Fabless-Design-Dienstleister entwickelt und liefert vollständige ASICs

Ansem hat ein recht breites Know-how mit passendem IP-Portfolio in den Bereichen Low Voltage, HF-CMOS, High-Speed-Datenkommunikation und Datenakquise, sprich Sensor-Interfaces, A/D- und D/A-Wandler.Ansem

Elektronik-Ingenieure haben heute haufenweise Standardprodukte zur Hand, um eigene Systeme zu entwickeln. Fehlt mal der passende Chip, dann lässt sich mit einem PLC oder FPGA eine eigene Schaltung umsetzen. Jüngere FPGA-Bausteine bieten Speicher von RAM über ROM bis Flash, Mikrocontroller bis hin zur 32-Bit-Klasse sowie weitere Funk­tionsblöcke wie Serdes-IOs. Sie sind vergleichsweise preiswert und in hohen Stückzahlen erhältlich. Doch nicht in jedem Fall sind ­FPGAs oder diskrete Aufbauten die richtige Lösung, vor allem wenn es um analoge Signale geht.

In diesen Fällen spielen Application Specific Integrated Circuits ihre Vorteile aus. Im Kern sind ASICs schlicht integrierte Schaltkreise, die für eine spezielle Aufgabe entwickelt wurden, im Unterschied zu Standardprodukten. In höheren Stückzahlen sind sie wesentlich günstiger als FPGAs und auch in kleineren Auflagen kommen FPGAs in arge Bedrängnis, wenn die Lösung hohe Analog- und Mixed-Signal-Anteile verlangt. Zudem punkten ASICs mit höherer Performance, kleineren Stückkosten, kompakteren Maßen und der Möglichkeit, analoge und digitale Schaltungen in einem Chip zu integrieren.

Der Kunde hat nur einen Ansprechpartner – der wiederum kümmert sich selbst darum, passende Foundrys, Testing-Dienstleister, Assemblys und IP-Anbieter zu finden.Ansem

Ein ASIC-Entwickler kann die Performance seines Bausteins komplett für die jeweilige Applikation optimieren: Zum Beispiel brauchen mobile, batteriebetriebene Geräte einen möglichst geringen Energiebedarf, während stationäre Maschinen eine höhere Signalqualität fordern. Oft ist die Größe entscheidend: Hörgeräte müssen hinter das Ohr passen – viel Platz bleibt da nicht für die Elektronik. ASICs schützen die IP des Herstellers besser als andere Lösungen: Diskrete Schaltungen kann ein Konkurrent viel leichter kopieren. Außerdem gibt es bei diskreten Aufbauten mehr Fehlerquellen – eine hochintegrierte Schaltung arbeitet zuverlässiger.

Von der Idee zum fertigen Chip

Zwischen der ersten Idee für ein ASIC und der Produktion großer Stückzahlen durchläuft ein typisches Projekt mehrere Phasen (siehe Bild 1). Um schlüsselfertige ASIC-Lösungen anzubieten, muss ein Dienstleister alle diese Phasen beherrschen. Ab dem ersten Kundenkontakt kooperiert ein guter ASIC-Partner eng mit seinem Kunden. Zur so genannten Prestudy gehört, die geschäftlichen, technischen und qualitativen Anforderungen des Kunden zu kennen und proaktiv eigene Vorschläge zum ASIC-Design einzubringen, um eine optimale Partitionierung des Systems zu erzielen. Der Partner definiert den Chip und seine Spezifikation detailliert, dazu gehören Funktionalität, Stromverbrauch, Gehäuse, Testbarkeit, Entwicklungszeit und Aufwand.

Diese Vorableistungen sollen Risiken aufspüren und vermeiden und ein solides Fundament für das weitere Projekt legen. In dieser Phase wird bereits der Fertigungspartner gewählt: Als Fabless-ASIC-Firma braucht Ansem eine externe Foundry, ist aber unabhängig und kann den Hersteller daher frei wählen. In der Functional-Development-Phase wird dann der komplette Chip designed und das Layout fertiggestellt, um es an die Foundry senden zu können. Mit modernen EDA-Tools (Ansem verwendet Cadence, Mentor oder Tanner) gilt es, das IC-Design zu überprüfen und sicherzustellen, dass der spätere Chip die Anforderungen tatsächlich erfüllt. Für eine transparente und klare Kommunikation mit dem Kunden sind hier regelmäßige Design-Reviews mit anschließenden Reports sehr zu empfehlen.

Mit einer GDSII-Datei, die das Layout des ICs enthält, kann die Foundry bereits erste Prototypen fertigen. Es stehen mehrere Masken-Varianten zur Auswahl, passend zum Budget und der Anzahl an Prototypen, die man verarbeiten will. Multi-Projekt-Wafer sind eine wunderbare Möglichkeit, um schnell und preiswert Prototypen zu fertigen. Anschließend folgen Assembling und Packaging.

Bei der Prototypen-Charakterisierung testet der Dienstleister die komplette Funktionalität und berücksichtigt dabei den spezifizierten Temperaturbereich sowie die erlaubten Schwankungen der Versorgungsspannung. Auch der Kunde erhält fertige Prototypen, um damit die restliche Elektronik zu testen.

Vorbereitung für die Serienproduktion

In der so genannten Productisation erledigt das Designhaus alle übrigen Schritte, um die Fertigung problemlos hochzufahren und hochwertige Ergebnisse bei der Volumen-Produktion zu erzielen. Zu dieser Industrialisierung gehört auch, das Design für verschiedene Prozess-Varianten zu verifizieren, die Zuverlässigkeit zu prüfen sowie ein Test-Setup zu entwickeln, mit dem man auch große Stückzahlen kontrollieren kann. Für den Test kann ein speziell entwickelter Tester zum Einsatz kommen oder ein Standardgerät.

Es ist auch möglich, einzelne Lose in den Grenzbereichen der Foundry-Prozess-Parameter zu produzieren. Damit lässt sich prüfen, wie anfällig das Design auf Schwankungen in der Fab reagiert, die während einer Volumenfertigung im Laufe der Zeit immer auftreten können. Stresstests sollen zudem die Verlässlichkeit sicherstellen (ESD, Latch-Up, Lebensdauer, HAST und weitere) oder den Baustein weiter qualifizieren, um ihn in extremen Umweltbedingungen einsetzen zu können. Alle Tests vereinbaren Kunde und Design-/Fertigungspartner gemeinsam, um zwischen Qualitätsanforderungen und Kosten abzuwägen. Hier bewährt es sich auch, einen Foundry-Partner auszuwählen, der bereits nach AEC-Q100, ISO9001 oder anderen Standards vorqualifiziert ist.

Lieferkette und Qualität

Beim Supply-Chain-Management und der Quality Assurance koordiniert der ASIC-Entwicklungspartner alle Fertigungsschritte in der Versorgungskette und liefert das fertige Produkt an den Kunden. Der Yield (die Ausbeute) sowie die tatsächliche Qualität wird fortlaufend überwacht, da auch ein Fabless-Designhaus für die gelieferte Qualität verantwortlich zeichnet.

OEMs stehen vor der Herausforderung, einen geeigneten Partner zu finden, der ausreichend qualifizierte und erfahrene ASIC-Ingenieure in das Projektteam einbringt und auch die späteren Schritte bei der Fertigung beherrscht. Hier den Partner zu beurteilen fällt besonders schwer, weil dem Kunden typischerweise gerade diese Kompetenzen fehlen – daher wendet er sich ja an einen Dienstleister.

ASIC-Dienstleistungen wurden früher vor allem von den IDMs (Integrated Device Manufacturer) erbracht. Diese vertikal integrierten Unternehmen konnten die komplette Leistung von der Idee bis zur Fertigung aus einer Hand anbieten, mit eigenen Fabs. Dank Outsourcing und dem Foundry-Modell kann eine Fabless-ASIC-Firma mit unabhängigen Partner zusammenarbeiten, sich die besten Spezialisten in jedem Bereich heraussuchen und eine Fertigungs-Supply-Chain zusammenstellen, die genau zum jeweiligen ASIC passt.

Vorteile dank fehlender Fab

Fabless-ASIC-Firmen können ihren Kunden einige Vorteile bieten, die sie von klassischen IDMs differenzieren. Dazu gehören:

• Zugang zu ASIC-Design-Techniken und ein optimales Feature-Set für die Kundenprodukte.
• Zugang zu führenden Foundrys, auch bei kleinen Losgrößen.
• Da der One-Stop-Dienstleister an jedem hergestellten Baustein mitverdient, hat er ein eigenes Interesse daran, hohe Qualität zu liefern und damit eine Massenfertigung zu rechtfertigen.
• Weil Fabless-Designhäuser unabhängig von der Technologie und der Foundry sind, können sie aus dem Vollen schöpfen und die besten Fabs auswählen.
• Bei Dienstleistern besteht keine Gefahr, dass sie ihr Geschäftsmodell ändern und nicht mehr für den Kunden produzieren.

Das Modell, dass ein Fabless-Designhaus schlüsselfertige ASICs entwickelt, hat sich bewährt. Es gibt Kunden Zugang zu jeder Art von Mixed-Signal-ASICs in jeder Stückzahl. Weil der Kunde nur einen Ansprechpartner hat, reduzieren sich bei ihm der Kommunikationsaufwand und das Risiko und er kann sich stärker auf das finale Produkt konzentrieren, statt zu viel Zeit in einzelne Komponenten zu investieren. Entscheidend ist, dass der Partner das nötige Know-how und die Erfahrung mitbringt sowie offen mit dem Kunden spricht. Der sollte auf Tipps und Ratschläge aber auch hören, um ein konkurrenzfähiges Produkt zu erhalten. 

(lei)