Präzision am Prüfstand

Ein autonomes Fahrzeug fährt mit etwa 50 km/h auf eine Kreuzung zu, als sein Lidar-System plötzlich vorne ein Objekt erkennt. Die genaue Messung, ob dieses Objekt nun 50 Meter oder 51 Meter entfernt ist, bestimmt, ob das Auto sanft und rechtzeitig bremsen kann. Dieser eine Meter kann den Unterschied zwischen Sicherheit und Katastrophe ausmachen.

Diese Stufe an präziser Messung hängt von der hochentwickelten analogen Technologie ab, die digitale Verarbeitung mit unserer physischen Welt verbindet.

Hochpräzise Datenwandler, Verstärker, Spannungsreferenzen und andere analoge integrierte Schaltkreise (Integrated Circuits, IC) sind dafür ausgelegt, Umgebungssignale wie etwa Temperatur, Feuchtigkeit, Spannung, Strom, Entfernung und Position mit herausragender Genauigkeit zu erfassen. Diese analogen Chips arbeiten gemeinsam auf einer Platine und stellen Genauigkeit auf Systemebene zur Verfügung. Sie ermöglichen es digitalen Systemen, intelligente Entscheidungen zu treffen.

Bevor diese Chips jedoch zusammenarbeiten können, ist es wichtig, sie mithilfe von fortschrittlichen Prüfgeräten, die noch ausgefeilter sind als die Chips selbst, auf Leistung und Genauigkeit zu testen und zu validieren. Automatisierte Testsysteme (ATEs), hochauflösende Oszilloskope, digitale Multimeter und andere Tools basieren auf fortschrittlichen Halbleitern zur Validierung von Elektronik der nächsten Generation. Wenn Fehler auftreten, riskieren Hersteller kostspielige Produktdefekte, Sicherheitsprobleme und vor allem den Verlust des Vertrauens ihrer Kundschaft.

Das unablässige Bestreben nach Präzision

"Die Halbleiterbranche bewegt sich in Richtung Transistoren mit Gate-Längen von 1,5 nm", so Karthik Vasanth, Vice President of Data Converters and Clocking bei TI. "Um dies in Relation zu setzen: der Atomzwischenraum von zwei Siliciumatomen beträgt etwa 0,23 nm, das ist also etwa fünfmal so groß wie der Atomzwischenraum. Das ist unglaublich."

Wenn Halbleiter atomare Stufen der Präzision erreichen, müssen hochauflösende Prüfgeräte ebenso ausgeklügelt werden. Entwicklerinnen und Entwickler entwerfen Prüfgeräte, die mit jeder Generation immer größere Bandbreiten, schnellere Signale und höhere Auflösung messen können.

Robert Manion hat die Entwicklung bei National Instruments (NI), nun Teil von Emerson, aus erster Hand miterlebt. Er ist General Manager für Halbleiterlösungen für Tests und Messungen und sein Unternehmen verwendet die Präzisions-ICs von TI, um Leistungsabweichungen zu ermitteln, die vor einigen Jahren noch schwer oder unmöglich zu messen waren.

„Von der Sub-2-nm-Prozessforschung zur Siliciumvalidierung, Charakterisierung und Produktion von ATEs in großen Mengen hat NI Systeme entwickelt, um die weltweit fortschrittlichsten Halbleiter zu testen“, so Robert. „Das Bereitstellen dieses Umfangs erfordert, dass wir außergewöhnliche Datenwandler und präzise analoge Komponenten integrieren. Kombiniert mit neuen KI-Fähigkeiten in unseren Testplattformen erschließen wir Geräteverhalten, das vor einigen Jahren schlicht unerreichbar war. So helfen wir Chipherstellern bei der Beschleunigung von Lernzyklen und der Markteinführung jeder neuen Gerätegeneration mit größerer Zuversicht.“

Die Präzisionsanforderungen

„Entwicklerinnen und Entwickler wählen immer die besten, zuverlässigsten Teile aus“, so Karthik. „Sie gehen keine Kompromisse bei grundlegenden Präzisionsspezifikationen ein.“ Diese Realität fördert Innovation, da TI Nachfrage von beiden Seiten erfährt: als Chiphersteller und Gerätenutzer.

Beispielsweise hat sich die Verstärkerpräzision drastisch verbessert. Heutige Präzisionsverstärker können elektrische Signale 100-mal präziser erkennen als noch vor 10 Jahren. „Auch eine einfache Halbleiterkomponente wie ein Verstärker kann die Welt durch Präzision und Genauigkeit verändern“, so Prajkta Vyavahare, Vice President of Amplifiers bei TI.

Heutige Test- und Messgeräte erfordern Präzisionsverstärker mit unglaublich stabiler Leistung, die Abweichungen nur im Bereich von Mikrovolt zulassen dürfen und extrem rauscharm sein müssen. Ein Datenwandler beispielsweise muss sensibel genug sein, um eine falsche Messung unter 15 Millionen perfekten zu erkennen – und das alles, während er 1 Milliarde Proben pro Sekunde verarbeitet. Spannungsreferenzen müssen außerdem Spannungspegel mit praktisch Nulldrift im Laufe der Zeit bereitstellen, sodass Testgeräte länger ohne Anpassungen in Betrieb bleiben können und so ein neues Zeitalter der Präzision eingeleitet wird.

Tests und Messungen spielen eine wichtige Rolle bei der Förderung von Gerätefortschritt. „Beim Entwickeln und Herstellen des Halbleiters müssen Sie sicherhstellen, dass Sie jede einzelne Leistungsspezifikation einhalten, für die Sie ihn herstellen“, so Prajkta. „Tests verifzieren nicht nur, sie geben Ihnen auch Zuversicht hinsichtlich Ihres Designs.“

Diese Leistungsspezifikationen bilden auch einen faszinierenden Kreislauf mit Halbleiter- und Geräteherstellern, der die Branche lenkt. „Jedes Produkt mit dieser Stufe an Präzision muss vor seinem Versand getestet werden“, so Karthik. „Dies ist die treibende Kraft. Testgeräte müssen immer präziser sein als das Produkt, das sie messen, und kontinuierliche Innovation hinsichtlich des Halbleiterdesigns und der Testtechnologie fördern.“

Die unendliche Geschichte

Dieses unablässige Bestreben nach Präzision gilt für jede Anwendung, die genauere Messungen erfordert. Elektrische Fahrzeugbatteriesysteme benötigen Präzisionsverstärker, die Ladestrom und -spannungen genau messen können, um gefährliche Störungen zu vermeiden. Chips mit künstlicher Intelligenz (KI) für Rechenzentren erfordern Tests, um kleinste Defekte vor ihrer Implementierung in Servern zu identifzieren.

Fortschritte in der Halbleiterbranche werden weiterhin die Entwicklung automatisierter Testgeräte mit erweiterten KI-Fähigkeiten ermöglichen, die Störungen vorhersagen und Entscheidungen in Echtzeit treffen können. Neue Erkenntnisse hinsichtlich Integration werden zu kleineren und zuverlässigeren Testsystemen führen, durch die Hersteller Qualität verbessern, Markteinführung beschleunigen und Produktion skalieren können.

„Letztendlich wird Erfolg durch das Lösen echter Entwicklungsprobleme erzielt“, so Prajkta. „Sie wissen, dass Sie Präzision erreicht haben, wenn Entwicklerinnen und Entwickler von Test- und Messsystemen Ihnen sagen, dass ihr Problem bewältigt wurde.“