Auf Nummer sicher gehen

Dr. Eschke, Berlin & Creative Chips, Bingen

Heute beschäftigen sich fast über 25 Mitarbeiter, davon 12 Ingenieure, ausschließlich mit der Entwicklung, Test und Serienlieferung von Application Specific Integrated Circuits. ASICs oder anwenderspezifische integrierte Schaltungen sind nicht von heute auf morgen konstruiert, denn die Entwicklung ist ein zeitaufwendiger und Ressourcen-intensiver Prozess. Eine Neuentwicklung kann je nach Größe und Leistungsumfang des ICs zwischen einigen Monaten bis zu zwei bis drei Jahre Dauer erfordern.

Die Mitarbeiter der Creative Chips verfügen über langjährige Erfahrungen bei der Entwicklung anwendungsspezifischer Mixed Signal ASICs, welche sowohl mit digitalen als auch analogen Signalen arbeiten. Doch da digitale Signale in der Regel recht steile Signalflanken mit hohem Störpotential haben, sind spezielle Vorkehrungen zu treffen. Zum Beispiel Schirmung und getrennte, nur an einem Sternpunkt verbundene Massepotentiale, damit die analogen Signale nicht von den digitalen gestört werden. Die Fachleute sind in der Lage, auch komplexe Schaltungen in Silizium zu realisieren. Dennoch ist die Entwicklung kundenspezifischer Schaltungen nicht alles. Als wesentlicher Faktor für spätere Serienproduktion zählt für die IC-Designer in Bingen Schaltungen zu entwickeln, die tolerant gegenüber Fertigungsvariationen sind. Nur so werden IC-Entwicklungen erfolgreich. Denn nur so können parametrische Ausfälle in der Serienproduktion vermieden, und der Yield optimiert werden.

Für die Entwicklung digitaler Schaltungsblöcke arbeitet man überwiegend mit der Hardwarebeschreibungssprache Verilog HDL (Hardware Description Language), die von den Chipentwicklern weltweit am meisten genutzt wird. Alternativ können auch Kundendesigns in VHDL – Very High Speed Integrated Hardware Description Language konvertiert werden. Verilog ist eine formale Sprache, die es ermöglicht, kombinatorische sowie sequentielle Logik und deren Zeitverhalten zu modellieren, simulieren und automatisch daraus die IC-typische Beschreibung zu synthetisieren. Im Unterschied zu konventionellen Programmiersprachen wie C ist die Modellierung von parallelen Prozessen in Hardware möglich.

Für digitale Schaltungsanteile spielt die Logiksynthese eine entscheidende Rolle. Sie beschäftigt sich mit der automatischen Generierung von Schaltungsbeschreibungen, die Boolesche Funktionen oder Schaltwerke realisieren. Verilog ermöglicht das vollautomatische Generieren von Netzlisten für diese Schaltungen. Auf diesem Weg lassen sich digitale anwendungsspezifische integrierte Schaltungen effektiv erstellen. Dabei ist es auch immer das Ziel weiterer Analysen, die Designsicherheit zu erhöhen und die Schaltungsstrukturen zu optimieren.

Komplexe kundenspezifische integrierte Systeme, wie zum Beispiel SOCs – System on Chip bestehen heute aus einer Vielzahl analoger und digitaler Funktionsgruppen. Auf diesem Gebiet hat man breites Know-how aus vielen Jahren Berufserfahrung und einer großen Palette realisierter Schaltungen. So zählen analoge Spezialschaltungen mit zu den Stärken der Binger Chipleute. Die heute verfügbaren Halbleitertechnologien bieten zahlreiche Möglichkeiten für die Herstellung analoger Schaltungen mit unterschiedlichsten Funktionen und Parametern. Zum Einsatz kommen die Schaltungen zum Beispiel als Sensorverstärker oder Sensorcontroller, auch in ungeschützter Kfz-Bordnetz-Umgebung oder als optische Transimpedanzverstärker.

Digitale ASICs bewältigt das Unternehmen aufgrund seiner reichen Erfahrungen beim Entwickeln komplexer digitaler Systeme via Verilog HDL Programmierung bestens. Die Grundlage dafür sind leistungsfähige EDA Softwarewerkzeuge von Synopsis. Andererseits haben die Fachleute, angefangen von einer reinen Umsetzung eines FPGA in ein vollkundenspezifisches ASIC bis hin zur komplexen Logikentwicklung und ASIC-Implementierung die gesamte Palette an Dienstleistungen und technischen Möglichkeiten zu bieten. In aller Regel entsteht ein digitaler ASIC in enger Kooperation mit den Kunden.

Vom Entwurf mehrheitlich kundenspezifischer – full customized Chips – bis zur Auslieferung fertiger, montagebereiter integrierter Schaltungen bietet das Unternehmen alles aus einer Hand, als sogenannter Fabless Semiconductor Vendor, von der ersten Idee bis zum fertigen Produkt ohne eigene Siliziumwaferproduktion. Die Idee dahinter ist so simpel wie effektiv: international vorhandene Waferfertigungskapazitäten nutzen, anstelle einer eigenen Fabrikation. Deshalb greift das Unternehmen als unabhängiger „Fabless Semiconductor Vendor“ auf den für das jeweilige Projekt optimalen Prozess einer Reihe unterschiedlicher Waferfoundries zurück. Die Nutzung solcher reinen Foundries, die keine eigenen Produk- te herstellen und anbieten, gewährleistet eine lange Technologiestandzeit, stabile technische Parameter und letztlich auch günstige Preise.

Nach Fertigstellung der Wafer werden schon in der Fab erste Tests durchgeführt, die der Kontrolle der Fertigungsparameter dienen. Der sogenannte WAT Test Wafer Acceptance Test stellt sicher, dass die im jeweiligen Fertigungsprozess verfügbaren Grundstrukturen die erforderliche elektrische Spezifikation halten. Das ist Voraussetzung dafür, dass die Fertigungsausbeute des ASICs im erwarteten Bereich liegen kann. Doch die eigentliche elektrische Funktionsprüfung übernimmt die Testabteilung in Bingen.

Alle „customized Chips“ werden zunächst als Wafer an einen weiteren zuverlässigen und bewährten Kooperationspartner in Asien geschickt, der das Sägen der Wafer und das „Einpacken“ in ein spezifisches Plastikgehäuse übernimmt. Die Siliziumscheibe mit den Chips wird auf eine Klebefolie geklebt und mit einer feinen Diamantsäge in x- und y-Richtung Reihe für Reihe durchschnitten. Dabei bleiben die vereinzelten Chips auf der unzertrennten Folie haften. Auf diesem Weg können aus einer Scheibe mit 150 mm oder 200 mm Durchmesser zwischen einigen Hundert bis zu mehreren Tausend Chips gewonnen werden. Doch dann schlägt für jeden IC die Stunde der Wahrheit. Die in Plastikstangen oder auf Versandplatten, sogenannten „Trays“ angelieferten ICs durchlaufen jetzt Stück für Stück die elektrische Prüfung. Das Adaptieren der einzelnen ASICs an das Testsystem übernehmen sogenannte Handler, spezielle vollautomatische Maschinen, die die Stangen oder Trays mit den ungetesteten ICs aufnehmen. Durch geeignete mechanische Vorrichtungen, die eine bemerkenswerte Feinmechanik beinhalten, werden die verpackten ICs Stück für Stück an den Kontaktsatz im Handler geführt und mit dem Testgerät verbunden.

Nun erfolgt der elektrische Funktionstest nach einem von den Binger Ingenieuren entwickelten Testprogramm mit vollautomatischem Aussortieren der Fehlteile. Auf diese Weise gelangen nur 100 % gut getestete ICs zurück in die Stangen oder Trays. Für den Test der ICs setzt man auch Testsysteme der Dr. Eschke Elektronik GmbH aus Berlin ein. Neben mehreren Testern CT300 Satellite wird seit neustem auch mit einem Testsystem CT300 Meteor geprüft. Stück für Stück müssen sich die angelieferten ICs einem Funktionstest unterziehen. Ausfallteile landen in der Abfallkiste. In der Fab erfolgte bereits der Test, ob bei der Produktion alle technologischen Parameter des Gesamtwafers im Limit sind. Das bedeutet aber noch nicht, dass auch jeder Chip funktioniert. Schuld daran ist die zwar sehr kleine, aber niemals 0 erreichende Fremd-Partikeldichte im Reinraum sowie zusätzliche Fehlerursachen beim Wafersägen, der anschließenden Verpackung oder beim Transport.

Speziell für diesen elektrischen Endtest hat sich das Binger Unternehmen für die Testsysteme von der Dr. Eschke Elektronik entschieden. Nach Geschäftsführer Dr. Lutz Porombka und seinen Kollegen sind die Benchmarks klar für den Hersteller ausgefallen. Sowohl der CT300 Satellite als auch der CT300 Meteor wurden auf Herz und Nieren geprüft. Mit ein wesentlicher Faktor für diese Entscheidung sind die integrierten Features. Flexibilität, Mixed Signal Eigenschaften, schnelle Testverfahren, sehr gute Messgenauigkeiten sprechen für sich. Zudem sind die Testsysteme modular aufgebaut, skalierbar, hoch integriert und vor allem leicht zu bedienen. Insgesamt ist eine relativ große Palette von Modultypen verfügbar. Jedes System ist in weiten Grenzen erweiterungsfähig. Zusatzgeräte, wenn gewünscht, lassen sich über Standard-Interfaces vollständig in das System und seine Umgebung einbinden. Aufgrund seiner Architektur zählen die Systeme mit zu den schnellsten Board Testsystemen der Industrie. Die Testermodule weisen zudem eine ganze Reihe herausragender Merkmale auf. Allen voran das zentrale Steuermodul SM2–4 im CT300 Meteor ist mit einem 32 Bit RISC / DSP mit Realtime Kernel, einem wirklichen Echtzeitprozessor, ausgestattet. Der stellt die schnelle Kommunikation mit dem Steuer PC, die Testerparametrierung, die Testablaufsteuerung inklusive Taktgenerierung und den Tester Selbsttest sicher. Dieses Modul stellt unter anderem vier Versorgungsspannungen, eine komfortable Schnittstelle zur externen Testersynchronisation und ein frei programmierbares Handler-Steuer-Interface zur Verfügung. Und darüber hinaus jeweils 16 Optokoppler-Eingänge und 16 Optokoppler-Ausgänge, die mit für die Steuerung von Handling-Systemen genutzt werden können. Das zentrale analoge Messmodul AM2 (System PMU), enthält ein Digital Scope, einen Arbitrary Generator, zwei 4-Quadrantenquellen, 2 AD-Wandler-Kanäle für Standardmessungen, einen Frequenzzähler und 2 Guarding-Verstärker. Ideal für die Tester ist, dass an jeden Testpunkt im Adapter über die Scanner-Matrix das Digital Scope der zentralen analogen Messeinheit geschaltet werden kann.

Bandbreite und Geschwindigkeit sind gefragter denn je. Patternraten bis maximal 300 MSteps pro Sekunde oder 1 GS/s ermöglichen es, den Anforderungen moderner Testobjekte zu folgen und entsprechende volldynamische Tests mit Echtzeitbewertung der Signalverläufe durchzuführen. Tests, die die reale Einsatzumgebung nachbilden, sind damit sehr gut möglich. Bemerkenswert ist, dass an den Digitalmodulen bidirektionale analoge und digitale Messungen an ein und demselben Pin durchgeführt werden können.

Bei den Testsystemen beginnt die Messung von Strömen im Bereich von 1 nA und reicht gegenwärtig über die Nachbildung der Bord-Stromversorgung des Airbus A380, mit einer Generatorleistung von 6 KW, und der zugehörigen Messung sehr großer Ströme. Mit von der Partie ist das analoge Hochkanal Messmodul AM4–24, das über 32 Stimuli- und 64 Akquisition Kanäle mit 24 Bit Auflösung verfügt. Innovative und hochintegrierte Scanner-Module SC3 mit modernen Solid State Relais gehören zum Standard. Die bekannten aufwändigen und eigentlich unvermeidlichen Reparaturen an elektromechanischen Scannern mit den üblichen Reed-Kontakten entfallen. Zudem sichern automatische Abgleichfunktionen für die Testermodule einen stabilen Einsatz der Testsysteme.

Mit den Modulen DM300–64HV können sogar High Pegel bis zu 30 V mit einer Patternrate von 2 MSteps/s generiert und analysiert werden. Der Vorteil für die schnelle Erstellung der Tests durch Teach-In von Gut-Signalen und die volldynamische Testung liegen klar auf der Hand. Nach erfolgreichem Endtest erfolgt heute überwiegend die Konfektionierung der Chips auf Bänder und Rollen. Oder in der Elektroniksprache auch Tape & Reel genannt. Diese Lieferform gestattet einen effektiven Versand und die Verarbeitung direkt am SMD-Bestückungsvollautomaten des ASIC-Kunden. In selteneren Fällen erfolgt die Lieferung auch in Stangen, auf Trays oder auch in Form von getesteten und gesägten Wafern, stets jedoch in vakuumverpackten Spezialbeuteln mit Trockenmitteln, optional auch unter Schutzgas. Kundenspezifisch heißt für die ASIC-Spezialisten aus Bingen, auch bei der Auslieferung ihrer Chips alle möglichen modernen Vertriebssysteme unterstützen zu können, wie just-in-time, Kanban oder Konsigna- tionslager.

www.dr-eschke.de; www.creativechips.com

Creative Chips hat sich 1999 als unabhängiger deutscher Halbleiterhersteller auf die Produktion von Mixed Signal ICs in verschiedenen Fertigungsprozessen wie CMOS-, BiCMOS- und Bipolar-Technologien mit Frequenzen bis 3 GHz und Versorgungsspannungen bis zu 600 V spezialisiert. Die Leistungspalette reicht von relativ einfachen Chips bis hin zu komplexeren Full Custom ICs. Das Unternehmen versteht sich als Fabless Semiconductor Vendor. Heißt: Einerseits die modernsten Fertigungskapazitäten und Technologien ausgewählter Spezialhersteller zu nutzen. Andererseits umfassen die Leistungen den kompletten Service eines sogenannten großen IDM (Integrated Device Manufacturer): von der Spezifikation des Pflichtenheftes über die komplette IC-Entwicklung, Musterproduktion, Serienqualifikation und Dokumentation bis hin zur Großserienlieferung der in der eigenen Testabteilung getesteten ASICs oder ASSPs Application Specific Standard Products / anwenderspezifische Standardprodukte. Das Unternehmen ist Foundry unabhängig und deshalb in der Lage, die jeweils technisch und wirtschaftlich günstigste Lösung anzubieten. Heute arbeiten rund 30 Mitarbeiter im Unternehmen.

Die Dr. Eschke Elektronik GmbH entwickelte erstmals 1990 mit dem Digitaltester DT30 (50 MBit/s) ein hoch qualifiziertes Testsystem, das auch für die Produktion und den Test für Fiber Optics eingesetzt wurde. Es folgten Installationen bei namhaften Industrieunternehmen. Das System fand einen schnellen Absatz und intensive Entwicklungsarbeiten führten zu weiteren leistungsfähigen Systemen. 2007 wird mit dem CT350 Comet R und dem CT3XX Power Rack ein Leistungsoptimum erzielt. Heute erfolgen durch die Dr. Eschke Elektronik GmbH über ihre qualifizierten Vertriebsstellen die Beratung und der Verkauf ihrer inzwischen bekannten Produkte.