Hochvolt CMOS

FRAGE Was ist die Hochvolt CMOS-Technologie?

ten Have Die ELMOS Hochvolt-CMOS-Technologie ermöglicht es, mittelkomplexe Digital- und Speicherzellen, hochpräzise Analog-Funktionen und Treibertransistoren auf nur einen Chip zu integrieren. Die Kunst besteht nun darin, einen Prozeß zu entwickeln, der all diese Schaltungsblöcke mit ihren unterschiedlichen Anforderungen realisieren kann. Das bedeutet: hohe Schaltgeschwindigkeit und Packungsdichte im Digitalbereich bei Versorgungsspannungen von drei bis fünf Volt, verschiedene Bauelemente zur Realisierung ausgetüftelter Analogfunktionen für den Spannungsbereich von drei bis 16 Volt, sowie spannungs- und flächenoptimierte Treibertransistoren für Spannungen bis zu 120 Volt.

FRAGE Welche Elemente können mit dieser Technologie benutzt werden?

Rolfes-Gehrmann Die Möglichkeiten der CMOS-Technologie sind vielfältig. Das Spektrum reicht von Standard CMOS-Transistoren, über unterschiedliche Widerstände und PN- und Zener-Dioden, spannungsunabhängigen Kondensatoren bis hin zu DMOS-Treiberstrukturen. All diese Bauelemente existieren für Spannungsbereiche von 16 bis 120 Volt. Darüber hinaus stehen Abgleichelemente in Form von Zapping-Dioden zur Verfügung.

ten Have Wir haben zudem noch Speicherelemente wie EEPROMs und Flash im Angebot. Außerdem wird es durch hochpräzise bipolare Transistoren möglich, Spannungsreferenzen und rauscharme Verstärker für analoge Schaltungen einzusetzen.

FRAGE Gibt es Einschränkungen bei der ELMOS-HV-CMOS-Technologie?

ten Have Einschränkungen im eigentlichen Sinne gibt es nicht, jedoch kann das Einsatzfeld durch die technischen Möglichkeiten abgegrenzt werden. Die ELMOS-Hochvolt-CMOS-Technologie eignet sich für einen Hochfrequenz-Einsatz bis zwei GHz, kann Ströme bis zu zehn Ampère treiben und Spannungen bis 120 Volt verarbeiten. Dies sogar nicht nur bei Raumtemperatur, sondern im Temperaturbereich von minus 40°C bis zu 150°C, in speziellen Anwendungen sogar bis 175°C. Die realisierbare digitale Komplexität ist nicht mit den High-End-Prozessen einer Intel oder AMD vergleichbar, sondern ist das Kostenoptimum für unseren Zielmarkt.


FRAGE Warum eignet sich die Hochvolt CMOS-Technologie speziell für Anwendungen in Fahrzeugen?

ten Have Dies leitet sich aus den Anforderungen im Automobil ab. Beispielsweise der Fensterheber: Ein typischer Fensterheber besteht aus einem Relais-Treiber, analogen Bausteinen und einem Mikrocontroller. Dies ist soweit ohne Probleme zu realisieren. Im Auto dagegen sind die Anforderungen höher. Dies liegt insbesondere mit der Spannung des Bordnetzes zusammen. Es ist auf zwölf Volt ausgelegt, dennoch werden Störimpulse bis zu 120 Volt erreicht. Diese Spannungen muss der Mikrocontroller überleben. Aber auch starken Umweltbelastungen muss die Elektronik im Automobil standhalten, beispielsweise wenn im Winter die Tür zufriert oder im Sommer die Sonne stundenlang auf die Autotür scheint. Einzelne Chips, beispielsweise an der Drosselklappe müssen bei einem Wärmestau Temperaturen von 160°C aushalten.

Rolfes-Gehrmann Zudem muss sichergestellt sein, dass in der Werkstatt der Mechaniker durch statische Aufladung nicht die Chips zerstören kann. Daher bietet die CMOS-Technologie ESD-Festigkeiten bis zu vier kV, auf Wunsch auch acht kV. Das automobile Umfeld ist also geprägt durch eine Fülle von Sonderanforderungen, die die eigentliche funktionale Lösung in den Hintergrund treten lassen.

FRAGE Wie aufwendig ist der Herstellungsprozess des Halbleiters mit der Hochvolt-CMOS-Technologie?

Rolfes-Gehrmann Der Aufwand ist im Vergleich zu anderen Technologien geringer. Wir kommen mit weniger Maskenschritten und geringerem Entwicklungsaufwand aus, da der Hochvolt-CMOS-Prozeß modular aufgebaut ist. Dies bedeutet weniger Aufwand, geringe Herstellungskosten und geringere Preise für das Produkt. Es ist die Kunst, mit wenigen Maskenschritten diese hohe Funktionalität zu erreichen. Zum Vergleich: Bei uns variiert die Maskenkomplexität zwischen zwölf und 22 Masken. Rein digitale Prozesse, die jedoch eine wesentlich höhere Packungsdichte haben, benötigen heutzutage schon 26 und mehr Maskenschritte.


FRAGE Welche Vorteile bieten sich dem Kunden durch die modulare Bauweise?

ten Have Wir bieten dem Kunden eine Vielzahl von Prozeßoptionen an, aus denen er entsprechend der Kundenanforderung den kostenoptimalen ASIC-Prozess zusammenstellen kann. Als Bausteine kann er beispielsweise die Hochvolt-Fähigkeit wählen, falls sein Produkt höheren Spannungen ausgesetzt wird. Zudem erarbeiten wir mit dem Kunden, ob weitere Elemente notwendig sind. Dies können sein: Ein Kondensator-Modul, EEPROM- und verschiedene Flash-Module, Doppel-Poly-Kondensatoren und unterschiedliche Metalloptionen bis zu vier Metalllagen und Power-Metal-Optionen. Diese Power-Metal-Optionen zeichnen sich durch eine besonders dicke Metallisierung aus und sind damit insbesondere für Hochstromleistungstreiber interessant.

FRAGE Wie eng ist der Kunde bei der Entwicklung eines Halbleiters eingebunden?

ten Have Der Kunde ist traditionell bei ELMOS sehr eng in die Entstehung seines Chips involviert. Meistens kommen die Kunden noch mit abstrakten Ideen zu uns. Zusammen mit ihnen gleichen wir Wünsche und Fähigkeiten des Halbleiters ab. Bei der eigentlichen Technikentwicklung ist er wenig eingebunden, das ist unsere Aufgabe. Die Prozesse werden aus den zuvor entwickelten Wünschen und Anforderungen abgeleitet. Wir betreuen ihn also gezielt und sehr eng, um für ihn die kosten- und zeitoptimale Lösung zu finden.


FRAGE Welche Schritte sind für die Zukunft der Hochvolt CMOS-Technologie geplant?

ten Have Wir streben weitere Verbesserungen der digitalen Packungsdichte an. Zur Zeit entwickeln wir beispielsweise einen 0,35 µm-Prozess. Zudem bauen wir die Flash-Fähigkeit bis zu 16-Bit-Controller Anwendungen aus, dabei wird die Hochvolt-Fähigkeit unverändert gegeben sein.