EN
त्वरित लिंक
उद्योग विशेष में, अर्धचालक आईसी चिप्स को कठोर परिस्थितियों जैसे कि तापमान में भारी उतार-चढ़ाव, लगातार कंपन और सिग्नल में व्यवधान पैदा करने वाले विद्युत चुम्बकीय शोर के बीच भी विश्वसनीय ढंग से काम करने की आवश्यकता होती है। जब ये चिप्स विफल हो जाते हैं, तो पूरी उत्पादन लाइनें रुक जाती हैं या सुरक्षा प्रणाली कमजोर हो जाती हैं। पिछले वर्ष पोनमॉन इंस्टीट्यूट के एक अनुसंधान के अनुसार, प्रत्येक घटना की लागत कंपनियों के लिए औसतन लगभग 740,000 डॉलर होती है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि घटक अपने अपेक्षित जीवनकाल तक चलें, निर्माता उन्हें उच्च तापमान पर संचालन जीवन परीक्षण और तापमान चक्रण प्रक्रियाओं जैसे सख्त परीक्षणों से गुजारते हैं। ये प्रक्रियाएं यह पुष्टि करने में मदद करती हैं कि कठिन परिस्थितियों में भी घटक 100,000 घंटे से अधिक संचालन का सामना कर सकते हैं। ऑटोमोटिव ग्रेड के बारे में सोचिए एकीकृत सर्किट उदाहरण के लिए। उन्हें AEC-Q100 मानकों को पार करना होता है, जिसका मतलब यह है कि प्रत्येक एक मिलियन उत्पादित उपकरणों में से एक भी दोषपूर्ण उपकरण नहीं होना चाहिए, और यह बात कम से कम 15 वर्षों के वाहन सेवा जीवनकाल में सत्य बनी रहनी चाहिए।
औद्योगिक प्रणालियों में आमतौर पर 10–15 वर्ष के सेवा जीवन की मांग होती है, जो उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में सामान्य 3–5 वर्ष के चक्रों से काफी अधिक है। हालाँकि, 2022 में 40% औद्योगिक फर्मों को निर्माताओं द्वारा पुराने सेमीकंडक्टर नोड्स को चरणबद्ध तरीके से हटाने के कारण अप्रत्याशित घटक अस्तित्व समाप्ति का सामना करना पड़ा (IHS Markit)। अप्रचलन जोखिमों को कम करने के लिए, इंजीनियरों को चाहिए:
एक प्रमुख औद्योगिक स्वचालन आपूर्तिकर्ता ने ड्यूल-सोर्स निर्माण के माध्यम से उत्पादित 40nm एमसीयू का उपयोग करके 12 वर्षों में 98.7% क्षेत्र विश्वसनीयता प्राप्त की। प्रमुख रणनीतियों में शामिल थे:
| रणनीति | आउटपुट |
|---|---|
| MIL-STD-883 के अनुरूप योग्यता | तापमान से संबंधित विफलताओं में 62% की कमी |
| बहु-स्तरीय अतिरिक्तता | वोल्टेज सैग के दौरान 12 मिनट का फ़ैलओवर |
| डाइ-स्तर बर्न-इन परीक्षण | आरंभिक दोष का पता लगाना (<50ppm) |
इस दृष्टिकोण से प्रत्येक उत्पादन लाइन के लिए वार्षिक अनियोजित डाउनटाइम में 210 घंटे की कमी आई।
आईसी अस्तित्व समाप्ति के कारण महंगे पुनः डिज़ाइन से बचने के लिए, टियर-1 आपूर्तिकर्ता निम्नलिखित की सिफारिश करते हैं:
भार में उतार-चढ़ाव का सामना करते समय औद्योगिक अर्धचालक आईसी चिप्स को अपने वोल्टेज स्तर लगभग प्लस या माइनस 5% के भीतर बनाए रखने की आवश्यकता होती है जो उनकी रेटेड क्षमता के 150% तक पहुंच सकते हैं। उदाहरण के लिए स्वचालित निर्माण संयंत्रों में उपयोग किए जाने वाले मोटर नियंत्रण आईसी। इन घटकों को भार की मांग में अचानक परिवर्तन होने पर भी स्थिर धारा प्रदान करनी होती है। अन्यथा, सिग्नल विकृति 3% टीएचडी (कुल हार्मोनिक विकृति) से अधिक हो सकती है। और इस तरह की विकृति उद्योग की कई मशीनों के सही संचालन के लिए आवश्यक संचार प्रणालियों जैसे कैन बस प्रोटोकॉल को वास्तव में बाधित कर सकती है।
औद्योगिक स्थापनाओं में तापमान अक्सर 125 डिग्री सेल्सियस से अधिक हो जाता है, इसलिए एकीकृत परिपथों को 150°C से अधिक के संधि तापमान को सहन करने में सक्षम होना चाहिए ताकि वे उचित ढंग से कार्य कर सकें। पिछले वर्ष के हालिया शोध में दिखाया गया कि लगभग 0.3 मिलीमीटर व्यास और 8 से 1 के पहलू अनुपात वाले थर्मल वाइया का उपयोग करने वाले मुद्रित परिपथ बोर्ड्स ने सामान्य बोर्ड लेआउट की तुलना में ताप प्रतिरोध को लगभग एक तिहाई तक कम कर दिया। इस तरह के डिज़ाइन सुधार स्टील निर्माण संयंत्रों जैसी अत्यधिक गर्म परिस्थितियों में काम करने वाले प्रोग्राम्मेबल लॉजिक कंट्रोलर्स के लिए बढ़ती ताप प्रबंधन की चुनौतियों के मद्देनजर अत्यंत महत्वपूर्ण होते जा रहे हैं, जहाँ ताप प्रबंधन विश्वसनीय संचालन और उपकरण विफलता के बीच का अंतर हो सकता है।
औद्योगिक आईओटी उपकरणों में, गतिशील बिजली अनुकूलन महत्वपूर्ण है। घड़ी गेटिंग तकनीकों का उपयोग करके 1.2V पर चलने वाला 40nm MCU सक्रिय लीकेज धाराओं को 58% तक कम कर सकता है। इस बीच, 28nm नोड्स में 85°C से ऊपर स्थैतिक बिजली खपत चढ़ती है, जो हमेशा चालू सेंसर हब में कुल ऊर्जा उपयोग का 23% है।
डिजाइनर नाममात्र 0.95V तक कम वोल्टेज और अनुकूली आवृत्ति स्केलिंग को जोड़कर दक्षता को अनुकूलित करते हैं। यह दृष्टिकोण 200MHz आधार आवृत्तियों पर संचालित स्वचालित परीक्षण उपकरणों में सत्यापित होकर शिखर प्रदर्शन का 92% बनाए रखता है, जबकि बिजली विघटन में 41% की कमी आती है।
औद्योगिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, कंपनियाँ नवीनतम तकनीक (7nm से कम कुछ भी) के बजाय 40nm और 65nm जैसी पुरानी सेमीकंडक्टर निर्माण प्रक्रियाओं के साथ चिपके रहने की प्रवृत्ति रखती हैं। क्यों? क्योंकि अपने जीवनकाल में लंबे समय तक विश्वसनीयता बनाए रखने और उचित समर्थन प्राप्त करने के मामले में इन पुरानी तकनीकों ने समय के साथ अपनी प्रतिष्ठा साबित की है। 2025 के आँकड़ों को देखने से यह प्रवृत्ति स्पष्ट रूप से झलकती है - लगभग दस में से सात औद्योगिक एप्लिकेशन विशिष्ट एकीकृत सर्किट (ASICs) 28nm या उससे बड़े नोड्स पर बनाए जाते हैं। मुख्य कारण? इन प्रक्रियाओं से आमतौर पर 0.1% से कम दोष दर वाले चिप्स बनते हैं। बेशक, नए नोड्स कम बिजली की खपत करते हैं, जो कागज पर बहुत अच्छा लगता है। लेकिन एक समस्या है। गर्मी को संभालने में ये बिल्कुल भी अच्छे नहीं होते। ऐसे कारखानों में जहाँ तापमान काफी अधिक हो सकता है, इन उन्नत चिप्स में तापीय रिसाव की समस्याएँ बढ़ जाती हैं और ये अपने पुराने समकक्षों की तुलना में बहुत तेजी से बूढ़े हो जाते हैं।
परिपक्व सेमीकंडक्टर नोड्स के लिए वेफर उपज अक्सर 98% से अधिक होती है, जो उन उन्नत उत्पादन प्रक्रियाओं में देखी जाने वाली सामान्य सीमा 75 से 85% की तुलना में काफी बेहतर है। यह अंतर वास्तव में उत्पादन लागत में बचत के रूप में सामने आता है और आपूर्ति श्रृंखला को काफी स्थिर बनाता है। वास्तविक संचालन में विफलता दरों को देखें, तो 40nm एकीकृत सर्किट आमतौर पर प्रति अरब घंटे संचालन में लगभग 15 विफलताएँ दर्ज कराते हैं। यह उन्नत नोड्स की तुलना में काफी बेहतर है जो मूल रूप से समान संचालन स्थितियों में लगभग 120 FIT पर आते हैं। इस विश्वसनीयता अंतर का कारण क्या है? परिपक्व नोड्स में आमतौर पर ट्रांजिस्टर डिज़ाइन सरल होती है और उत्पादन प्रक्रिया के दौरान कम भिन्नता होती है, जिससे व्यवहार में उनकी विश्वसनीयता स्वाभाविक रूप से अधिक होती है।
| पैकेज प्रकार | तापीय प्रतिरोध (°C/वाट) | अधिकतम संचालन तापमान | औद्योगिक उपयोग का मामला |
|---|---|---|---|
| QFN | 35 | 125°C | मोटर नियंत्रण आईसी |
| BGA | 15 | 150°C | रोबोटिक्स के लिए FPGA |
| TO-220 | 4 | 175°C | पावर प्रबंधन |
BGA जैसे सिरेमिक पैकेज प्लास्टिक QFN की तुलना में पाँच गुना बेहतर ऊष्मा अपव्यय प्रदान करते हैं, जिससे उन्हें तेल और गैस सेंसर जैसे कंपन-प्रवण अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाता है।
एक प्रमुख औद्योगिक उपकरण निर्माता ने 28nm चिप्स के स्थान पर थर्मल-उन्नत BGA के साथ 40nm MCU का उपयोग करके क्षेत्र में विफलताओं को 40% तक कम कर दिया। इस समाधान ने 12 वर्ष के संचालन जीवनकाल की गारंटी दी और 10,000 थर्मल चक्रों से अधिक तक टिका रहा, जो यह दर्शाता है कि मांग वाले औद्योगिक वातावरण में विश्वसनीयता बढ़ाने के लिए रणनीतिक नोड-पैकेज एकीकरण कैसे कारगर है।
औद्योगिक सेटिंग्स में, कंपनियों को अक्सर ऐसे कस्टम-मेड आईसी (ICs) की आवश्यकता होती है जो विशेष चुनौतियों जैसे -40 डिग्री सेल्सियस से लेकर 150 डिग्री तक के चरम तापमान में काम करने, झटकों का सामना करने और विभिन्न संचार प्रोटोकॉल के साथ काम करने की क्षमता रखते हों। उदाहरण के लिए, पावर ग्रिड कंट्रोलर्स को आमतौर पर त्रुटि सुधारण क्षमता वाली मेमोरी युक्त मजबूत आईसी की आवश्यकता होती है। इसके विपरीत, रोबोट आमतौर पर ऐसे प्रोसेसर पर निर्भर रहते हैं जो वास्तविक समय में प्रसंस्करण कर सकें और प्रतिक्रिया का समय 50 माइक्रोसेकंड से कम रहे। घटकों और उनके निर्धारित कार्यों के बीच इस सही मिलान को सुनिश्चित करने से औद्योगिक IoT कार्यान्वयन के दौरान महंगी पुनः डिजाइन प्रक्रियाओं को कम किया जा सकता है। 2023 की नवीनतम एम्बेडेड सिस्टम रिपोर्ट में वास्तव में यह दर्शाया गया है कि इस उचित संरेखण से पुनः कार्य पर होने वाले खर्च का लगभग एक तिहाई भाग बचाया जा सकता है।
SoC समाधान सभी कुछ एक साथ पैक करते हैं - प्रोसेसर, एनालॉग फ्रंट एंड्स, बिजली प्रबंधन, सभी एक ही चिप में। इससे बोर्ड की जगह 40 से 60 प्रतिशत तक कम हो जाती है, जो काफी प्रभावशाली है। लेकिन एक समस्या है: इन्हें विकसित करने में लगभग 18 से 24 महीने तक का समय लगता है। दूसरी ओर, अलग-अलग IC इंजीनियरों को घटकों को अलग से अपग्रेड करने की सुविधा देते हैं, जो पुराने उपकरणों के साथ काम करते समय बहुत महत्वपूर्ण होता है। बेशक, वे BOM खर्च में लगभग 25% अधिक खर्च करते हैं, लेकिन निर्माता अपने उत्पादों को लगभग 50% तेज़ी से बाजार में ला पाते हैं। पिछले साल के उद्योग आंकड़ों को देखें तो, CNC मशीनों के रीट्रोफिट में से आधे से अधिक (वास्तव में 63%) ने अलग-अलग भागों का चयन किया। यह तर्कसंगत भी है, क्योंकि कई दुकानों को अभी भी मौजूदा मशीनरी और सॉफ्टवेयर सेटअप के साथ काम करने की आवश्यकता होती है।
हालांकि औद्योगिक-ग्रेड आईसी की इकाई कीमत 8.50 डॉलर (28nm एमसीयू) से 220 डॉलर (विकिरण-कठोर एफपीजीए) तक होती है, कुल स्वामित्व लागत में योग्यता परीक्षण (पोनेमन 2023 के अनुसार औसतन 740,000 डॉलर) और दीर्घकालिक जीवन चक्र समर्थन शामिल है। एक उद्योग विश्लेषण दिखाता है कि आईसी के अनुकूलित चयन से जीवन चक्र लागत में 22% की कमी आती है, जो निम्नलिखित के माध्यम से होती है: