Smoltek möjliggör nästa generations kondensatorer

Miniatyriserade förpackningstyper för integrerade kretsar är olika typer av skyddshöljen som isolerar halvledarkomponenter från effekterna av fysisk påverkan och korrosion. Det finns flera typer av integrerade kretspaket, och de blir mer komplexa i arkitekturen ju mindre de blir.

1970 lyckades chiptillverkarna placera 1 000 transistorer per chip. Idag har man klämt dit över 50 miljarder – på ett chip av en tumnagels storlek. Och den här utvecklingen bara fortsätter. Mer data ska processas i samma eller snabbare takt och fler funktioner ska inrymmas i chipen, allt medan utrymmet i dessa miniatyriserade förpackningstyper är detsamma – eller minskar. Denna utveckling kräver även att kondensatorerna tar mindre plats samt att de kan placeras närmare det aktiva chipet – och samtidigt ha lika bra eller bättre prestanda.

Nästa generations halvledare kräver en ny typ av kondensatorer

Nya avancerade chip består av flera system. Dessa chip kräver fler funktioner och bättre prestanda. För att säkra strömförsörjningen i dessa hårt miniatyriserade kretsar samt minska förlusterna i systemen – vilket totalt sett ökar prestandan – måste kondensatorerna vara extremt små och tunna, så att de ska kunna placeras närmare processorn än vad som idag är möjligt.

Det Göteborgsbaserade nanoteknikbolaget Smoltek har utvecklat en kondensatorteknik som svarar upp mot halvledarindustrins krav på nästa generations kondensatorer, eftersom bolagets teknik erbjuder ett antal egenskaper som är avgörande för utvecklingen av den nya kondensatorgenerationen. Bland annat har Smolteks kondensatorteknik extremt hög kapacitans per ytenhet och extremt låga elektriska förluster. Kondensatorerna kan dessutom placeras i direkt anslutning till de system de ska stödja, då det förmodligen är världens tunnaste kondensatorteknik.

CNF-MIM-kolfiberkondensatorer

Koncernbolaget Smoltek Semi, som driver kondensatorutvecklingen, kallar produktlinjen CNF-MIM – Carbon Nano Fiber-Metal Insulator Metal capacitors – och det är en ny typ av kondensatorer som har potential att erbjuda oöverträffade mätvärden, för exempelvis så kallade avkopplingskondensatorer som används för applikationsprocessorer.

– Idag är vi på Smoltek ensamma i världen om att erbjuda en kolnanofiberteknologi som möjliggör kombinationen av extremt hög elektrisk prestanda i en extremt miniatyriserad kondensatorenhet. Det har fördelen att Smolteks kondensatorer är så små att de ryms i de alltmer begränsade utrymmena i nästa generations halvledarchip, säger Håkan Persson, koncern-vd för Smoltek samt vd för Smoltek Semi.

Avkopplingskondensatorn – filtret som minskar störningar

En avkopplingskondensator är en speciell sorts kondensator som används i elektroniska enheter för att minska högfrekvent brus och störningar i strömförsörjningen. Det är en nyckelkomponent i exempelvis applikationsprocessorer, som är huvudprocessorchipet i en mobiltelefon. Men för att avkopplingskondensatorn ska kunna säkra strömförsörjningen och minska förlusterna vid höga frekvenser är det viktigt att man kan placera den så nära det aktiva chippet som möjligt, vilket kräver både extrem tunnhet och hög kapacitansdensitet (som enkelt förklarat kan sägas vara kondensatorns hästkrafter).

– Vår teknik möjliggör en placering av kondensatorn närmare processorn vilket i sin tur minskar förlusterna i systemet och möjliggör bättre prestanda i nästa generations chip, förklarar Håkan Persson.

För chiptillverkarna blir nyttan med Smolteks teknik att de kan placera kondensatorerna närmare chippet och på så sätt minska förlusterna i systemet. CNF-MIM-tekniken möjliggör även flexibilitet för chiptillverkarna, dels när det gäller de prestandarparametrar de vill åt, dels vad gäller på vilket sätt de kan designa in kondensatorkomponenten i deras system då tekniken inte har några begränsningar gällande kompatibla material. För dig och mig blir nyttan att vi får fler och bättre funktioner i mobiltelefonen.

Marknad för CNF-MIM- kondensatorer

Smolteks CNF-MIM-kondensatorer konkurrerar bland annat med kiselbaserade så kallade trench-kondensatorer. Smolteks CNF-CIM kondensatorer har fördelen att ha det aktiva området ovanför substratet (kiselplattan), till skillnad från konkurrenterna som använder substratet för att etsa in det aktiva området. Det vill säga, Smoltek använder bara substratet som en bas för att växa fibrer på medan konkurrerande teknik behöver substratet för att öka sin aktiva yta. Vilket i teorin lämnar konkurrenterna med två alternativ: Antingen måste de öka kondensatorernas tjocklek eller öka ytan (storleken) på kondensatorerna för att uppnå högre kapacitetstäthet – vilket innebär längre processtider och därmed högre kostnad.

– Med de fördelar vår CNF-MIM-teknik möjliggör bedömer vi att vi kan erbjuda en ultratunn kondensator med samma, eller högre, kapacitansdensitet till en lägre kostnad än våra konkurrenter, som exempelvis Murata och TSMC, avslutar Håkan Persson.

Och som Christian Hoffmann, chefsingenjör på Qualcomm sa redan i mars 2020:

– Den enskilt viktigaste frågan för halvledarpaket för mobiltelefoner är: Hur tunt kan vi göra det?” *

Satt i ett sammanhang betyder detta att den fortsatta miniatyriseringen av halvledarpaket behöver tillgång till betydligt tunnare kondensatorer än vad dagens konventionella teknik kan erbjuda. På marknaden finns idag ett fåtal stora kondensatortillverkare där Smoltek Semi har ett samarbete med YAGEO Group, som är en av dessa. Inom samarbetet pågår just nu ett intensivt arbete med att utveckla den första kondensatorprototypen tillsammans och man har som målsättning att kunna starta införsäljningsaktiviteter under 2024.

* Uttalandet gjordes vid IMAPS Device Packaging Conference i Phoenix, Arizona, 3 mars 2020.

Faktaruta:

Smoltek Semi är en del av Smoltek-koncernen – ett svenskt nanoteknikbolag noterat på Spotlight Stockmarket under kortnamn SMOL. Bolaget har utvecklat en unik patentskyddad kolnanofiberteknologi som kan lösa avancerade materialtekniska problem inom flera industrisektorer. Bolaget inriktar sig idag på två affärsområden; halvledare med teknik för kondensatorer samt vätgas med teknik till elektrolysörer.