Chips op een bedje van glas; Philips maakt chips kleiner en energiezuiniger

Onderzoekers van Philips Research hebben magnetische spoelen in een chip weten te integreren. De truc: het hele zaakje ligt op een isolerende laag van glas.

'DIT IS MEER dan een leuk researchresultaat. Onze divisie Halfgeleiders neemt het heel serieus', zegt prof.dr. Pierre Woerlee, senior wetenschappelijk medewerker bij Philips Research in Eindhoven. Woerlee heeft het over een nieuwe techniek, silicon on anything, om elektronica kleiner en energiezuiniger te maken. De techniek is ontwikkeld door Ronald Dekker en zijn medewerkers van Philips Research. Ze hebben het eigenlijke, flinterdunne micro-elektronische circuit van een ronde siliciumplak gehaald en op een glazen schijf gelijmd. Je kijkt dus door de chip heen. Op zichzelf niet zo verwonderlijk, want al die minuscule onderdeeltjes liggen ingebed in een isolerende glazen deken. Maar nu het ook echt zichtbaar is gemaakt, is het resultaat intrigerend.

Specifieke producten waarin de techniek kan worden toegepast kan Woerlee uit concurrentie-overwegingen niet noemen, maar het maakt telefoons en piepers ter grootte van een horloge of zelfs een knoop mogelijk. De meest gelikte buzzers en GSM-zaktelefoons van tegenwoordig zijn nog lang niet klein genoeg. De elektronica-industrie wil haar producten nog meer miniaturiseren. Een van de laatste producten van deze krimpdrift is een polstelefoon van Nippon Telegraph and Telephone. Deze mobiele telefoon ter grootte van een luciferdoosje werkt met PHS, een Japans systeem voor digitale communicatie. Om het ding te testen wil NTT het aan medewerkers van de Olympische winterspelen in Nagano uitlenen.

De drijvende kracht achter de miniaturisatie heet systems on a chip; zoveel mogelijk elektronica op één chip samenvoegen. Het is de mode in de halfgeleiderindustrie. In een digitale zaktelefoon zitten de besturing van het display en het gedeelte dat zorg draagt voor het comprimeren en ontrafelen van het gedigitaliseerde stemgeluid op één chip. Het maakt elektronica zuiniger, betrouwbaarder, beter bestand tegen schokken en het scheelt verpakkingskosten. “En als de mensen het toch groter en zwaarder willen, dan hangen we er gewoon een stuk ijzer aan”, zei een Philips-manager ooit op een congres over microtechnologie.

Ondanks die integratie blijven er een hoop analoge functies over. In een digitale telefoon bijvoorbeeld zitten onderdelen die de ontvangen boodschap moeten versterken, of die een signaal moeten maken dat krachtig genoeg is om via de antenne weg te sturen. Juist deze hoogfrequent-elektronica laat zich moeilijk met de andere chips integreren. Met een weerstandje of een condensator gaat het nog aardig, maar zoiets als een spoeltje is een wispelturig onderdeel.

Zo'n spoel vormt samen met een condensator een zogenoemde LC-kring. Dat is een belangrijk onderdeel in draadloze apparatuur. Een LC-kring is een soort schommel die het hoogfrequente radiosignaal versterkt - in een zaktelefoon bijna 2 miljard trillingen per seconde. Dat gebeurt door de elektrische slingerbeweging op het juiste moment een extra duwtje te geven. In piepers en zaktelefoons valt de minispoel van deze hoogfrequent-schommel groot uit, omdat hij als een platte spiraal is vormgegeven. Daarom zit dat ding meestal op een stukje keramiek.

Deze aanpak brengt wat nadelen met zich mee. Er is relatief veel energie nodig om het HF-signaal van het analoge gedeelte naar de andere chips te brengen. Bovendien verzwakt het signaal door de lange afstand die het moet overbruggen. Tot overmaat van ramp zijn de aansluitpunten op een chip ook nog eens speciaal ontworpen om flinke spanningspulsen tegen te werken. Dat is nodig om de micro-elektronica op de chip te beschermen tegen statische ontlading. De nuttige signalen hebben veel energie nodig om die barrière te overwinnen.

WERVELSTROMEN

Het zou dus handig zijn om ook de spoelen op chips te integreren. Probleem daarbij is dat de platte spoeltjes last hebben van het onderliggende silicium. Doordat de spoel een snel wisselende magneet is, treden er in dat geleidende materiaal wervelstromen op. De spoel functioneert hierdoor minder goed. De spoel en het onderliggende silicium werken bovendien als een condensator. “Alles bij elkaar heb je heel hoge verliezen, waardoor de LC-kring onvoldoende presteert”, zegt Woerlee. Maar als het lukt om het hele zaakje op een isolerende ondergrond over te brengen heeft men van de parasitaire effecten vrijwel geen last. Vandaar dat onderzoekers van het Natlab silicon on anything hebben ontwikkeld.

Ook het bedrijf Peregrine Semiconductor uit San Francisco is het gelukt om op een isolerende ondergrond hoogfrequent-schakelingen voor draadloze telefoons te fabriceren. Bij Peregrine zetten ze de circuits op saffier. Het bedrijf wil dat in de toekomst gaan vervangen door kwarts.

De techniek uit Eindhoven is een kwestie van netjes plakken en kleven. Alsof er niets aan de hand is worden de chips - met geïntegreerde spoelen en al - in een normaal chipproductieproces op een schijf silicium gefabriceerd. Daarna lijmt men de hele wafel op een doodgewone glasplaat en etst het overtollige silicium bulkmateriaal weg. Hierdoor realiseert men de integratie van hoog-frequent elektronica met een hoge kwaliteit.

Men krijgt er bovendien 'gratis' een aantal gunstige eigenschappen bij. Het energieverbruik van de radiofrequente componenten neemt drastisch af, wel tien tot twintig keer. Woerlee: “Het vermogensgebruik van het radiogedeelte in een GSM-telefoon is een substantieel deel van het totale energiegebruik, omdat die circuits continu aan moeten staan. Het loont dus zeer de moeite om het analoge radiostuk energiezuinig te maken.” Ook de verpakkingskosten vallen lager uit omdat alles samen op één circuit zit.

Er is nog meer winst. Veel fabrikanten maken de analoge onderdelen in zaktelefoons van het materiaal galliumarseen. Volgens Dekker is dit materiaal drie tot vijf keer duurder dan silicium. Ook dat zou dus weer winst opleveren in het streven om een hele GSM-telefoon als één systeem op een siliciumchip onder te brengen.