La miniaturización ha sido una constante en el mundo de la tecnología de semiconductores desde sus inicios. Las aplicaciones más exigentes requieren componentes cada vez más pequeños para encajar en dispositivos portátiles o reducir el tamaño y el peso en aplicaciones móviles, pero también, cada vez más, en aplicaciones industriales, médicas y de automoción.

Mientras que el camino hacia la miniaturización en las aplicaciones puramente digitales está muy desarrollado, en las analógicas y de potencia el enfoque sigue siendo posible, aunque mucho menos obvio.
En este artículo técnico, Toshiba analizará los retos que plantea la reducción de los dispositivos de señal mixta y analizará algunos de los enfoques utilizados.
Hace tiempo que se espera que cada generación de tecnología sea más pequeña o potente que su predecesora, o ambas cosas. Hay muchas razones para ello: reducir el peso de los vehículos eléctricos para aumentar su autonomía, reducir el tamaño de los equipos industriales, como los robots, y hacer que nuestros dispositivos personales sean más atractivos y cómodos.

El reto de lo analógico y la energía
Desde la década de 1960, cuando se acuñó la "Ley de Moores", se espera que la tecnología básica de los circuitos integrados que sustenta los diseños electrónicos muestre un crecimiento significativo de la complejidad, acompañado de reducciones de tamaño y coste cada dos años. Esto se ha cumplido en gran medida, sobre todo en el mundo de los dispositivos digitales puros, como los circuitos integrados lógicos y los MCUs (microcontroladores). En este caso, la reducción del tamaño se refiere principalmente a la reducción del tamaño de las características a través de la evolución del proceso y está impulsada en gran medida por la automatización del diseño electrónico (EDA).
Sin embargo, en el mundo de los dispositivos analógicos y de potencia, las cosas son algo diferentes. En este caso, el enfoque de la reducción de tamaño se centra más en la capacidad de combinar bloques de diseño y en mejorar el diseño para que esto ocurra. Algunos componentes, como los MOSFET de potencia, requieren un determinado tamaño físico para poder ofrecer bajas pérdidas óhmicas (estáticas) y manejar las corrientes más altas que suelen requerir las aplicaciones modernas. A menos que se pueda mejorar el diseño para reducir el consumo de energía, las leyes de la física definen el tamaño de este tipo de componentes.
La clave de la integración de los diseños analógicos y de potencia, junto con la lógica digital, es la capacidad de fusionar diferentes procesos de fabricación: se necesita una base común para alcanzar los niveles más altos de integración.

Pensar de forma diferente
Para el observador ocasional, la miniaturización consiste simplemente en exprimir el tamaño del encapsulado de semiconductores en un tamaño más pequeño y, aunque esto puede aportar algunas ventajas, a menudo hay un enfoque mejor. En última instancia, el diseñador de sistemas busca una reducción del tamaño y el peso del diseño final y necesita dispositivos semiconductores que permitan conseguirlo en función de todas las circunstancias del proyecto.
Lo que a menudo se denomina "reducción significativa" refleja el hecho de que un cambio en un dispositivo semiconductor puede permitir reducciones de tamaño en otros lugares que son muchas veces mayores que el propio semiconductor. Un ejemplo de ello es el paso de los dispositivos MOSFET de silicio (Si) a materiales de banda ancha (WBG) como el carburo de silicio (SiC) o el nitruro de galio (GaN). Gracias a la reducción de la carga de la puerta (Qg), estos dispositivos son capaces de funcionar con mayor eficacia a altas frecuencias. Como consecuencia de la frecuencia, el tamaño de los dispositivos magnéticos se reduce, así como el tamaño de la gestión térmica (como el disipador de calor), debido a la mayor eficiencia. Otros ejemplos de diseños de semiconductores revisados que aportan ventajas de diseño son los controladores de motor avanzados que pueden funcionar sin necesidad de componentes externos, como las resistencias en derivación (shunt resistors).

Áreas a considerar
Además de la conectividad entre los distintos componentes de un semiconductor de señal mixta, hay que tener en cuenta otras muchas consideraciones. Inevitablemente, esto requiere una cantidad significativa de intercambios y, por esta razón, requiere diseñadores altamente experimentados.
El proceso comienza con un conocimiento profundo de la(s) aplicación(es) en la(s) que se utilizará el dispositivo. A partir de ahí, se estudian las interfaces entre cada uno de los bloques para garantizar que la fuerza de accionamiento (la energía suministrada de un bloque a otro) sea la adecuada, pero no se especifique en exceso. En algunos casos, puede resultar ventajoso trasladar algunas funciones del dominio analógico a el digital, pero en otros, esto puede no ser adecuado para la aplicación, debido a aspectos de precisión, fiabilidad y rendimiento.

Una de las principales consideraciones es el camino de las pérdidas de conductividad, tanto eléctricas como térmicas. La generación de calor es uno de los factores que determinan el tamaño de los semiconductores, por lo que es importante minimizar las pérdidas. Por ejemplo, los diseñadores deben tener en cuenta las ventajas y desventajas (trade-offs) de conectar la pastilla al encapsulado con un cable o un clip de cobre, no sólo desde el punto de vista eléctrico y térmico, sino también en lo que respecta a la fabricación, el rendimiento y la fiabilidad. Para minimizar las pérdidas de conductividad térmica puede ser necesario un encapsulado avanzado que ofrezca refrigeración por las dos caras, aunque esto puede tener implicaciones económicas.
En aplicaciones y entornos adversos, como los que se encuentran en las aplicaciones de automoción bajo el capó, hay que tener muy en cuenta los materiales. Debido a las extremas (y rápidas) oscilaciones de temperatura, el sustrato y otros componentes pueden expandirse y contraerse a ritmos diferentes (coeficiente diferencial de expansión térmica - CTH), lo que supondrá una tensión en las uniones, provocando problemas de fiabilidad. Los materiales, como los sustratos y los pegamentos, deben elegirse cuidadosamente para adaptarse al entorno de la aplicación.
En casi todos los casos, "manejable" es un objetivo mejor que "más pequeño"; por ejemplo, la industria del automóvil tiene una necesidad particular de inspección óptica automatizada (AOI) que requiere pistas visibles que, en última instancia, definen lo pequeño que puede ser un encapsulado.

Ejemplo de diseño: controlador de motor
Los controladores de motor son dispositivos relativamente complejos y, por tanto, son un buen ejemplo del proceso de integración y miniaturización. Normalmente, estos dispositivos constan de lógica de control, controladores de puerta y MOSFETs que pueden integrarse en diversas combinaciones. Aparte de lo que sea físicamente posible, la prioridad para el diseñador es determinar qué tiene sentido integrar

Figura 1: Son posibles múltiples enfoques de integración para los MCD

Está claro que una solución totalmente integrada podría contener todos los componentes principales. Sin embargo, aunque esto es atractivo desde el punto de vista de la pulcritud, limita la flexibilidad. Un enfoque alternativo integra sólo la lógica de control y los controladores de puerta, dejando los MOSFET como dispositivos externos discretos. Esto permite dimensionar los MOSFETs para distintas aplicaciones, lo que ofrece un mayor atractivo (y un mayor volumen de fabricación que redundará en el coste).
La incorporación de nuevas técnicas de diseño en la lógica de control puede beneficiar al diseño y facilitar el proceso de integración y miniaturización. Por ejemplo, el control de fase inteligente pone la corriente y la tensión en la misma fase, reduciendo así el factor de potencia y la energía consumida, lo que aumenta la eficiencia y reduce los costes de funcionamiento del motor.

Figura 2: Las técnicas de diseño innovadoras favorecen el proceso de integración y miniaturización

En un sistema de accionamiento de motor convencional, se requiere un par de resistencias sensoras de corriente externas (bastante grandes). Sin embargo, el innovador sistema avanzado de detección de corriente (ACDS) de Toshiba sustituye las resistencias externas por un circuito de medición integrado inteligente y muy preciso, lo que simplifica la disposición de la placa de circuito impreso y ahorra espacio en el diseño final.
Se pueden incorporar otras técnicas, como el exclusivo Advanced Dynamic Mixed Decay (ADMD) de Toshiba, que realiza un seguimiento muy preciso de la corriente de entrada, lo que permite un control del motor muy eficaz a altas RPM. Además, las técnicas de control de motores sin sensores eliminan la necesidad de sensores de efecto Hall externos, reduciendo aún más el tamaño, el coste de la lista de materiales y la complejidad.

Consideraciones comerciales
Aunque muchos enfoques pueden ser técnicamente posibles, hay que tener en cuenta las consideraciones comerciales a la hora de integrar y reducir los circuitos integrados. Los profesionales del suministro se ven cada vez más impulsados por las políticas de múltiples fuentes que exigen que los dispositivos compatibles con la huella estén disponibles en varios fabricantes. Aunque este es un tema importante por sí mismo, está llevando a muchas empresas de semiconductores a mantener las huellas y asignaciones de pines estándar de la industria para sus dispositivos. Incluso con este requisito, sigue existiendo la oportunidad de diferenciarse a través de un buen diseño y técnicas innovadoras, como las descritas anteriormente.

Resumen
La miniaturización de los circuitos integrados de señal mixta que contienen elementos analógicos y/o de potencia es muy diferente a la reducción de un circuito integrado digital. Debido a los procesos mixtos, es necesario un enfoque diferente y, a menudo, el tamaño del circuito integrado puede no reducirse, pero pueden obtenerse importantes beneficios de tamaño en otras partes del producto final.
Las complejas compensaciones y decisiones sobre qué integrar (y cómo), así como las consideraciones comerciales, exigen ingenieros muy experimentados. Toshiba se encuentra en una posición única en este sentido, gracias a su experiencia en lógica de control, MCU, lógica simple, interconexión, puentes, diseños de controladores de puertas múltiples (basados en sus optoacopladores) y MOSFET de potencia.

Autor:  Armin Derpmanns, General Manager Semiconductor Marketing, Toshiba Electronics Europe GmbH