Миллионы транзисторов

Когда говорят ?миллионы транзисторов?, многие сразу представляют себе сухие техспецификации или маркетинговые слайды. Мол, чем больше, тем мощнее и современнее. Но на практике, особенно в силовой электронике, на которую мы в OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий ориентируемся, эта цифра — скорее отправная точка для головной боли. Потому что за ней стоит не абстрактная вычислительная мощь, а вполне конкретные вызовы: тепловыделение, паразитные ёмкости, надёжность каждого отдельного p-n перехода в условиях высоких напряжений и токов. И здесь уже не до красивых цифр — начинается кропотливая работа технологов.

От кристалла к корпусу: где живут эти миллионы

Возьмём, к примеру, разработку мощного MOSFET. Современный чип — это действительно структура с миллионами транзисторов, точнее, множеством параллельных ячеек, каждая из которых является элементарным транзистором. Цель — минимизировать сопротивление канала Rds(on). В теории всё гладко: уменьшаем топологические нормы, плотнее упаковываем. Но на нашем производстве в Жугао сразу упираемся в технологические ограничения оборудования для фотолитографии и диффузии. Нельзя просто взять и скопировать процесс с цифрового CPU. Для силового ключа критична толщина эпитаксиального слоя, качество окисла затвора, стойкость к latch-up эффекту. Иногда приходится сознательно жертвовать плотностью, чтобы добиться нужного пробивного напряжения, скажем, в 600В или 1000В.

Была у нас попытка для одной линейки диодов Шоттки использовать более агрессивную топологию, чтобы увеличить плотность элементов на пластине и снизить себестоимость. На этапе тестирования параметры были идеальны. Но при термоциклировании (-55°C … +150°C) начались отказы. Разбор показал: проблема в механических напряжениях из-за разницы ТКЛР материалов в сверхплотной структуре. Миллионы транзисторов (вернее, их аналогов в виде барьерных структур) создали совокупное механическое напряжение, которое привело к микротрещинам. Пришлось откатывать технологию и перепроектировать шаблон, увеличив расстояния. Плотность упала, но надёжность — главный козырь нашей продукции — осталась.

Этот опыт хорошо иллюстрирует, что в нашем сегменте — производстве выпрямительных диодов, TVS-диодов, тиристоров — масштабирование это не самоцель. Часто ключевой компетенцией является не гонка за нанометрами, а умение найти баланс между плотностью, электрическими параметрами, тепловыми режимами и, в конечном счёте, стоимостью. Наш сайт https://www.wfdz.ru отражает этот подход: мы делаем ставку на глубину проработки технологических процессов, а не на погоню за самыми амбициозными цифрами по количеству элементов.

Паразитные эффекты: шум в хоре миллионов

Ещё один аспект, о котором редко говорят в популярной литературе, — это паразитные взаимодействия. Когда на кристалле размещены миллионы транзисторов (или активных элементов, в случае диодных сборок), они начинают влиять друг на друга не только через схему, но и через субстрат, через общие шины питания, через взаимную индуктивность. Для высокочастотных диодов быстрого восстановления (FRD) это критично. Паразитная ёмкость каждого p-n перехода, умноженная на их количество в мостовой сборке, может свести на нет все преимущества от быстрого времени восстановления.

Мы потратили немало времени, оптимизируя layout для серии высокоэффективных диодов. Задача была — обеспечить максимально симметричное расположение элементов, чтобы токи распределялись равномерно, и не возникало локальных перегревов. Пришлось разработать собственную методику моделирования распределения тока и тепла на этапе проектирования фотошаблона. Это не та работа, которая видна заказчику, но именно она определяет, будет ли диодный мост стабильно работать на частоте в десятки килогерц в инверторе.

Иногда решение лежит не в области чистой физики, а в производственной цепочке. Например, для снижения паразитной индуктивности выводов в SMD-корпусах для наших стабилитронов и TVS-диодов мы перешли на использование особой конфигурации внутренних соединений (clip bond вместо wire bond) на этапе сборки. Это увеличило сложность, но резко улучшило импульсные характеристики. Такие нюансы — это и есть та самая ?кухня?, которая отличает одно предприятие от другого.

Надёжность и контроль: как не потеряться в масштабе

С увеличением сложности кристалла экспоненциально растёт важность контроля на каждом этапе. Одна пылинка, попавшая на пластину на этапе нанесения металлизации, может ?убить? не один транзистор, а целую цепочку. Для нас, как для производителя, интегрирующего НИОКР и производство, это означает жёсткую систему in-line контроля. Мы не можем позволить себе отбраковывать готовые пластины на финальном тестировании — это слишком дорого.

Поэтому в цеху постоянно идёт мониторинг ключевых параметров после каждой значимой операции: травления, имплантации, отжига. Строятся карты распределения параметров по пластине. Бывает, видишь аномалию — например, сопротивление слоя на краях пластины выше. И начинаешь расследование: температура в печи, равномерность потока газов, износ сопел. Это рутинная, но абсолютно необходимая работа для обеспечения консистентности. Ведь наши клиенты, которые используют наши MOSFET или тиристоры в промышленных инверторах, рассчитывают, что десятая тысяча прибора будет вести себя так же, как и первая.

Здесь, кстати, проявляется ещё одно преимущество нашей локации. Жугао, этот ?край долголетия?, известен не только экологией, но и стабильными климатическими условиями, что очень важно для чистых производственных помещений. Меньше перепадов влажности и температуры — меньше дрейф параметров технологического оборудования. Мелочь? Возможно. Но в деле управления миллионами транзисторов на кремнии мелочей не бывает.

Экономика масштаба: когда больше не значит дешевле

В массовом потребительском сегменте закон Мура и экономика масштаба работают почти автоматически. В силовой электронике, особенно с широкой номенклатурой (а у нас в ассортименте от выпрямительных диодов до ESD-защитных устройств), всё сложнее. Запуск в производство новой сложной структуры с высокой плотностью элементов требует огромных капиталовложений в маски, оснастку, валидацию. Окупается это только при очень больших тиражах одного и того же изделия.

Поэтому наша стратегия в OOO Нантун Ванфэн — не пытаться покрыть все возможные применения одним супер-кристаллом. Мы часто идём по пути разработки гибкого базового технологического процесса, на основе которого можно относительно быстро и дёшево создавать модификации под конкретные задачи заказчика. Нужен диод Шоттки с особым пороговым напряжением и ёмкостью для высокочастотного БП? Меняем параметры эпитаксиального роста и геометрию барьера. Нужен TVS-диод с очень точным напряжением пробоя? Корректируем профиль легирования. При этом сердцевина процесса, обеспечивающая надёжность, остаётся неизменной.

Это позволяет нам быть конкурентоспособными, не ввязываясь в безумную гонку за предельными техпроцессами. Наша цель — не уместить максимальное количество транзисторов на квадратный миллиметр, а обеспечить оптимальное соотношение цена/качество/надёжность для каждого конкретного силового прибора в нашем каталоге на https://www.wfdz.ru.

Взгляд в будущее: что дальше за миллионами?

Куда движется отрасль? Очевидно, что интеграция будет продолжаться. Появляются интеллектуальные силовые модули (IPM), где на одной подложке соседствуют силовые ключи (те самые миллионы транзисторов в составе MOSFET или IGBT), драйверы, схемы защиты и диагностики. Это следующий логический шаг. Для нас это вызов, связанный с освоением технологий изоляции (например, SiO2 или полиимидной плёнки), совместимости разных процессов на одной пластине.

Мы уже ведём НИОКР в области создания гибридных структур, где высоковольтный кремниевый столб интегрирован с низковольтной управляющей логикой. Проблем масса: разные требования к толщине эпитаксиальных слоёв, разная чувствительность к температурам последующих процессов. Иногда кажется, что проще сделать два отдельных кристалла и собрать в один корпус. Но давление рынка в сторону миниатюризации и снижения паразитных индуктивностей заставляет искать монолитные решения.

В конечном счёте, ?миллионы транзисторов? — это лишь инструмент. Важнее, как ты этим инструментом владеешь. Можно иметь самый передовой техпроцесс, но выпускать нестабильную продукцию. А можно, глубоко понимая физику и владея проверенными, может быть, не самыми модными, технологическими процессами, как мы стараемся делать в Жугао, создавать устройства, которые десятилетиями работают в суровых промышленных условиях. Для инженера, который паяет плату, или для проектировщика системы, это и есть та самая ценность, которая стоит за всеми миллионами и миллиардами.