erfolgt. Das sind unterschiedliche Architekturen. Ein Bauteil, das im Feld kalibriert wird, kann absolute Genauigkeit gegen Stabilität tauschen; ein einmalig kalibriertes Bauteil kann das nicht.

Die Norm, gegen die Sie qualifizieren

Wenn das System zertifiziert werden muss, nennen Sie die Norm früh. Funktionale Sicherheit, Ex-Zonenklassifizierung, Automotive-Qualifikation und Luft- und Raumfahrtanforderungen geben dem Design jeweils Struktur vor — Diagnosedeckungsgrad, Fehlererkennung, Dokumentation, teils architektonische Redundanz.

Diese Punkte nachträglich zu ergänzen, wenn die Architektur schon steht, bedeutet in der Regel, die Architektur zu ändern. Sie von Anfang an zu kennen, kostet oft sehr wenig, weil die erforderlichen Strukturen mit entworfen statt angebaut werden können.

Wenn Sie noch nicht wissen, welche Norm greift, ist das eine legitime Antwort und es lohnt sich, sie auszusprechen. Sie ist besser als eine Vermutung, um die herum entworfen wird.

Schnittstellen und die übrige Baugruppe

Ein kundenspezifischer IC ist ebenso durch seine Umgebung definiert wie durch seine Funktion:

• Verfügbare Versorgungsspannungen sowie deren Toleranz und Rauschen bei Temperatur
• Die Sensoren oder Aktoren am anderen Ende, einschließlich Impedanz und Anschlusskonfiguration
• Die digitale Schnittstelle und was auf ihrer Gegenseite sitzt
• Leitungslängen und parasitäre Elemente, die Teil der Messung sind, ob sie in der Spezifikation stehen oder nicht
• Platinenfläche, Gehäusevorgaben und eine etwaige Bauhöhenbegrenzung

Der letzte Punkt wiegt schwerer, als er klingt. Die Gehäuseoptionen verengen sich bei hoher Temperatur stark, und eine spät entdeckte mechanische Randbedingung kann ein ansonsten fertiges Design entwerten.

Wie das Bauteil geprüft wird

Test ist keine Phase, die nach dem Design kommt. Test ist ein Satz Anforderungen, der das Design prägt.

Fragen Sie früh: Was muss in der Produktion messbar sein, und wie? Was muss während der Systeminbetriebnahme beobachtbar sein? Gibt es eine Selbsttestanforderung, und muss sie im Feld laufen oder nur beim Einschalten? Wie sieht der Ausfall des Bauteils aus Sicht des Systems aus, und muss das System ihn erkennen?

Ein Bauteil, das leicht zu charakterisieren ist, ist ein Bauteil, dessen Werten Sie trauen können. Testzugang, der von Anfang an mit entworfen wird, kostet Fläche. Testzugang, der später ergänzt wird, kostet ein Redesign.

Was „fertig“ bedeutet

Vereinbaren Sie die Abnahmekriterien, bevor die Arbeit beginnt:

• Welche Parameter durch Test garantiert sind, welche durch Charakterisierung garantiert sind und welche Typwerte sind
• Die Stichprobengröße und die Bedingungen hinter den Charakterisierungsdaten
• Was die Qualifikationsunterlagen enthalten
• Was bei einem Respin passiert und wer ihn trägt

Dieses Gespräch ist am Anfang unangenehm und am Ende deutlich schlimmer. Ein Lieferant, der es früh führen will, sagt Ihnen etwas Nützliches darüber, wie er arbeitet.

Wie ein gutes erstes Gespräch aussieht

Sie brauchen nicht alles oben Genannte, um ein Gespräch zu beginnen. In der Praxis behandeln die produktivsten Erstgespräche vier Dinge:

• Was das System tut und wo es sitzt
• Das Temperaturprofil und die Einsatzdauer
• Die Messung oder Funktion, und welche Genauigkeit über den gesamten Bereich halten muss
• Ob eine Norm greift, und welche

Das genügt meist, um zu sagen, ob das Problem lösbar ist, was es grob umfasst und was geklärt sein müsste, bevor sich jemand auf einen Terminplan festlegt.

Wenn Sie das Meiste davon haben, können wir Ihnen schnell eine belastbare Antwort geben. Wenn Sie einen Teil davon haben, helfen wir, den Rest zu erarbeiten — dieses Gespräch ist Teil der Arbeit, nicht ihre Voraussetzung.