Met chiptechnologie actief in passieve elektronica

Reading time: 9 minutes

Author:

In 2009 kwam NXP’s fab in het Normandische Caen op eigen benen als spin-off Ipdia. De integrated passive devices-technologie van de afsplitsing is zes jaar later terug te vinden in toepassingen uiteenlopend van pacemakers tot boorkoppen voor de olie-industrie. Bits&Chips ging langs om te kijken wat het bedrijf nu precies doet.

Ipdia heeft de wind in de zeilen. Zes jaar na de afsplitsing van NXP is het personeelsbestand van het bedrijf in het Franse Caen uitgegroeid van zeventig naar ruim honderdtwintig werknemers, en de omzet neemt al geruime tijd met dubbele cijfers toe; waarschijnlijk zal het dit jaar voor het eerst een – bescheiden – winst boeken.

Dat leek zes jaar geleden wel anders. De Normandische site van de chipmaker was met zijn integrated passive devices-technologie bijna volledig gericht op de mobieltjesmarkt, en liftte mee met de omvangrijke business die NXP in zijn beginjaren had met ic’s voor mobieltjes. Maar in 2008 bracht NXP die activiteiten onder in een joint venture met ST, waarmee het werk in Caen op een zijspoor kwam te staan – de Frans-Italiaanse chipmaker had al een alternatieve aanpak. Enkele maanden later werd NXP uit de samenwerking gezet en ingeruild voor Ericsson, maar de mobieltjesmarkt was het kwijt.

In een grote bezuinigingsronde werd de sluiting aangekondigd van de fabriek, samen met productielocaties in Nijmegen, Hamburg en het Amerikaanse Fishkill. Zover kwam het echter niet: het management van de site zag goede mogelijkheden voor een doorstart in andere markten. Het wist investeerders aan boord te krijgen en zette de activiteiten voort als Ipdia.

In 2009 werd de site van NXP in Caen met zijn 6-inch-fab uitgesponnen als Ipdia.

Wat het bedrijf precies doet, vereist wel enige uitleg. ‘Het brein van een elektronisch systeem is de microcontroller. Daaromheen heb je de ondersteunende passieve componenten. Die zijn niet zo spannend, maar wel essentieel voor het functioneren; het kan gebeuren dat je een fantastische microcontroller hebt van honderd dollar die pas werkt als die gekoppeld wordt met een componentje van één cent. Wij bouwen alle passieve componenten in in een enkele chip’, vertelt Laurent Dubos, vicepresident marketing en businessdevelopment.

Om te begrijpen waaróm, moeten we teruggaan tot de eeuwwisseling. ‘Telefoonfabrikanten begonnen zich in die tijd af te vragen wat ze nog meer in een mobieltje konden stoppen. Dat was de start van een miniaturisatieslag in die markt’, aldus Franck Murray, Ipdia’s ceo. ‘Bij Philips werd daar op twee manieren aan gewerkt. Aan de ene kant via de actieve dies, en wij werkten met een team aan manieren om dat te bereiken met de passieve componenten die daar dicht tegenaan zitten. In de initiële projecten ging het om integreren van een deel van de passieve componenten op een stuk silicium, om die te flipchippen op de actieve die.’

Daarbij liep het team echter tegen een probleem aan. Onder passieve componenten worden doorgaans drie onderdelen geschaard: weerstanden, spoelen en condensatoren. De eerste twee zijn bijna triviaal om te maken in een ic-proces. ‘Met een zone van polysilicium of metaal heb je al een weerstand, spoelen maak je eenvoudig van metaallaagjes’, legt Murray uit. Maar condensatoren, de componenten die een lading moeten opslaan, zijn een ander verhaal.

Het ontwerpprincipe van een condensator volgt nog steeds dat van de ‘Leidse fles’, in 1746 gebouwd door natuurkundeprofessor Pieter van Musschenbroeck: twee geleiders gescheiden door een isolator. Dat is op zich niet lastig na te maken op een ic; geleiders en isolatoren zijn immers de essentie van een chip en een simpele sandwich van een diëlektricum en geleider op een silicium wafer werkt al als condensator. Deze structuur houdt echter bedroevend weinig lading vast.

Het team vond de oplossing van het condensatorprobleem in de derde dimensie: door een grote hoeveelheid putjes te maken in de wafer kon de oppervlakte fors worden vergroot. ‘In silicium kun je een of twee, misschien drie nanofarad per vierkante millimeter halen, niet meer. In onze eerste generatie haalden wij vijfentwintig nanofarad. Dat was een doorbraak; daarmee hadden we wat in die tijd nodig was’, zegt Murray.

Murray, destijds sitemanager van de Franse productielocatie, zag er een mooie match in voor de 6-inch-fab. ‘We waren toen op zoek naar een nieuwe toekomst voor onszelf. We wilden echt iets nieuws opbouwen, niet smeken om nieuwe projecten. En de passieve integratie bleek best succesvol: vier jaar later gebruikte Samsung het als eerste in een van zijn telefoons’, kijkt de huidige ceo terug. Daarna volgden anderen, nagenoeg allemaal telefoonmakers.

De silicium-condensatortechnologie had echter ook enkele prestatievoordelen in petto boven de traditionele keramische of tantaal componenten. Zo bleek de siliciumgebaseerde technologie nagenoeg geen last te hebben van veroudering en is de temperatuur nauwelijks van invloed op de werking.

Het hart van de operatie: met een snelle cyclus van plasma-etsen en oxidatie worden diepe gaatjes geboord in de wafer, die het oppervlak dat lading kan vasthouden sterk vergroten.

Draadjes overbodig

In de loop der jaren heeft Ipdia dit steeds verder doorontwikkeld. De capaciteit van de laatste generatie ligt rond de zeshonderd nanofarad per vierkante millimeter; één microfarad staat al op de roadmap. ‘We kunnen steeds diepere gaten maken, en we gebruiken nu driepoten als efficiëntere structuren’, legt Murray uit. ‘We zijn ook bezig met fractal-achtige vormen met een nog groter oppervlak. Daarnaast gebruiken we hogere-k-materialen. Geen extreem hoge k, dan verlies je weer je stabiliteit en betrouwbaarheid.’ Bovendien zijn de silicium condensatoren gecertificeerd tot temperaturen van driehonderd graden, en in de fab kunnen de passieve circuits tot een dikte van tientallen micrometers worden teruggebracht.

Die voordelen zet Ipdia in voor een aantal specialistische markten. ‘We concentreren ons op de markten waarvoor we een goed verhaal hebben. Als je kijkt naar de voordelen van onze technologie, heb je miniaturisatie, prestaties en betrouwbaarheid. Het kostenplaatje moet niet de belangrijkste drijfveer zijn; daarin kunnen we niet opboksen tegen de bestaande spelers’, verklaart Murray de keuze. ‘Niet dat kosten niet belangrijk zijn, maar als je een van die drie factoren echt van belang is, of een combinatie ervan, dan zijn we op kosten meestal ook concurrerend.’

Een goed voorbeeld van een toepassing waar de technologie goed tot haar recht komt, zijn pacemakers. Betrouwbaarheid en prestaties zijn hier letterlijk van levensbelang, maar tegelijkertijd is er een enorme push naar miniaturisatie gaande: de grote pacemakerfabrikanten werken aan devices die klein genoeg zijn om direct in het hart te plaatsen zodat draadjes overbodig worden. Daarvoor zijn radicaal andere manieren nodig om elektronica te ontwerpen, en Ipdia kan daarin voorzien. Of neem de olie- en gasindustrie. ‘Een boorkop is niet groot, en elektronica moet daar vijfduizend uur lang bij een temperatuur van tweehonderd graden blijven werken’, schetst Dubos. ‘Dat zijn typisch de markten waar het om draait.’

Toch dringt de vraag zich op: zou Ipdia zijn technologie ook niet gewoon als discrete componenten kunnen verkopen, als drop-in vervanging voor normale condensatoren met betere specs? ‘Dat doen we ook wel; je kunt discrete componenten van ons bestellen via de bekende distributeurs’, meldt Murray. ‘Maar dat is maar een paar procent van onze sales. Klanten zien vaak al snel dat je het grootste voordeel uit onze technologie haalt met een op maat gemaakte chip. Als ze vier van onze standaard producten op een pcb zetten, wordt het al interessant om dat te combineren in een custom product. Je moet je realiseren dat het ontwerpen van een passive-die veel eenvoudiger is dan een ic. Het kost enkele weken en je gebruikt niet de meest geavanceerde lithografie, dus de maskers zijn vrij goedkoop.’

‘Overigens kan ook een discrete component een maatproduct zijn. Je kunt bijvoorbeeld veel voordeel halen uit een component die je met wire-bonding bevestigt in plaats van soldeert. We hebben nu een klant met een rf-toepassing; die begon met onze standaard componenten maar zag uiteindelijk dat het grootste voordeel te halen viel met een condensator die precies in zijn package past. Die maat vind je niet op de markt, met silicium is die makkelijk te realiseren.’

Door verschillende passieve componenten van het bord te verhuizen naar een enkele geïntegreerde die kunnen forse ruimtebesparingen worden gerealiseerd.

Bijzonder positief

Achteraf is het misschien wrang dat NXP de potentie toen niet zag voor deze sectoren. Vandaag de dag doet de Nederlandse chipmaker hier juist goede zaken in, maar het NXP-management had na het verliezen van zijn telefoonbusiness in ‘rampjaar’ 2008 wel wat anders aan zijn hoofd. ‘Toen keken ze niet zo naar de medische of automotivemarkten. Gek als je dat nu bekijkt, maar soms loopt het zo’, zegt Murray.

Wrok over de keuze van NXP destijds is er niet. Integendeel: Ipdia is trots op zijn achtergrond. Veel van de werknemers hebben de Philips- en NXP-tijd nog meegemaakt en de cultuur binnen het bedrijf is in zekere zin een voortzetting van de Philips-bedrijfscultuur. ‘De reactie van het NXP-management op het businessplan dat het Franse managementteam voorlegde, was bijzonder positief’, weet Murray. ‘NXP zou een minderheidsaandeel krijgen als betaling voor de fab en het ip, maar we probeerden een case op te bouwen waarbij we geen business van NXP nodig hadden. Dat soort deals worden altijd als een last gezien door het moederbedrijf; de activiteiten worden niet voor niets afgestoten. Ons businessplan ging uit van alleen maar nieuwe markten, NXP hoefde er niet betrokken bij te zijn. Ze hadden geen verplichtingen of verantwoordelijkheden en de fab bleef gespaard. Dus we kregen volledige ondersteuning bij het opzetten van een nieuw bedrijf. Een jaar later konden ze hun aandeel zonder veel problemen verkopen aan de andere investeerders.’

Wel nam Ipdia een bestaande klant mee: Lumileds – nog steeds een van de klanten. Daarvoor produceerde de fab beschermingsdiodes, en zodoende kon Ipdia de peperdure faciliteit blijven bekostigen. ‘Destijds vroeg iedereen zich af waarom we geen fabless model zouden volgen. Maar we hadden twee goede redenen. Ten eerste konden we een prima fab overnemen. En ten tweede: een foundry werkt wanneer je generieke technologie gebruikt, maar niet als je je eigen technologie daar moet krijgen. Je moet er engineers stationeren en het kost je als klein bedrijf de grootste moeite om aandacht te krijgen van de foundry. Bovendien vinden bijvoorbeeld makers van medische devices het erg fijn dat wij de productie van dit soort specifieke technologie in eigen hand houden.’

Een beetje geluk

Maar het team moest snel op zoek naar klanten, in totaal nieuwe markten. ‘Het was een bijzondere tijd. We hadden geen salesafdeling. We hadden niet eens een erp-systeem; we deden alles in Excel’, blikt Dubos terug. ‘Voor veel ex-Philips- en ex-NXP-medewerkers was die manier van werken een cultuurshock’, vervolgt Murray. ‘Maar de uitruil voor het beetje extra handmatige werk was een enorme reactiesnelheid. Het hele bedrijf was gevestigd op een enkele locatie en relatief klein, we konden een order binnen anderhalve dag rondkrijgen. In een grote onderneming is zoiets onmogelijk.’

‘Ik denk dat we ook wel een beetje geluk hadden’, zegt Murray. ‘We wisten het toen niet, maar op het moment dat we Ipdia startten, waren makers van pacemakers net begonnen met een zoektocht naar nieuwe aanpakken voor de volgende generaties. Wij kwamen toen in contact met de teams voor geavanceerde technologieontwikkeling van enkele grote medische-elektronicafabrikanten uit de VS. Onze technologie bleek een revolutie voor hen – dat is tenminste wat ze tegen ons zeiden. Ze waren op zoek naar nieuwe ideeën om te verbeteren in betrouwbaarheid, prestaties en afmetingen, en dat kregen ze met ons allemaal in één keer.’

Het hebben van een eigen fab is van strategisch belang voor Ipdia. Door de productie in eigen hand te houden, kan het snel reageren op klantvragen en tegemoetkomen aan de eisen voor gereguleerde markten.

Die bedrijven zijn nu op het punt gekomen dat ze de vruchten van de samenwerkingen beginnen te plukken. De leadless pacemakers, bijvoorbeeld, komen nu langzaam naar de markt. En er is een stabiele financiële basis om uit te breiden naar de andere doelmarkten. ‘De medische markt is bereid om mee te betalen voor prototypes, maar dat is minder het geval in de automotivesector. Daarom stappen we daar nu pas in’, aldus Murray.

Zelfs een terugkeer naar de telefoonmarkt is een optie. ‘Als start-up wilden we daar niet van afhankelijk zijn; daarvoor is die markt te onbetrouwbaar met hoge volumes’, stelt Murray. ‘Maar nu we gevestigd zijn, is er weer hernieuwde interesse. We voeren evaluatieprojecten met de grote spelers. Voor dergelijke volumes zouden we natuurlijk wel naar een foundry moeten. Maar met die volumes zullen ze wel de nodige interesse hebben.’