EN
Snelle koppelingen
Semiconductor IC-chips moeten betrouwbaar werken in industriële omgevingen waar ze worden blootgesteld aan uiteenlopende zware omstandigheden, zoals extreme temperatuurschommelingen, constante trillingen en elektromagnetische storingen die signalen kunnen verstoren. Wanneer deze chips uitvallen, komen volledige productielijnen stil te liggen of worden veiligheidssystemen gecompromitteerd. Volgens onderzoek van het Ponemon Institute vorig jaar kost elk incident bedrijven gemiddeld ongeveer 740.000 dollar. Om ervoor te zorgen dat componenten hun verwachte levensduur halen, voeren fabrikanten strenge tests uit, zoals High Temperature Operating Life-testen en Temperature Cycling-procedures. Deze processen helpen bevestigen dat onderdelen meer dan 100.000 uur kunnen functioneren, zelfs onder moeilijke omstandigheden. Neem bijvoorbeeld automotive grade geïntegreerde schakelingen ze moeten voldoen aan de AEC-Q100-normen, wat in feite betekent dat er minder dan één defect apparaat mag zijn per miljoen geproduceerde eenheden, iets wat minstens 15 jaar lang moet blijven gelden gedurende de levensduur in voertuigen.
Industriële systemen vereisen doorgaans een levensduur van 10 tot 15 jaar, wat ver boven de 3 tot 5 jaar durende cycli ligt die gebruikelijk zijn in consumentenelektronica. Toch kampten 40% van de industriële bedrijven in 2022 met onverwachte stopzettingen van componenten door fabrikanten die oudere halfgeleiderknooppunten afschaffen (IHS Markit). Om verouderingsrisico's te beperken, zouden ingenieurs het volgende moeten doen:
Een toonaangevende leverancier van industriële automatisering behaalde gedurende 12 jaar een veldbetrouwbaarheid van 98,7% met 40nm MCUs geproduceerd via tweeledige productie. Belangrijke strategieën waren onder meer:
| Strategie | Uitkomst |
|---|---|
| Gekwalificeerd volgens MIL-STD-883 | 62% minder temperatuurgebonden storingen |
| Meerlagige redundantie | 12-minuten failover tijdens spanningsdips |
| Die-level burn-in testen | Vroegtijdige defectdetectie (<50 ppm) |
Deze aanpak verlaagde ongeplande stilstand met 210 uur per jaar per productielijn.
Om kostbare redesigns door IC-afschaffingen te voorkomen, raden Tier-1-leveranciers het volgende aan:
Industriële halfgeleider-IC's moeten hun voltage niveaus binnen ongeveer plus of min 5% houden wanneer ze worden geconfronteerd met belastingfluctuaties die tot wel 150% van hun nominale waarde kunnen stijgen. Neem bijvoorbeeld motorregelings-IC's die worden gebruikt in geautomatiseerde productiefaciliteiten. Deze componenten moeten een constante stroom leveren, zelfs wanneer er plotselinge veranderingen zijn in de belastingsvraag. Anders kan de signaalvervorming meer dan 3% THD (Total Harmonic Distortion) bedragen. Deze vorm van vervorming kan belangrijke communicatiesystemen, zoals het CAN-busprotocol dat veel industriële machines gebruiken voor correcte werking, daadwerkelijk verstoren.
Temperaturen in industriële omgevingen stijgen vaak boven de 125 graden Celsius, waardoor geïntegreerde schakelingen junctietemperaturen van ruim boven 150 °C moeten aankunnen om goed te kunnen functioneren. Recente onderzoeksresultaten uit vorig jaar toonden aan dat printplaten met thermische via's van ongeveer 0,3 millimeter doorsnede en een aspectverhouding van 8 tot 1 de thermische weerstand met ongeveer een derde konden verlagen in vergelijking met standaard printplaatlayouts. Dit soort ontwerpverbeteringen wordt steeds belangrijker voor programmeerbare logische regelaars die werken in extreem warme omstandigheden, zoals in staalfabrieken, waar warmtebeheersing het verschil kan maken tussen betrouwbare werking en storing van apparatuur.
In industriële IoT-apparaten is dynamische stroomoptimalisatie cruciaal. Een 40nm MCU die op 1,2V draait, kan actieve lekstromen met 58% verminderen door gebruik van klokgating-technieken. Ondertussen neemt het statische stroomverbruik in 28nm nodes boven de 85°C exponentieel toe en vertegenwoordigt 23% van het totale energieverbruik in altijd-actieve sensorhubs.
Ontwerpers optimaliseren efficiëntie door onderklokken (naar 0,95V nominaal) te combineren met adaptieve frequentieschaling. Deze aanpak behoudt 92% van de maximale prestaties terwijl het stroomverbruik met 41% wordt verlaagd, een balans die is bevestigd in geautomatiseerde testapparatuur die werkt op basisfrequenties van 200MHz.
In de wereld van industriële elektronica houden bedrijven meestal vast aan oudere halfgeleiderproductieprocessen, zoals 40nm en 65nm, in plaats van over te stappen op de allerlaatste technologieën (alles onder de 7nm). Waarom? Omdat deze oudere technologieën zich door de jaren heen bewezen hebben wat betreft duurzame betrouwbaarheid en adequaat ondersteuningsniveau gedurende hun levensduur. Gegevens uit 2025 tonen deze trend duidelijk aan – ongeveer zeven op de tien industriële application specific integrated circuits (ASIC's) zijn gebaseerd op nodes van 28nm of groter. De belangrijkste reden? Deze processen produceren doorgaans chips met een defectpercentage ver onder de 0,1%. Het is waar dat nieuwere nodes minder stroom verbruiken, wat op papier goed klinkt. Maar daar zit een addertje onder het gras: ze kunnen warmte bijna niet goed afvoeren. In fabrieken waar temperaturen behoorlijk hoog kunnen oplopen, krijgen deze geavanceerde chips last van verhoogde thermische lekstromen en slijten ze veel sneller dan hun oudere tegenhangers.
De opbrengst van wafers voor volwassen halfgeleidernodes overschrijdt vaak de 98%, wat aanzienlijk beter is dan het gebruikelijke bereik van 75 tot 85% bij sub-10nm productieprocessen. Dit verschil vertaalt zich naar concrete besparingen op productiekosten en zorgt voor een stabieler supply chain. Als we kijken naar foutfrequenties tijdens daadwerkelijk gebruik, vertonen geïntegreerde schakelingen op 40nm doorgaans ongeveer 15 storingen per miljard bedrijfsuren. Dat is indrukwekkend in vergelijking met geavanceerde nodes die onder vrijwel dezelfde bedrijfsomstandigheden zo'n 120 FIT noteren. De oorzaak van dit betrouwbaarheidsverschil? Volwassen nodes hebben meestal eenvoudigere transistorontwerpen en minder variatie tijdens het fabricageproces, waardoor ze in de praktijk inherent betrouwbaarder zijn.
| Pakkettype | Thermische weerstand (°C/W) | Max. bedrijfstemperatuur | Industriële toepassing |
|---|---|---|---|
| QFN | 35 | 125°C | Motorregel IC's |
| BGA | 15 | 150°C | FPGA voor robotica |
| TO-220 | 4 | 175°C | Energiebeheer |
Ceramische pakketten zoals BGA bieden vijf keer betere warmteafvoer dan plastic QFN's, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen met trillingen, zoals sensoren in de olie- en gasindustrie.
Een industriële fabrikant van topklasse verlaagde het aantal veldfouten met 40% door 40nm MCUs te combineren met thermisch verbeterde BGAs in plaats van 28nm-chips in QFN-pakketten. De oplossing bood een operationele levensduur van 12 jaar en overleefde meer dan 10.000 thermische cycli, wat aantoont hoe strategische integratie van node en pakket de betrouwbaarheid in veeleisende industriële omgevingen kan verbeteren.
In industriële omgevingen hebben bedrijven vaak op maat gemaakte IC's nodig die specifieke uitdagingen aankunnen, zoals werken bij extreme temperaturen van -40 graden Celsius tot wel 150 graden, en die bovendien schokken moeten weerstaan en met verschillende communicatieprotocollen moeten kunnen werken. Neem bijvoorbeeld sturingen voor elektriciteitsnetten; deze vereisen doorgaans versterkte IC's met geheugenfoutcorrectie. Robotica is daarentegen meestal afhankelijk van processoren die in staat zijn tot real-time verwerking, waarbij de responstijden onder de 50 microseconden blijven. Het correct koppelen van componenten aan hun beoogde functies vermindert dure herontwerpstappen tijdens implementaties van industriële IoT-oplossingen. Het nieuwste Embedded Systems Report uit 2023 toont aan dat deze juiste afstemming ongeveer een derde bespaart van wat anders aan herwerkingskosten zou worden besteed.
SoC-oplossingen bundelen alles - processoren, analoge front-ends, powermanagement, alles in één chip. Dit bespaart tussen de 40 en 60 procent aan printplaatruimte, wat vrij indrukwekkend is. Maar er zit een addertje onder het gras: deze ontwikkeling duurt ongeveer 18 tot wel 24 maanden. Aan de andere kant stellen discrete IC's engineers in staat om componenten individueel te upgraden, wat vooral belangrijk is bij het werken met oudere apparatuur. Ze zijn wel ongeveer 25% duurder in BOM-kosten, maar producenten kunnen hun producten ongeveer 50% sneller op de markt brengen. Uit gegevens van vorig jaar blijkt dat meer dan de helft (eigenlijk 63%) van de CNC-machine-retrofits koos voor discrete onderdelen. Dat is begrijpelijk, aangezien veel bedrijven nog steeds moeten werken met bestaande machines en softwaresystemen.
Hoewel de prijzen per stuk voor industriële IC's variëren van 8,50 dollar (28nm mcu's) tot 220 dollar (stralingsbestendige fpga's), omvatten de totale eigendomskosten kwalificatietests (gemiddeld 740.000 dollar, volgens Ponemon 2023) en levenslange ondersteuning. Een sectoranalyse toont aan dat geoptimaliseerde ic-selectie de levenscycluskosten met 22% verlaagt via: