Geschichten aus der Fertigung#10
Technik im milliardstel Maßstab
Nano-Stromversorgungstechnologie
Entwicklung neuer Kerntechnologien für Leistungs-ICs
Mitte der 2010er Jahre stellte sich ROHM eine entscheidende Frage: Reicht es aus, nur die heutigen Anforderungen zu erfüllen? In einem dynamischen Markt war eine Stromversorgungstechnologie mit Weitblick gefragt. So entstand das Advanced Power Development Project – mit der klaren Mission, die Grenzen von Energieeffizienz und Miniaturisierung neu zu definieren. Statt nur anwendungsbezogene Optimierungen vorzunehmen, konzentrierte sich das Team auf die Innovation der Kerntechnologien von Stromversorgungs-ICs. Dank des vertikal integrierten Produktionssystems von ROHM reichte die Arbeit über Schaltungs- und Layoutdesign hinaus bis zur Prozesstechnologie. Ziel war nicht die nächste Produktgeneration, sondern Power-Technologien, die die Zukunft prägen.
Diese Zeit markierte einen Wendepunkt für Leistungs-ICs. Während der Smartphone- und Tablet-Markt die Sättigung erreichte, wuchs die Nachfrage nach Automobil-Halbleitern durch Hybrid- und Elektrofahrzeuge sowie ADAS rasant – mit Anforderungen an höhere Spannungsfestigkeit, Zuverlässigkeit und Effizienz. Gleichzeitig entstanden Sensoren, Wearables und Smarte Haushaltsgeräte und trieben die Vision einer vernetzten Welt (IoT) voran. Dieses dynamische Umfeld stellte Leistungs-ICs vor eine nie dagewesene Vielfalt an Anforderungen und technischen Herausforderungen und erforderte beschleunigte Entwicklung sowie maximale Designflexibilität.
Um diese Herausforderungen anzugehen, konzentrierte sich das Advanced Power Development Project von ROHM auf drei grundlegende Prioritäten:
● Maximierung der Energieeinsparungen und der Energieeffizienz
● Unterstützung des Hochleistungsbetriebs
● Erzielung einer höheren Integration bei gleichzeitiger Reduzierung der Größe/Anzahl der Peripheriekomponenten.
Das Projekt startete mit einer klaren Vision, aber die ersten Phasen verliefen alles andere als reibungslos. Der Weg nach vorne bestand aus kontinuierlichen Versuchen, Fehlern und Erkundungen – ein unverzichtbarer Prozess auf der Suche nach bahnbrechenden Innovationen.
Dringlichkeit als Startsignal
Yamaguchi, der im Rahmen des Advanced Power Supply Development Project maßgeblich an der Entwicklung von Stromversorgungs-ICs beteiligt war, blickt auf die Situation vor zehn Jahren zurück.
General Manager
Industrial and Consumer Systems Marketing Dept.
Yamaguchi:
„Heute bin ich für diese Worte dankbar, auch wenn sie mich damals frustriert haben. Während Wettbewerber bereits Pulsbreiten von rund 30 ns erreichten, lag ROHM noch bei 120 ns. Wir waren im Rückstand – und der Kunde hatte recht. Der Anspruch, aufzuholen und die Erwartungen zu übertreffen, wurde zum Motor der weiteren Entwicklung.“
Die konventionelle Pulssteuerung, die den IC-Betriebszustand über den Strom erfasste, stieß an zwei Grenzen: Rauschen und Verzögerungen. Nach monatelangen Versuchen eröffnete sich mit der Unterstützung von Tetsuo Tateishi, einem führenden Ingenieur des Advanced Power Development Project, ein neuer Lösungsweg.
Die Entstehung von Nano Pulse Control™
Yamaguchi:
„Eines Tages sprach ich mit Tateishi, einem unserer führenden Ingenieure, offen über die bestehenden Herausforderungen und Möglichkeiten.
In diesem Moment suchten wir beide noch nach dem nächsten Schritt. Doch eines Abends, kurz vor Feierabend, kam mir ein völlig neuer Gedanke – ein Perspektivwechsel, bei dem ich dachte: ‚Das könnte funktionieren.‘ Ich war so begeistert, dass ich sofort zu Tateishi hinüberging. Und dann sagte er: ‚Genau das habe ich auch gerade gedacht.‘“
Eine Aufnahme von Yamaguchi und Tateishi aus der frühen Entwicklungsphase. Was als informeller Austausch vor dem Designteam begann, mündete häufig in hochkonzentrierte technische Diskussionen.
Tateishi brachte jahrzehntelange Erfahrung in der LSI-detwicklung ein, während Yamaguchi mit dem Antrieb und der Entschlossenheit eines Ingenieurs überzeugte. Als sich ihre Vektoren ausrichteten, entstand eine Art spontane Zündung – ein Erkenntnismoment, der sich rasch in greifbare Technologie übersetzte. So entstand im Kern Nano Pulse Control™.
Auch wenn diese Synergie wie ein glücklicher Zufall wirken mag, beruhte sie auf ROHMs besonderer Unternehmenskultur, in der Kolleginnen und Kollegen sich durch offenen Dialog gegenseitig zu neuen Ideen inspirieren.
Tateishi:
„Innovation ist nichts, was selbst ein ‚Superheld‘ allein leisten kann. Sie beginnt mit Menschen, die bereit sind, aus allen Blickwinkeln tief nachzudenken – unterstützt von Kolleginnen und Kollegen mit unterschiedlichen Kompetenzen. Durch den kontinuierlichen Dialog entsteht schließlich ein plötzlicher Funke, manche sprechen von einer chemischen Reaktion. Dass ROHMs analoge Power-Technologien bis heute einen eigenständigen Weg verfolgen, ist dieser Kultur des Denkens und der Zusammenarbeit zu verdanken, in der Ideen wachsen können.“
Director and Senior Executive Officer
Das aus ihren Gesprächen entstandene Konzept entwickelte sich rasch zu einer neuartigen Schaltungsarchitektur, die zentrale Herausforderungen wie Schaltungsverzögerungen, durch parasitäre Induktivitäten verursachtes Rauschen und selbst Ringing-Effekte erfolgreich überwand.
2017 feierte die Technologie ihr Debüt als Serienprodukt mit einer weltweit kleinsten On-Time von nur 9 ns – eine bemerkenswerte Leistung.
Die Innovation, die eine Hochspannungs-Eingangsspannung mit nur einem Chip in eine Niederspannung umwandelt, erzielte sowohl in Japan als auch international große Wirkung.
Eine Schlüsseltechnologie für die Schaltregelung
Im Jahr 2017 brachte ROHM seinen ersten DC/DC-Wandler mit Nano Pulse Control™ auf den Markt und richtete ihn zunächst auf den wachsenden europäischen Markt für 48‑V‑Mildhybridfahrzeuge aus. Da sich dieses Segment jedoch langsamer entwickelte als erwartet, wurde die Strategie angepasst und die Technologie als zentrale Schaltregelungslösung für konventionelle 12‑V‑Systeme positioniert.
Eindrücke von der halbjährlichen „New Technology / New Product Presentation“.
Durch den aktiven Austausch zwischen Entwicklungs‑ und Vertriebsteams entstanden kontinuierlich neue Erkenntnisse, Strategien und Produkte.
Getragen von der Überzeugung, dass „kontinuierliche technische Verfeinerung“ mit einer „breiten horizontalen Anwendung“ einhergehen muss, stellte ROHM die Leistungsfähigkeit und das Potenzial dieser Innovation frühzeitig auf unternehmensweiten internen Veranstaltungen wie den „New Technology / New Product Presentations“ heraus. In der Folge verbreitete sich Nano Pulse Control™ über den Automotive-Bereich hinaus in zahlreiche weitere Märkte. Verbesserungen der Bauelementstrukturen sowie Fortschritte in der Gehäusetechnologie steigerten zusätzlich Schaltfrequenz und Effizienz. Heute bildet die Technologie die Kernlösung für die Schaltregelung und ist in nahezu allen Power-ICs (Schaltreglern) von ROHM integriert.
Darüber hinaus maximiert Nano Pulse Control™ die intrinsische Hochgeschwindigkeits‑Schaltfähigkeit von GaN‑Bauelementen, sodass der Einsatz in Controller‑ICs für GaN‑Anwendungen bereits begonnen hat.
Durch den Einsatz von GaN ist es ROHM gelungen, die Steuer‑Pulsbreite auf bis zu 2 ns zu reduzieren. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Bauelementstrukturen und der Optimierung der Packaging‑Technologien will ROHM dieses Potenzial weiter ausschöpfen und die Kompatibilität mit einer noch breiteren Palette von Leistungsumwandlungs‑Topologien ermöglichen.
Nano Energy™‑Technologie: Neue Maßstäbe für ultraniedrigen Energieverbrauch
Etwa zur selben Zeit, als Nano Pulse Control™ eingeführt wurde, entstand eine weitere bahnbrechende Technologie, die rasch zur Marktreife gelangte. Während Nano Pulse Control™ durch die Steuerung von Pulsbreiten im Nanosekundenbereich (ns) geprägt ist, konzentrierte sich die nächste Innovation auf einen Stromverbrauch im Nanoampere‑Bereich (nA). Diese Technologie wurde unter dem Namen Nano Energy™ bekannt.
Mitte der 2010er‑Jahre, als sich Sensornetzwerke und das IoT rasant ausbreiteten, stellte sich eine zentrale Frage: Wie lässt sich begrenzte Energie effizient und exakt bedarfsgerecht bereitstellen? Mit dem Übergang der Branche in eine neue Ära, die einen grundlegend anderen Ansatz der Energieversorgung erforderte, entstand Nano Energy™ als ROHMs direkte Antwort auf diese Herausforderung.
Chief Engineer
Industrial and Consumer Systems Marketing Dept.
Tsuruyama:
„Die Reduzierung des Stromverbrauchs von DC/DC‑Wandlern war ein zentrales Thema. Das ist eine grundlegende Herausforderung bei jedem IC, doch je weiter der Energieverbrauch sinkt, desto stärker verlangsamt sich zwangsläufig die Reaktionsgeschwindigkeit der Schaltungen – einschließlich der Komparatoren. Dieser Zielkonflikt stellte die größte technische Hürde dar.
Die entscheidende Frage war, wie sich ein extrem niedriger Energieverbrauch realisieren lässt, ohne Abstriche bei der Performance zu machen.“
Eines der klar definierten Entwicklungsziele war es, eine durchgehende Betriebsdauer von zehn Jahren mit nur einer Knopfzelle zu erreichen. Bei einer angenommenen Batteriekapazität von 100 mAh erfordert eine Laufzeit von 87.658 Stunden einen effektiven Stromverbrauch von höchstens 970 nA – ein Leistungsniveau im echten Nanoampere‑Bereich.
Zu diesem Zeitpunkt hatte bereits ein Wettbewerber einen DC/DC‑Wandler mit Stromaufnahme im Nanoampere‑Bereich auf den Markt gebracht, während ROHMs niedrigster Verbrauch noch bei rund 30 µA lag. Um das Ziel von 970 nA zu erreichen, musste der Strom auf ein Dreißigstel reduziert werden; um die Konkurrenz zu übertreffen, war sogar eine Reduzierung auf ein bisher unerreichtes Achtzigstel erforderlich.
Trotz der enormen Herausforderung trieben Tsuruyama und das Entwicklungsteam das Projekt entschlossen voran und überwanden Hindernisse mit Beharrlichkeit und Innovationskraft.
Von der Idee zur Technologie – bis zum Durchbruch
Tsuruyama:
„Traditionell versuchen Entwickler, innerhalb eines einzelnen Komparators ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Energieverbrauch zu finden.“
„Wir wählten jedoch einen völlig anderen Ansatz: Statt eines einzelnen Komparators setzten wir zwei ein – einen für schnelle Reaktionszeiten und einen für extrem niedrigen Energieverbrauch – und schalteten je nach Bedarf zwischen beiden um. Darüber hinaus entwickelten wir eine proprietäre Technologie, die Abweichungen zwischen den beiden automatisch kompensiert.“
Die Überführung dieses unkonventionellen Konzepts in eine robuste Technologie erforderte mehrere Strategien. Dazu zählten gemeinsame Initiativen mit der Fertigungsabteilung, etwa die Entwicklung biegeunempfindlicher Strukturen sowie die Einführung eines differenziellen Referenzspannungskonzepts (damals als Enh‑Dep bekannt). Diese Maßnahmen verdeutlichen die Vorteile von ROHMs vertikal integrierter Produktionsstruktur.
Mit anderen Worten: Wir gingen über das reine Schaltungsdesign hinaus und erschlossen Innovationen auf Bauelementebene – und erzielten damit letztlich einen entscheidenden Durchbruch.
Das Resultat dieser grundlegenden Neubewertung der Energieeinsparpotenziale von DC/DC‑Wandlern war die Entwicklung der Nano Energy™‑Technologie, die sich in kurzer Zeit zu einem Schaltregler mit dem weltweit geringsten Ruhestromverbrauch weiterentwickelte. Durch die gezielte Lösung einer der seit Langem bestehenden Kernherausforderungen im Design von Leistungs‑ICs stellte diese Innovation nicht nur einen bedeutenden technologischen Meilenstein für ROHM dar, sondern fand auch breite Anerkennung in der Ingenieursgemeinschaft innerhalb und außerhalb des Unternehmens.
Technologien, die vernetzen und Innovation vorantreiben
Die im Rahmen dieser Entwicklung etablierten grundlegenden Technologien wurden in den darauffolgenden Jahren kontinuierlich weiter ausgebaut und verfeinert.
Im Jahr 2022 wurden die Ultra‑Low‑Power‑Designprinzipien von Nano Energy™ erstmals auf Reset‑ICs angewendet. Damit wurde der hohen Nachfrage nach zuverlässigen und energieeffizienten Spannungsüberwachungsfunktionen in Automobil‑ und Industrieanwendungen mit funktionaler Sicherheit Rechnung getragen.
Neben Anforderungen wie ① einem weiten Betriebsspannungsbereich und ② hoher Detektionsgenauigkeit war insbesondere auch die Realisierung von ③ extrem niedrigem Stromverbrauch entscheidend, um die Batterielebensdauer tragbarer Geräte zu verlängern und den Ruhestrom in automobilen Systemen zu reduzieren.
ROHM nutzte seine Stärken im analogen Schaltungsdesign, um sowohl einen Stromverbrauch im Nanoampere‑Bereich als auch eine branchenführende Genauigkeit zu erreichen, was zu einer hohen Anerkennung seitens der Kunden führte.
Im Jahr 2024 wurde die weiterentwickelte Nano Energy™‑Technologie in lineare Operationsverstärker mit dem branchenweit niedrigsten Stromverbrauch integriert.
Diese Operationsverstärker, die für hochpräzise Signalverarbeitung in verschiedensten Sensoranwendungen unverzichtbar sind, vereinen nun eine außergewöhnlich hohe Genauigkeit mit extrem niedriger Stromaufnahme und tragen so zu Energieeinsparungen auf Systemebene bei.
Nano Energy™ wird künftig voraussichtlich in einem noch breiteren Anwendungsspektrum zum Einsatz kommen – von der Verlängerung der Batterielebensdauer elektronischer Regaletiketten bis hin zur Ermöglichung längerer Betriebszeiten von Smartphones und anderen wiederaufladbaren Geräten.
Darüber hinaus führte der Weg, der mit der Anwendung von Nano Energy™ auf LDOs begann und an dem zahlreiche Ingenieure beteiligt waren, zur Entwicklung von Nano Cap™, das häufig als dritte Nano‑Technologie bezeichnet wird.
Stabile Regelung mit ultrakleinen Kondensatoren – Nano Cap™
Auf frühere Innovationen, die sich auf Nanosekunden (ns) zur Reduzierung der Pulsbreite sowie auf Nanoampere (nA) zur Minimierung des Stromverbrauchs konzentrierten, folgte bei ROHM die nächste Entwicklungsstufe im Power‑Management auf der Skala des Milliardstelbereichs. Der Fokus verlagerte sich dabei auf die Kapazität, gemessen in Nanofarad (nF).
Die Kapazität – definiert als die Fähigkeit, elektrische Ladung temporär zu speichern und kontrolliert wieder abzugeben – stellt eine zentrale physikalische Größe für den stabilen und zuverlässigen Betrieb elektronischer Systeme dar.
Vor dem Hintergrund dieses extrem kleinen nF‑Bereichs nahmen die ROHM‑Ingenieure eine neue technologische Herausforderung in Angriff.
Takobe:
„Zu dieser Zeit sah sich die Welt infolge der Pandemie mit einem globalen Engpass bei Kondensatoren konfrontiert.
Ich arbeitete im Rahmen des Advanced Power Supply Development Project an Nano Energy™ sowie an weiteren Initiativen, als mich Herr Nagata aus der Produktentwicklung kontaktierte.
Seine Kernaussage lautete sinngemäß: Wenn es gelingt, die Anzahl der benötigten Kondensatoren zu reduzieren, steigt der Produktwert erheblich. Diese Bemerkung erinnerte mich an eine frühere Diskussion mit Herrn Watanabe, der an Schaltnetzteilen arbeitete. Er hatte damals die Frage aufgeworfen: Lässt sich die Technologie von Schaltnetzteilen auch auf LDOs übertragen?
Als diese beiden Gedankenstränge zusammenkamen, begann sich der Weg zu dem zu formen, was später als Nano Cap™ bekannt werden sollte. Rückblickend war dies der eigentliche Ausgangspunkt.”
Chief Engineer
Power GaN Solutions Development Dept.
Takobe, der seit seinem Eintritt in das Unternehmen mit der Entwicklung von Power‑ICs befasst ist, schilderte die Anfänge der Nano Cap™‑Entwicklung. Zwar fungierte die durch die Pandemie verursachte Unsicherheit in der Versorgungslage als unmittelbarer Auslöser, doch der Bedarf an einer Reduzierung externer Kondensatoren bestand bereits seit Jahren.
Die Minimierung der Bauteilanzahl, die Verringerung der Leiterplattenfläche sowie die Reduktion der Designkomplexität zählen zu den universellen Anforderungen, die eine stärkere Miniaturisierung von Systemen, niedrigere Kosten und eine verbesserte Zuverlässigkeit elektronischer Systeme unterstützen.
Die Reduzierung von Kondensatoren birgt jedoch das Risiko, die Stabilität der Schaltung zu beeinträchtigen. Die zentrale Innovation hinter Nano Cap™ setzt genau an diesem Zielkonflikt an.
Durch die Integration einer hochdynamischen Rückkopplung über den Strompfad zusätzlich zur klassischen spannungsbasierten Regelung gelang es ROHM, hochfrequente Spannungsschwankungen selbst bei extrem geringer Kapazität wirksam zu unterdrücken.
Diese Entwicklung widerlegte die langjährige Annahme, dass „große Kondensatoren für einen stabilen Betrieb unverzichtbar sind“, und eröffnete neue Möglichkeiten in der Regelung von Stromversorgungssystemen.
Nano Cap™ führt Änderungen des Stroms – das heißt die momentane Lastantwort – direkt zurück und ermöglicht dadurch einen stabilen Hochgeschwindigkeitsbetrieb, ohne auf Kondensatoren angewiesen zu sein.
Optimierung der Nano‑Cap™‑Technologie
Nano Cap™ erwies sich als eine Schlüsseltechnologie mit dem Potenzial, das Design von Stromversorgungen grundlegend zu verändern. Die Überführung dieses technologischen Durchbruchs in ein marktfähiges Produkt erforderte jedoch einen erheblichen Zeit‑ und Entwicklungsaufwand.
Iwata:
„Unter der Leitung von Herrn Takobe arbeiteten wir an der Kommerzialisierung und deckten dabei das gesamte Spektrum von technischen Details bis hin zur praktischen Umsetzung ab.
Es handelte sich um eine außergewöhnliche Technologie, und ich war fest entschlossen, sie zur Marktreife zu bringen. Die volle Leistungsfähigkeit von Nano Cap™ auszuschöpfen erwies sich jedoch als anspruchsvoll und führte zu vielen frustrierenden Tagen.“
General Manager
Power and Standard LSI Marketing Dept.
General Manager
Power LSI Development Dept. 1
Während die Produktentwicklungsabteilung mit diesen Herausforderungen rang, schlossen sich Herr Inoue und Herr Iwata – beide mit umfangreicher Erfahrung im LDO‑Design – dem Projekt an. Parallel dazu brachte sich auch die Abteilung Produktplanung ein und überarbeitete das Produktkonzept von Grund auf neu, um das Potenzial der Nano Cap™‑Technologie bestmöglich auszuschöpfen.
Zu den zentralen Entwicklungszielen zählten zu diesem Zeitpunkt:Die Kenndaten/Leistungsmerkmale wurden mit Stand 2025 weiter verbessert.
● Erweiterung des Produktportfolios = Erreichen der dreifachen Stromfähigkeit bei* gleichzeitiger Beibehaltung einer minimalen Kapazität von 47 nF
● Erweiterung der Frequenzbandbreite = Verbesserung der transienten Antwort um den Faktor 2*
● Etablierung eines stabilen Massenproduktionssystems = Erhöhung der Toleranz gegenüber Bauteilstreuungen
Iwata:
„Ich sprach mich nachdrücklich dafür aus, dieses Projekt in vollem Umfang voranzutreiben. Der erste Schritt bestand in einer organisatorischen Neuausrichtung – zuvor auf mehrere Abteilungen verteilte Teams wurden in einer Einheit zusammengeführt.
Dennoch traten weiterhin technische Hürden auf, und immer mehr Beteiligte wurden in den Entwicklungsprozess eingebunden.“
Er schilderte dies in zurückhaltender Weise und verwies dabei sowohl auf die zusätzliche Belastung der beteiligten Kolleginnen und Kollegen als auch auf deren Ausdauer. In der Folge führten diese Anstrengungen zur erfolgreichen Kommerzialisierung der Nano Cap™‑LDO‑Serie, die auf Kundenseite eine unerwartet hohe Resonanz erzielte und das Engagement aller beteiligten Teammitglieder sichtbar machte.
ROHM hebt sich durch sein vertikal integriertes Produktionssystem (IDM) ab, das eine ganzheitliche und breit aufgestellte Technologieentwicklung ermöglicht.
Technologie, die Ideen verknüpft
Tateishi:
„Auch wenn Ingenieurinnen und Ingenieure aus ganz unterschiedlichen Bereichen stammen, erkennen sie unmittelbar, wenn eine Technologie echtes Potenzial hat. Eine besondere Stärke von ROHM liegt dabei nicht nur in der Zusammenarbeit, sondern darin, dass technologische Kompetenz selbst zur verbindenden Brücke zwischen Ideen und Visionen wird.“
‚Nano‘ steht für eine Welt im Milliardstel‑Maßstab – kaum vorstellbar klein.
Und doch ist es genau dieser mikroskopische Raum, in dem menschliche Kreativität, Beharrlichkeit und Leidenschaft wirken und technologische Evolution an Fahrt aufnimmt.
Durch kontinuierliches, zeitaufwendiges Trial‑and‑Error entstehen zahllose kleine Fortschritte, die gemeinsam die Stromversorgungstechnologie voranbringen.
Diese stetige und zugleich kraftvolle Entwicklung wird auch in Zukunft weitergetragen.
Ein einzelner Erkenntnisimpuls kann langfristig weitreichende Veränderungen bewirken, und die Entwicklung der Nano‑Power‑Technologien von ROHM wird weiter fortgeführt.
Yamaguchi:
„ROHMs Power-Lösungen liegen zwei Generationen zurück“, lautete das ernüchternde Urteil eines Kunden. Eine einzige Bemerkung – und der Ausgangspunkt für einen tiefgreifenden Wandel.