EN
Liên kết nhanh
Các chip IC bán dẫn cần hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp nơi chúng phải đối mặt với nhiều điều kiện khắc nghiệt như biến động nhiệt độ mạnh, rung động liên tục và nhiễu điện từ có thể làm gián đoạn tín hiệu. Khi những chip này bị lỗi, toàn bộ dây chuyền sản xuất có thể phải ngừng hoạt động hoặc các hệ thống an toàn bị ảnh hưởng. Theo nghiên cứu của Viện Ponemon năm ngoái, mỗi sự cố như vậy khiến các công ty thiệt hại trung bình khoảng 740 nghìn USD. Để đảm bảo các linh kiện hoạt động được suốt vòng đời dự kiến, các nhà sản xuất tiến hành kiểm tra nghiêm ngặt như thử nghiệm Tuổi thọ vận hành ở Nhiệt độ Cao và các quy trình Thay đổi Nhiệt độ. Những quy trình này giúp xác nhận rằng các linh kiện có thể hoạt động trên 100 nghìn giờ ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt. Lấy ví dụ như loại dùng cho ô tô các mạch tích hợp chẳng hạn. Chúng phải đạt tiêu chuẩn AEC-Q100, nghĩa là cơ bản chúng cần có ít hơn một thiết bị lỗi trên mỗi một triệu sản phẩm được sản xuất, và điều này phải duy trì đúng trong ít nhất 15 năm sử dụng trên xe.
Các hệ thống công nghiệp thường yêu cầu thời gian phục vụ từ 10–15 năm, vượt xa chu kỳ 3–5 năm phổ biến trong thiết bị điện tử tiêu dùng. Tuy nhiên, 40% các doanh nghiệp công nghiệp đã phải đối mặt với việc ngừng cung cấp linh kiện bất ngờ vào năm 2022 do các nhà sản xuất loại bỏ các node bán dẫn cũ (IHS Markit). Để giảm thiểu rủi ro lỗi thời, kỹ sư nên:
Một nhà cung cấp hàng đầu về tự động hóa công nghiệp đã đạt độ tin cậy tại thực địa lên tới 98,7% trong suốt 12 năm sử dụng các vi điều khiển 40nm được sản xuất theo phương pháp sản xuất kép. Các chiến lược chính bao gồm:
| Chiến lược | Cuối cùng |
|---|---|
| Đạt tiêu chuẩn MIL-STD-883 | giảm 62% sự cố liên quan đến nhiệt độ |
| Dự phòng nhiều lớp | chuyển đổi trong 12 phút khi xảy ra sụt áp |
| Kiểm tra cháy ở cấp độ die | Phát hiện lỗi sớm (<50 phần triệu) |
Giải pháp này đã giảm thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch 210 giờ mỗi năm cho mỗi dây chuyền sản xuất.
Để tránh phải thiết kế lại tốn kém do vi mạch ngừng sản xuất, các nhà cung cấp bậc 1 đề xuất:
Các chip bán dẫn công nghiệp cần duy trì mức điện áp trong khoảng ±5% khi đối mặt với sự dao động tải có thể lên tới 150% so với định mức. Lấy ví dụ các IC điều khiển động cơ được sử dụng trong các nhà máy sản xuất tự động. Những linh kiện này phải cung cấp dòng điện ổn định ngay cả khi có những thay đổi đột ngột về nhu cầu tải. Nếu không, độ méo tín hiệu có thể vượt quá 3% THD (Độ méo hài tổng). Và loại méo tín hiệu này thực tế có thể làm ảnh hưởng đến các hệ thống truyền thông quan trọng như giao thức CAN bus mà nhiều thiết bị công nghiệp phụ thuộc để vận hành đúng cách.
Nhiệt độ trong các môi trường công nghiệp thường vượt quá 125 độ C, do đó các mạch tích hợp cần phải chịu được nhiệt độ tiếp giáp trên 150°C để hoạt động đúng cách. Nghiên cứu gần đây từ năm ngoái cho thấy các bảng mạch in sử dụng thông mạch nhiệt có đường kính khoảng 0,3 milimét với tỷ lệ khía cạnh 8:1 đã giảm điện trở nhiệt khoảng một phần ba so với bố trí bảng thông thường. Những cải tiến thiết kế như vậy đang ngày càng quan trọng đối với các bộ điều khiển logic khả trình hoạt động trong điều kiện cực nóng, chẳng hạn như trong các nhà máy sản xuất thép, nơi việc quản lý nhiệt có thể quyết định giữa vận hành ổn định và sự cố thiết bị.
Trong các thiết bị IoT công nghiệp, việc tối ưu hóa năng lượng động là yếu tố then chốt. Một vi điều khiển 40nm hoạt động ở mức 1,2V có thể giảm dòng rò rỉ hoạt động tới 58% bằng cách sử dụng kỹ thuật tắt xung nhịp. Trong khi đó, mức tiêu thụ năng lượng tĩnh trong các mạch 28nm tăng theo cấp số mũ ở nhiệt độ trên 85°C, chiếm tới 23% tổng năng lượng tiêu thụ trong các trung tâm cảm biến luôn bật.
Các nhà thiết kế tối ưu hóa hiệu suất bằng cách kết hợp giảm điện áp (xuống mức danh định 0,95V) với điều chỉnh tần số thích ứng. Phương pháp này duy trì 92% hiệu năng cực đại trong khi giảm 41% mức tiêu tán năng lượng, một sự cân bằng đã được kiểm chứng trên các thiết bị kiểm tra tự động hoạt động ở tần số cơ bản 200MHz.
Trong lĩnh vực điện tử công nghiệp, các công ty có xu hướng sử dụng các quy trình sản xuất bán dẫn cũ hơn như 40nm và 65nm thay vì chuyển sang những công nghệ tiên tiến nhất (bất cứ thứ gì dưới 7nm). Tại sao? Bởi vì những công nghệ cũ này đã chứng minh được độ tin cậy lâu dài và nhận được sự hỗ trợ đầy đủ trong suốt vòng đời của chúng. Dữ liệu từ năm 2025 cho thấy rõ xu hướng này – khoảng bảy trong số mười vi mạch tích hợp chuyên dụng cho ứng dụng công nghiệp (ASIC) được xây dựng trên các nút 28nm hoặc lớn hơn. Lý do chính là gì? Những quy trình này thường tạo ra các chip có tỷ lệ lỗi dưới mức 0,1%. Chắc chắn rằng các nút mới hơn tiêu thụ ít năng lượng hơn, điều này nghe rất tốt trên lý thuyết. Nhưng có một vấn đề. Chúng xử lý nhiệt rất kém. Trong các nhà máy nơi nhiệt độ có thể khá cao, những chip tiên tiến này gặp phải các vấn đề rò rỉ nhiệt gia tăng và lão hóa nhanh hơn nhiều so với các phiên bản cũ hơn.
Hiệu suất đĩa wafer ở các nút bán dẫn trưởng thành thường vượt quá 98%, cao hơn nhiều so với mức phổ biến từ 75 đến 85% ở các quy trình sản xuất dưới 10nm. Sự khác biệt này thực tế chuyển thành tiết kiệm chi phí sản xuất và làm cho chuỗi cung ứng ổn định hơn đáng kể. Khi xem xét tỷ lệ lỗi trong hoạt động thực tế, các mạch tích hợp 40nm thường cho thấy khoảng 15 lỗi trên một tỷ giờ vận hành. Điều này khá ấn tượng khi so sánh với các nút tiên tiến có mức khoảng 120 FIT trong điều kiện vận hành cơ bản tương tự. Lý do đằng sau khoảng cách về độ tin cậy này? Các nút trưởng thành thường có thiết kế transistor đơn giản hơn và sự biến thiên trong quá trình sản xuất ít hơn, khiến chúng về bản chất đáng tin cậy hơn trong thực tế.
| Loại gói | Điện trở nhiệt (°C/W) | Nhiệt độ vận hành tối đa | Trường hợp sử dụng công nghiệp |
|---|---|---|---|
| QFN | 35 | 125°C | IC điều khiển động cơ |
| Bga | 15 | 150°C | FPGA cho robot |
| TO-220 | 4 | 175°C | Quản lý năng lượng |
Các gói gốm như BGA có khả năng tản nhiệt tốt hơn gấp năm lần so với QFN bằng nhựa, làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng dễ bị rung động như cảm biến dầu khí.
Một nhà sản xuất thiết bị công nghiệp hàng đầu đã giảm thất bại tại thực địa xuống 40% bằng cách kết hợp MCU 40nm với BGA tăng cường về mặt nhiệt thay vì sử dụng chip 28nm trong các gói QFN. Giải pháp này mang lại tuổi thọ hoạt động lên đến 12 năm và chịu được hơn 10.000 chu kỳ nhiệt, minh chứng rằng việc tích hợp chiến lược giữa node và gói giúp nâng cao độ tin cậy trong các môi trường công nghiệp khắc nghiệt.
Trong các môi trường công nghiệp, các công ty thường cần các vi mạch (IC) được thiết kế riêng để xử lý những thách thức cụ thể như hoạt động trong dải nhiệt độ khắc nghiệt từ -40 độ C lên đến 150 độ C, đồng thời phải chịu được va đập và làm việc với nhiều giao thức truyền thông khác nhau. Ví dụ, các bộ điều khiển lưới điện thường yêu cầu các vi mạch được tăng cường độ bền, có khả năng sửa lỗi bộ nhớ. Trong khi đó, robot thường phụ thuộc vào các bộ xử lý có khả năng xử lý theo thời gian thực với thời gian phản hồi dưới 50 micro giây. Việc lựa chọn phù hợp giữa linh kiện và chức năng dự định sẽ giúp giảm thiểu các nỗ lực thiết kế lại tốn kém trong quá trình triển khai Internet vạn vật công nghiệp (IIoT). Báo cáo Hệ thống Nhúng mới nhất năm 2023 thực tế cho thấy sự phối hợp đúng đắn này giúp tiết kiệm khoảng một phần ba chi phí phải bỏ ra cho việc sửa đổi.
Các giải pháp SoC tích hợp mọi thứ vào cùng nhau - bộ xử lý, đầu cuối tương tự, quản lý nguồn đều trong một chip. Điều này giúp giảm diện tích bo mạch từ khoảng 40 đến 60 phần trăm, một con số khá ấn tượng. Nhưng có một điểm hạn chế: những sản phẩm này mất khoảng 18 đến thậm chí 24 tháng để phát triển. Ngược lại, các IC rời cho phép kỹ sư nâng cấp từng thành phần riêng lẻ, điều rất quan trọng khi làm việc với thiết bị cũ. Dĩ nhiên, chúng làm chi phí BOM tăng khoảng 25%, nhưng nhà sản xuất có thể đưa sản phẩm ra thị trường nhanh hơn khoảng 50%. Theo số liệu ngành công nghiệp năm ngoái, hơn một nửa (thực tế là 63%) các lần cải tiến máy CNC đã chọn sử dụng các linh kiện rời. Điều này hoàn toàn hợp lý, vì nhiều xưởng máy vẫn cần phải tương thích với máy móc và cấu hình phần mềm hiện có.
Mặc dù giá đơn vị cho các IC công nghiệp dao động từ 8,50 USD (MCU 28nm) đến 220 USD (FPGA chịu được bức xạ), chi phí sở hữu tổng thể bao gồm kiểm tra chứng nhận (trung bình 740.000 USD, theo Ponemon 2023) và hỗ trợ vòng đời dài hạn. Một phân tích ngành cho thấy việc lựa chọn IC tối ưu hóa giúp giảm 22% chi phí vòng đời thông qua: