Chiphersteller haben funktionale Sicherheit im Fokus

Die globalen Umsätze mit Chips zur KI-Unterstützung für alternative Antriebsstränge, Infotainment, ADAS-Fahrerassistenzsysteme, Fahrsicherheit und andere automobile Anwendungen steigen von Jahr zu Jahr. In Elektrofahrzeugen und Hybridautos sind etwa doppelt so viele Halbleiter nötig, wie in herkömmlichen Fahrzeugen.

Auch die Umstellung von konventionellem Silizium (Si) auf leistungsstärkere Halbleitermaterialien aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) schreitet stetig voran und ermöglicht die Entwicklung anspruchsvollerer Produkte. Im Zuge dieser Umstellung treten jedoch auch neue Herausforderungen auf. Ein Beispiel ist die Frage des Stromverbrauchs: Selbst wenn jedes einzelne Bauteil energieeffizienter ist, steigt der Gesamtstromverbrauch, je mehr Bauteile installiert werden. Auch soll die Miniaturisierung und Verkleinerung der Chips vorangetrieben werden, um die Montagefläche zu verringern. Es ist für Ingenieure äußerst schwierig, all diese Anforderungen zu erfüllen. Oberste Priorität hat vor allem anderen natürlich die Gewährleistung der Sicherheit.

Im Zuge des Trends zur Automatisierung und Elektrifizierung müssen Geräte eingesetzt werden, die die funktionale Sicherheit in Notfällen gewährleisten. In diesem Kontext überzeugt der Hochleistungs-Halbleiter-Leistungsschalter IPD (Intelligent Power Device), der einen MOSFET mit niedrigem Durchlasswiderstand und verschiedene Schutzschaltungen auf einem einzigen Chip vereint. Er wird auch als intelligenter Schalter bezeichnet. MOSFETs werden üblicherweise als Halbleiterschalter für die Steuerung elektronischer Schaltungen verwendet.

Herkömmliche MOSFETs und mechanische Relais bieten jedoch keinen Schutz vor Systemausfällen. Wird ein MOSFET allein als Schalter verwendet, zerstört sich der MOSFET selbst und führt zu einem Ausfall, wenn eine Last in der Konfigurationsschaltung kurzgeschlossen wird.

Der Smart Switch hingegen nutzt eine Überstromschutzschaltung, um den Leistungstransistor abzuschalten, wodurch der Strom blockiert und Schäden verhindert werden – was den Aufbau eines sicheren und äußerst zuverlässigen Systems ermöglicht. Der Stromkreis wird nach einer Unterbrechung wiederhergestellt und benötigt keinen Austausch, wie dies bei mechanischen Sicherungen der Fall ist.

Außerdem verfügt er über eine Funktion, die einen Mikrocomputer über eine Anomalie benachrichtigt, sodass die Ursache des Problems analysiert werden kann. Im Vergleich zu einem mechanischen Relais ist der Smart Switch, der keinen mechanischen Kontakt hat, in Bezug auf Langlebigkeit, Geräuscharmut und Zuverlässigkeit überlegen. Durch seinen Einsatz kann also ein höherer Schutz gegen Überhitzung, Überstrom, Überspannung und Lastkurzschluss erwartet werden.

Der vom japanischen Halbleiterhersteller ROHM entwickelte Smart Switch kombiniert auf einem einzigen Chip: einen vertikalen Trench-MOSFET (diskrete Struktur), der hohe Ströme verarbeiten kann, und einen CMOS (LSI-Struktur), der Schutzschaltungen enthält.

Darüber hinaus werden die Eigenschaften vertikaler MOSFETs, die den Strom nicht konzentrieren, genutzt, Temperatur- und Stromsensoren an optimalen Stellen platziert und andere Überlegungen zum Chip-Layout berücksichtigt, um ein Gehäuse mit hoher Wärmeableitung und hoher Zuverlässigkeit zu schaffen.

ROHM, bekannt für die Herstellung von hochwertigen Halbleiterbauelementen vor allem für den Automotive- und Industriemarkt, hat sich seit der erfolgreichen Entwicklung seines ersten IC in den 1970er Jahren auf Analogtechnologie konzentriert.

Das Unternehmen hat ein vertikal integriertes Produktionssystem aufgebaut, das alle Produktionsschritte vom Ziehen der Siliziumblöcke bis hin zur Vermarktung der fertigen Produkte in-house vereint. Es ist ein seltener Halbleiterhersteller, der ein Entwicklungssystem etabliert hat, das die drei Technologien integriert, die für die Entwicklung von hochwertigen analogen ICs unerlässlich sind: Schaltungsdesign, Layout und Prozess. Die vom Unternehmen entwickelte "TDACC™"-Struktur, bei der die firmeneigenen Schaltungs- und Prozesstechnologien zum Einsatz kommen, ist eine Weiterentwicklung der Smart Switch, die die verwendeten Kanäle durch bedarfsgerechtes Schalten der Gates optimal steuert und die geringe Größe der Smart Switch beibehält. Die TDACC™-Struktur ist die einzige in der Branche, der es gelungen ist, sowohl eine Wärmeunterdrückung als auch einen niedrigen Durchlasswiderstand zu erreichen, was bei der herkömmlichen Struktur der Leistungs-MOSFETs in der Smart Switch als schwierig galt.

Das Unternehmen nutzt diese Technologie zur Entwicklung von intelligenten Low-Side-Leistungsbauelementen mit 40-V-Durchbruchsspannung (1K/2K) für elektrische Systeme in Kraftfahrzeugen, wie z. B. Motor- und Getriebesteuerungen, und für Industriegeräte, wie z. B. speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), die in hohem Maße zu einem sicheren Betrieb und einer geringeren Verlustleistung in verschiedenen Geräten beitragen.