BCD智能功率集成技術(shù)簡(jiǎn)述

劉汝剛，劉 佳，王樹(shù)振

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032)

1 引言

把Bipolar、CMOS、DMOS三種器件集成在同一芯片上的半導(dǎo)體工藝稱(chēng)為 BCD工藝，該工藝集Bipolar器件的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、模擬精度高，CMOS器件的功耗低、集成度高，DMOS器件的耐壓高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、速度高等特點(diǎn)于一身，顯示出極好的綜合性能。BCD工藝的魅力還在于它不僅集成了Bipolar、CMOS、DMOS 三種器件，還集成了 JFET、Zener、SBD、Depletion-MOS等有源器件和各種 Resistor、PIP-Capacitance等無(wú)源器件，增加了使用的靈活性，實(shí)現(xiàn)了集成電路的智能化。BCD高壓智能功率集成技術(shù)是BCD工藝向高壓(耐壓一般在500-700V)方向發(fā)展的難度極大的集成技術(shù)，BCD高壓智能功率集成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能功率集成電路SPIC(Smart Power IC)的關(guān)鍵支撐技術(shù)。該技術(shù)不僅在電源管理，顯示驅(qū)動(dòng)兩大民用市場(chǎng)有巨大的應(yīng)用空間，而且在軍事領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用空間。

2 軍事用途

SPIC產(chǎn)品多以智能電壓調(diào)節(jié)器(包括AC-DC、DC-DC轉(zhuǎn)換電路等)、智能功率驅(qū)動(dòng)器(包括高壓驅(qū)動(dòng)IC、低壓柵驅(qū)動(dòng)IC等)以及智能功率開(kāi)關(guān)為主，SPIC具有體積小、重量輕、性能好、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于軍事電源系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)中。如導(dǎo)彈/火炮系統(tǒng)的馬達(dá)控制SPIC、通訊/雷達(dá)系統(tǒng)的功率接口SPIC、陀螺儀系統(tǒng)的馬達(dá)控制SPIC、航空電子系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)與燃料控制SPIC、艦艇上導(dǎo)彈發(fā)射裝置控制SPIC等。在火炮、導(dǎo)彈、坦克、艦艇、雷達(dá)等裝備的隨動(dòng)系統(tǒng)及自動(dòng)定位系統(tǒng)中采用SPIC技術(shù)后，可提高引導(dǎo)控制方式的有效性，使目標(biāo)探測(cè)的精度、靈活性、穩(wěn)定性大大提高，并使其工作溫度范圍更大、耐震動(dòng)沖擊、抗干擾、抗?jié)裥浴⒖馆椛涞瓤箰毫迎h(huán)境的能力更加優(yōu)越，并可在復(fù)雜干擾背景下自行探測(cè)和鑒別目標(biāo)。目前，智能功率集成電路的軍事需求越來(lái)越大。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，世界范圍內(nèi)軍用和航空航天領(lǐng)域使用SPIC的市場(chǎng)產(chǎn)值達(dá)到兩億多美元，而且每年以16%的速度增長(zhǎng)。

3 國(guó)外研究背景

BCD高壓智能功率集成技術(shù)產(chǎn)品-SPIC/電源管理電路等出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代后期。當(dāng)時(shí)人們提出將功率器件與集成電路單片集成為功率集成電路(Power IC，PIC)，它減少了系統(tǒng)中的元件數(shù)、互連數(shù)和焊點(diǎn)數(shù)，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，而且減少了系統(tǒng)的功耗、體積和成本。但由于當(dāng)時(shí)的功率器件主要是雙極型晶體管BJT、GTO等，它們所需的驅(qū)動(dòng)電流大，驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路復(fù)雜，PIC的研究并未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。直到80年代，功率MOS、IGBT等新型器件的出現(xiàn)使得驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，且容易與功率器件集成，才迅速帶動(dòng)了PIC的發(fā)展。到90年代，SPIC/IPM(Intelligent Power Module)進(jìn)入了實(shí)用階段。SPIC/IPM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 一種SPIC內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖2 IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

SPIC/IPM以先進(jìn)的微電子技術(shù)和功率器件技術(shù)為基礎(chǔ)，SPIC以BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工藝為支撐，而IPM是以IGBT技術(shù)為支撐。BCD工藝和IGBT技術(shù)構(gòu)成了智能功率集成技術(shù)。BCD工藝是把雙極晶體管、CMOS、DMOS幾種器件做在一個(gè)硅片上，而DMOS多以LDMOS和LIGBT為主。該工藝把數(shù)字電路和模擬電路，控制電路和功率輸出管集成一起，達(dá)到了良好的器件兼容，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的電路性能，其工藝難度極大。早期BCD工藝采用4μm的設(shè)計(jì)規(guī)則，1995年為1.2μm，目前正向亞微米級(jí)發(fā)展。九十年代中期，一個(gè)典型的BCD工藝可集成VDMOS(80V、導(dǎo)通電阻 0.32Ω/mm2)、LDMOS(40V，導(dǎo)通電阻0.13Ω/mm2)、NPN晶體管(BVCEO=16V，1GHz)、1.2μm/5V CMOS、12V CMOS、高低壓 LPNP晶體管、高壓NMOS、低漏電流二極管、5V/20V/60V介質(zhì)電容、擴(kuò)散電阻和高阻多晶電阻等十多種元器件。當(dāng)今BCD工藝與純CMOS完全兼容，其中的高壓功率器件向LIGBT方向發(fā)展。BCD工藝的發(fā)展使許多復(fù)雜的功能可以集成，SPIC的設(shè)計(jì)更加靈活、方便，設(shè)計(jì)時(shí)間和費(fèi)用大幅度減少。這樣一來(lái)，出現(xiàn)了微處理器、存貯器等系統(tǒng)的核心單元與接口、電源、保護(hù)等單元單片集成的高智能化功率系統(tǒng)，也即面向系統(tǒng)的高智能功率技術(shù)。SPIC總的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是工作頻率更高、功率更大、速度更快、功能更全。

國(guó)外各大模擬集成電路公司紛紛投入巨資開(kāi)發(fā)BCD高壓集成技術(shù)，現(xiàn)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。目前電源系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)用的SPIC、電源管理芯片的主要市場(chǎng)被國(guó)外幾家大公司所壟斷，其主要原因就是這些大公司擁有自己的專(zhuān)利技術(shù)-BCD高壓智能功率集成技術(shù)，這些公司包括PI(Power Integration)公司，ST(意法半導(dǎo)體公司)，TI(德州儀器)公司，NS(國(guó)家半導(dǎo)體)公司，F(xiàn)airchild(仙童半導(dǎo)體)公司等。

意法半導(dǎo)體(ST):意法半導(dǎo)體(ST)公司于1987年由意大利SGS半導(dǎo)體公司和法國(guó)湯姆遜半導(dǎo)體合并成立，是世界上最大的半導(dǎo)體公司之一，同時(shí)也是全球第一大的SPIC、電源管理芯片制造商。2005年，在中國(guó)市場(chǎng)，ST已成為第三大半導(dǎo)體供應(yīng)商。ST公司推出的功率集成電路主要針對(duì)中小功率的應(yīng)用。其主要系列為AC-DC單片電源開(kāi)關(guān)芯片VIPer系列產(chǎn)品(VIP代表垂直方向的Power MOS)，其系列中所有芯片皆使用垂直方向上的漂移區(qū)以耐700V高的漏極電壓。其第一款芯片VIPer100/VIPer50于1997年推出，一直到2004年推出VIPer53E。

PI公司:PI公司作為世界上第一家制程成熟的開(kāi)發(fā)單片功率集成電路產(chǎn)品的公司，其推出的產(chǎn)品也有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力，是VIPer系列的最大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。到目前為止，其推出的單片功率集成電路產(chǎn)品系列包括 TOPSwitch、TinySwicth、LinkSwicth、LinkSwitch-TN、DPA-Switch等，其中某些系列已經(jīng)經(jīng)過(guò)了幾代的發(fā)展。此外，F(xiàn)airchild公司也有單片功率集成電路產(chǎn)品 FSD系列，MAXim公司擁有 MAX1642，MAX5003，MAX668等系列芯片。

國(guó)外SPIC/IPM發(fā)展很快，其應(yīng)用日益擴(kuò)大。目前，Motorola、IR、Siemens、Fairchild、三凌、東芝等各主要半導(dǎo)體公司都投入巨資研制、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)SPIC/IPM。迄今已有系列產(chǎn)品問(wèn)世，包括智能電壓調(diào)節(jié)器、智能功率MOS開(kāi)關(guān)、半橋或全橋逆變器、三相無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品。美國(guó)Motorola公司于1999年成功研發(fā)了MC33370系列智能電壓調(diào)節(jié)器，該系列SPIC可構(gòu)成150W以下的智能開(kāi)關(guān)電源，用于軍事機(jī)載、艦載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也廣泛用于辦公自動(dòng)化設(shè)備、儀器儀表、無(wú)線電通信設(shè)備及消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備中。東芝公司已研制成功智能化的550V/1A三相逆變器IC，其芯片面積僅26mm2。該單片式SPIC由六個(gè)LIGBT和高速恢復(fù)二極管(SFD)組成逆變器電路，有高低端驅(qū)動(dòng)電路、電源電路、20KHz震蕩器、PWM控制電路、過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)熱關(guān)斷電路和啟動(dòng)限流電路。美國(guó)IR公司還開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用SPIC(ASPIC)，如IR2110是單向驅(qū)動(dòng)電路、IR2130為三相驅(qū)動(dòng)電路、RIC7113為航天用抗輻照專(zhuān)用單向驅(qū)動(dòng)電路。Siemens和Motorola公司分別研制開(kāi)發(fā)了BTS555、BTS412系列和 MC33982系列智能功率MOS開(kāi)關(guān)，該系列SPIC集成了N溝道VDMOS、充電泵、輸入電流控制及識(shí)別和負(fù)載電流傳感反饋電路、智能SIPMOS技術(shù)，內(nèi)置完善的保護(hù)電路，且內(nèi)部VDMOS的導(dǎo)通電阻僅幾個(gè)mΩ。

富士電機(jī)公司為變頻空調(diào)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的R系列IGBT-IPM，其代表品種6MBP30RY-060(600V、30A、6pack)除上述功能外，還增加了結(jié)溫測(cè)量功能，使IGBT能用到結(jié)溫的最大值而不會(huì)擊穿。以上兩公司開(kāi)發(fā)的IGBT-IPM均用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有極高的可靠性。而且Motion-IPM系列產(chǎn)品和R系列IGBT-IPM產(chǎn)品在軍事導(dǎo)彈、雷達(dá)等隨動(dòng)系統(tǒng)和自動(dòng)定位系統(tǒng)中也有應(yīng)用。日本三凌電機(jī)公司開(kāi)發(fā)的第三代IPM采用了第三代IGBT來(lái)替代功率MOS和GTR，并配以功能完善的控制及保護(hù)電路，構(gòu)成了理想的高頻軟開(kāi)關(guān)模塊，其容量為600A/2000V的產(chǎn)品已用于電力機(jī)車(chē)VVVF逆變器中。而采用低電感封裝技術(shù)的大電流IGBT-IPM已用于艦艇上的導(dǎo)彈發(fā)射裝置。

4 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

研發(fā)BCD高壓功率集成技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題是高壓DMOS器件的設(shè)計(jì)和高低壓集成工藝。國(guó)內(nèi)一些外資公司如TSMC、CSMC正在開(kāi)發(fā)BCD高壓功率集成技術(shù)，取得了良好的進(jìn)展，距商品化的時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)幾所高等院校對(duì)BCD高壓功率集成技術(shù)也進(jìn)行了多年的研究、取得了一些科研成果，總之，國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)展緩慢。

5 BCD工藝應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)現(xiàn)狀

BCD產(chǎn)品的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殡娫垂芾?電源和電池控制)、顯示驅(qū)動(dòng)、汽車(chē)電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域。近年來(lái)，在顯示驅(qū)動(dòng)和電源管理兩大市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，BCD工藝備受關(guān)注，越來(lái)越多的公司進(jìn)入該領(lǐng)域，進(jìn)行相關(guān)工藝和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。未來(lái)該電子系統(tǒng)的主要市場(chǎng)是多媒體應(yīng)用、便攜性及互連性。這些系統(tǒng)中會(huì)包含越來(lái)越復(fù)雜的高速I(mǎi)C，加上專(zhuān)用的多功能芯片來(lái)管理外圍的顯示、燈光、照相、音頻、射頻通信等。為實(shí)現(xiàn)低功耗和高效率功率模塊，需要混合技術(shù)來(lái)提供高壓能力和超低漏電以保證足夠的待機(jī)時(shí)間，同時(shí)在電池較低的電壓供電下也能保持良好的性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

BCD工藝是一種先進(jìn)的單片集成工藝技術(shù)，是電源管理、顯示驅(qū)動(dòng)、汽車(chē)電子等IC制造工藝的上佳選擇，具有廣闊的市場(chǎng)前景。今后，BCD工藝仍將朝著高壓、高功率、高密度三個(gè)方向分化發(fā)展。因此，掌握BCD高壓智能功率集成技術(shù)，滿足軍用電源系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)以及民用系統(tǒng)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的迫切需求，是我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

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