Die REF80 ist eine Referenzspannungsquelle von Texas Instruments, deren Leistungsfähigkeit sich im Bereich der LTZ1000 und ADR1000 bewegt. Die REF80 rauscht genauso stark wie die LTZ1000 (1,2µVpp) und damit etwas mehr als die ADR1000 (0,6µVpp). Der Temperaturkoeffizient ist dafür aber ebenso niedrig wie bei der LTZ1000 (0,05ppm/°C), wo die ADR1000 lediglich 0,2ppm/°C bietet. Der Langzeitdrift ist nur für einen Zeitraum von 1000 Stunden spezifiziert. Nach einem Abfall um 9ppm in den ersten 300 Stunden, driftet die Spannung danach um weniger als 1ppm.
Die Bezeichnung der hier vorliegenden REF80 beginnt mit einem X, was darauf hinweist, dass es sich um ein Entwicklungsmuster handelt.
Die REF80 besitzt einen integrierten Heizer. Die Referenz kann mit 10V bis 16,5V versorgt werden. Der Heizer erlaubt Versorgungsspannungen zwischen 10V und 42V. Im kalten Zustand nimmt der Heizer typischerweise 335mA auf. Der Strom reduziert sich dann abhängig von der Versorgungsspannung auf 18mA bis 75mA. Der rechte Schaltungsteil nimmt über Vdd 15mA auf. Der Temperaturregler sorgt für eine konstante Temperatur von 115°C. Über einen Widerstand am Pin T-SET kann man die Temperatur reduzieren. Sie muss aber immer mindestens 45°C über der maximalen Umgebungstemperatur liegen, damit eine saubere Regelung garantiert werden kann. Der Ausgang OP-STBL wird aktiv, wenn die eingestellte Temperatur erreicht ist. Das ist typischerweise nach 250ms der Fall. Nach 100s weicht die Referenzspannung nur noch +/-3ppm vom Sollwert ab.
Die REF80 nutzt eine Buried Zenerdiode, die nur wenig Rauschen erzeugt und einen geringen Alterungsdrift aufweist. Die Ausgangsspannung beträgt typischerweise 7,6V. Die Toleranz spezifiziert Texas Instruments mit +/-50mV. Für eine optimale Funktionsweise ist am Ausgang eine Kapazität zwischen 10µF und 100µF mit einem Innenwiderstand von 10mΩ bis 400mΩ zu bestücken. An der Versorgung fordert das Datenblatt eine Kapazität mit 100nF.
Die REF80 bietet etwas mehr Kontakte als im Blockschaltbild dargestellt. Das Potential REF_Z liegt an zwei Kontakten an. Das gleiche gilt für das zugehörige Bezugspotential REF_GND. Der Heizer belegt drei Kontakte. An der unteren Kante befindet sich ein weiteres GND-Potential.
Im Gehäuse zeigt sich, dass das Referenzpotential jeweils mit zwei Bonddrähten zu den zwei Kontakten des Gehäuses geführt wird. Außerdem sind die NC-Kontakte 1, 2 und 6 mit dem Die verbunden.
Sehr auffällig sind die drei Bonddrähte, die auf dem Die von links oben nach rechts unten führen.
Auf die unteren rechten Pads der quer verlaufenden Bonddrähte wurden zuerst Balls aufgebondet und der Bonddraht jeweils sofort wieder abgetrennt. Danach hat man den Bonddraht mit einem Ballbond oben links auf ein Bondpad aufgebracht und nach unten rechts geführt. Auf den dortigen Ball konnte man den Draht dann mit einen Wedgebond befestigen. Dieses Verfahren ist notwendig, da Wedgebonds nicht ohne Weiteres direkt auf Bondpads aufgebracht werden können.
Der Wärmeübergangskoeffizient vom Die zum Gehäuse ist im Datenblatt noch nicht spezifiziert. Ein hoher Wärmewiderstand wäre wünschenswert, damit die Temperatur der Referenz möglichst wenig durch Temperaturschwankungen in der Umgebung beeinflusst wird. Das Material, mit dem das Die im Gehäuse befestigt wurde, könnte auf den ersten Blick ein Polymer sein. Im Detail wirkt die Oberfläche aber doch eher metallisch.
Die Kantenlänge des Dies beträgt 1,8mm. Auf der Oberfläche befinden sich neben einigen unkontaktierten Bondpads auch Testpads in zwei Größen. Die einen Testpads sind nur minimal kleiner als die Bondpads. Bei genauerer Betrachtung finden sich vor allem im oberen Bereich ein paar sehr kleine Testpads.
Beide Bilder sind auch in höherer Auflösung verfügbar: 43MB und 54MB
In der linken oberen Ecke des Dies hat man ein sehr eckiges Texas Instruments Logo abgebildet. Dasselbe gilt für das Copyright-Symbol in der unteren linken Ecke. Das Design stammt offensichtlich aus dem Jahr 2023. In der oberen rechten Ecke sind die Zeichen A11100 in verschiedenen Lagen abgebildet. Die REF80 scheint tatsächlich 6 Metalllagen zu besitzen. Dementsprechend könnte jedes Zeichen für die Revision einer Metalllage stehen. Die Zeichenfolge REF8014 in der unteren rechten Ecke könnte eine interne Bezeichnung darstellen.
Die REF_GND Potentiale werden auf dem Die deutlich unterschiedlich behandelt. Der Pin 15 wird weiter in die Mitte der Schaltung geführt, während der Pin 14 ein Bondpad am Rand kontaktiert. Das GND Potential befindet sich direkt darunter.
Im Detail sieht man, dass die beiden REF_Z Potentiale auf dem Die ebenfalls getrennt verarbeitet werden. Die beiden oberen Bondpads (Pin 4) sind mit einer breiten Leitung verbunden. Die beiden unteren Bondpads (Pin 5) kontaktieren dagegen nur eine dünne Leitung. Wahrscheinlich sind die oberen beiden Bondpads mit dem Ausgangstreiber verbunden und die unteren beiden Bondpads bilden einen Feedback-Pfad, mit dem die Spannung direkt am Ausgangspin geregelt werden kann. Zwischen den linken beiden Bondpads befindet sich eine Struktur, die ein Widerstand sein könnte. Zumindest wäre eine solche Verbindung in diesem Zusammenhang logisch.
In der unteren linken Ecke des Dies ist eine Gruppe von vier Bondpads platziert, die den REF_Z Bondpads in der oberen linken Ecke sehr ähneln. Hier sind aber alle vier Bondpads miteinander verbunden. Trotzdem findet sich auch hier zwischen den linken beiden Bondpads eine Struktur wie bei den REF_Z Kontakten. Der Zweck dieser vier Bondpads bleibt unklar.
Da die REF80 sehr komplex ist, lassen sich viele Strukturen und Potentiale nicht zuordnen. Das REF_GND Potential wird bei der großen Struktur in der Mitte des Dies mit einen Bonddraht zur anderen Ecke geführt. Es ist deutlich erkennbar, dass man in diesem Bereich sehr viel Wert auf Symmetrie gelegt hat. Der Ausgangstreiber des REF_Z Potentials wird ebenfalls zur gegenüberliegenden Ecke übertragen. Das REF_Z Feedback führt eine dünnere Leitung zu dem dicken Rahmen, der die zentralen Elemente umgibt. Im Zentrum des Dies befinden sich vier gleiche Blöcke.
Jede der vier zentralen Blöcke besteht aus drei verschiedenen Elementen. Es handelt sich um 2 runde Elemente und 14 größere, rechteckige Elemente, wobei eines dieser rechteckigen Elemente etwas abseits platziert wurde. Man kann es nicht mit letzter Sicherheit sagen, aber es erscheint durchaus plausibel, dass die beiden runden Elemente buried Zenerdioden sind. Die Metalllage erweckt den Eindruck, dass die beiden Zenerdioden in Reihe geschaltet sind. Die rechteckigen Elemente könnten dann die Bipolartransistoren sein, die den Temperaturkoeffizienten der Zenerdioden kompensieren. Der etwas abseits platzierte Transistor könnte dann der Temperaturmessung dienen.
Es könnte sein, dass man vier dieser Referenzspannungsquellen integriert hat, um diese parallel zu schalten und so das Rauschen zu reduzieren. Bei der Komplexität der REF80 ist allerdings auch eine kompliziertere Funktionsweise denkbar.
Die vier bräunlichen Elemente in den Bipolartransistoren könnten die Emitterflächen sein.
Über den Zenerdioden im Zentrum der REF80 verlaufen Bonddrähte, weswegen es schwierig ist sie optimal abzubilden. Auf dem Die sind aber mehrere dieser Elemente integriert. Im Zentrum befindet sich eine runde Struktur, die in den verschiedenen Metalllagen von vier Rahmen umgeben ist.
Es scheint, dass in allen Lagen freie Flächen mit Dummystrukturen aufgefüllt wurden. Das ist notwendig, damit sich Fertigungsprozesse möglichst gleichmäßig auf die Flächen auswirken. Gleichzeitig fällt aber auf, dass oberhalb von vielen Elementen Aussparungen in diese Dummystrukturen eingebracht wurden.
Die Leitungen des Heizers verlaufen von den Bondpads zu den zentralen Strukturen, wo sie einen Rahmen bilden. Es ist nicht zu erkennen, wo die Heizer selbst verortet sind.
Im linken Bereich des Dies sind große Widerstandsflächen integriert. Auf den ersten Blick scheint es, dass dort ein Laserabgleich erfolgte. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich aber, dass die Muster auf den Widerständen nicht die Spuren eines Lasers sind. Unter den Widerständen verlaufen Streifen einer anderen Lage.
Hier sind mehrere unterschiedlich aufgebaute Widerstände zu sehen.
Im linken Bereich des Dies befinden sich sehr viele, dünne, vertikal verlaufende Leitungen. In der Lage darunter kann man horizontal verlaufende Leitungen erkennen. Es könnte sein, dass sich hier eine Steuerungslogik befindet.
Die hier zu sehenden, tief liegenden Streifen scheine Dummystrukturen zu sein. Dafür sind sie aber überraschend inhomogen.
Hier hat man über zwei Elementen die Dummystrukturen in der obersten Lage großräumig ausgespart, in einer tieferen Metalllage sind die Dummystrukturen aber weiterhin präsent.
Manche Aussparungen sind sehr klein. Die dortigen kleinen Strukturen lassen sich nur noch schwer scharf abbilden.
Ein Blick auf die öffentlich beworbenen Prozesse von Texas Instruments lässt vermuten, dass bei der REF80 der Prozess HPA07 zum Einsatz kam. Dieser Prozess geht auf das Jahr 2003 zurück und wird als "High-Performance Analog CMOS" bezeichnet. Der HP180, der auf dem AN180 basiert, wäre ebenfalls denkbar. Er wird mit "extremly low-noise, high precision" umschrieben. Der HPA07 ist allerdings auch als HPA07HV verfügbar, wo er bis zu 36V erlaubt. Der HP180 erlaubt nur 24V. Das macht den HPA07HV etwas wahrscheinlicher. Die maximale Heizerspannung der REF80 ist mit 42V spezifiziert. Es ist durchaus denkbar, dass der HPA07HV mit zusätzlichen Maßnahmen die 42V verarbeiten kann.
Die minimale Strukturbreite des HPA07 beträgt 0,3µm. Es sind spezielle Isolationstrukturen verfügbar, mit denen man empfindliche Schaltungsteile von potentiell störenden Schaltungsteilen abschirmen kann. Es können MOSFETs, JFETs, NPN- und PNP-Transistoren integriert werden. Die Transistoren weisen ein sehr geringes Rauschen auf. Der Prozess bietet Metal-Metal-Kondensatoren, IMD-Kondensatoren und Titannitrid-Polysilizium-Kondensatoren. Neben Polysiliziumwiderständen kann man auf Präzisions-Dünnfilmwiderstände zurückgegriffen, die auch mit einem Laser abgeglichen werden können. Zur Konfiguration stehen Polysilizium-Fuses und Speicherzellen zur Verfügung, darunter OTP EPROM und EEPROM. Die oberste Metalllage kann als besonders dicke Kupferlage ausgeführt werden.
In den folgenden Bildern wurde Stück um Stück Schichten des integrierten Schaltkreises abgetragen. Es handelt sich nicht um ein professionelles sogenanntes Delayering. Aus diesem Grund erfolgt das Abtragen der Schichten inhomogen und einige Strukturen lösen sich nur durch ein Unterätzen. Trotzdem ergeben sich neue interessante Einsichten.
Ausgangszustand (43MB)
nach 12min HF (42MB)
nach 5min HCL (45MB)
nach weiteren 12min HF (45MB)
nach weiteren 12min HF (47MB)
nach weiteren 12min HF (45MB)
nach weiteren 96min HF (47MB)
Viele Bereiche sind von verhältnismäßig dicken Rahmen umgeben. Dabei handelt es sich höchstwahrscheinlich um die speziellen Isolationsstrukturen, die der HPA07 bietet. Einige Elemente kann man eindeutig CMOS- und Bipolartransistoren zuordnen. Die Strukturen, die hier zu sehen sind, besitzen eine ungewöhnliche Asymmetrie. Sie bilden wahrscheinlich sogenannte DEMOS, Drain Extended MOS.
In dem Buch Silicon Analog Components von Badih El-Kareh und Lou N. Hutter findet sich eine Gegenüberstellung von DEMOS- und LDMOS-Transistoren. Lou Hutter war bei Texas Instruments an der Entwicklung vieler Prozesse beteiligt.
Im linken Bereich hat man auf Grund der Verdrahtung in der obersten Metalllage bereits eine Logikstruktur erwartet. Das bestätigt sich auf der Ebene des Substrats (blau). Oberhalb und unterhalb der Steuerungslogik befinden sich zwei sehr ähnliche Blöcke (türkis). Darin sind jeweils zwei Reihen Widerstände und zwei Reihen Transistoren integriert. Der optischen Erscheinung nach könnte es sich hier um eine Art einfachen Digital-Analog-Wandler handeln.
Unter den vier Bondpads, die die Referenzspannung bereitstellen, befinden sich einige größere Elemente (gelb). Exakt die gleichen Elemente finden sich auch unter den vier Bondpads im unteren Bereich. Es scheint sich hier folglich tatsächlich um einen zweiten Ausgang zu handeln.
Im unteren Bereich des Dies ist eine sehr große Fläche mit Kondensatoren belegt. Die Kondensatoren wurden in den Metalllagen realisiert und sind hier bereits verschwunden. Darunter sind streifenförmige Bereiche strukturiert. Es scheint sich dabei um weitere Kondensatoren zu handeln.
Neben vielen kleineren Transistoren sind einige größere Transistorgruppen integriert (rot). Im rechten oberen Bereich wird die Heizerspannung zugeführt und dort befindet sich auch der Ausgang, der das Erreichen der Solltemperatur anzeigt. Es ist entsprechend nicht verwunderlich, dass sich in dieser Ecke große Transistoren befinden. Unterhalb der Rahmenstruktur, die den Heizerstrom verteilt, befinden sich dünne, lange Transistorreihen. Man kann davon ausgehen, dass diese Transistoren eine Aufgabe im Rahmen der Heizungsfunktion erfüllen. Außerhalb dieses Rahmens sind vier etwas größere Blöcke auffällig symmetrisch angeordnet. Hierbei könnte es sich um die Endstufen für den Referenzspannungsausgang handeln. Darin ist mit einer gewissen Verlustleistung zu rechnen, die man besser möglichst symmetrisch verteilt. Die kleineren Transistorstreifen innerhalb des Rahmens könnten Stromquellen für die vier Referenzspannungsquellen sein.
Auf dem Substrat sind nun die für Logik typischen Doppelzeilen erkennbar (gelb). Teilweise sind noch die Polysiliziumstreifen zurückgeblieben, die die Gateelektroden darstellen. Während die Logik innerhalb der Doppelzeilen eine chaotische Inhomogenität besitzt, stechen links sich wiederholende Strukturen ins Auge (türkis). Höchstwahrscheinlich befinden sich dort Speicherzellen, die Korrekturwerte beinhalten. Es scheint, dass sich die Speicherzellen in der Mitte befinden und rechts und links von Schaltungsteilen flankiert sind, über die die Zellen ausgewählt, beschrieben und ausgelesen werden können.
Hier sind die Transistoren und Z-Dioden zu sehen, die höchstwahrscheinlich die zu Grunde liegende Referenzspannung liefern. Die vielen kleinen Elemente, die an Verschmutzungen erinnern, sind die Reste der Kontakte zwischen den Lagen. Diese Durchbrüche werden bei moderneren Prozessen mit Metallen ausgekleidet, die sich nicht auflösen und dann als Hülsen oder Zylinder zurückbleiben.
Im rechten Bereich ist nun auch zu sehen, was sich unter der großen kreuzförmigen Metallfläche in der Mitte befindet. Es handelt sich um verhältnismäßig einfache Strukturen, die aneinandergereiht wurden.
In einem Zwischenschritt ist zu sehen, dass sich in einer höheren Ebene eine Reihe von Widerständen befanden. Die Widerstände sind überraschend komplex kontaktiert und zwischen den Metalllagen eingebettet.
Mit den gewonnenen Informationen kann man folgende Vermutung aufstellen. Die Spannung für die Heizung der REF80 wird über die Metalllage zu einem Rahmen aus Transistoren geführt, die die Heizleistung regeln (gelb). Von dort wird der Strom zu Widerständen geleitet (rot), die die vier Referenzspannungsquellen umgeben (grün). Bei den Heizerwiderständen wurde ein großer konstruktiver Aufwand getrieben, vermutlich um die Wärme möglichst homogen zu verteilen und keine elektrischen Störungen zu übertragen. Temperaturfühler (lila) schließen den Regelkreis.
