BCD智能功率集成技术简述

刘汝刚，刘 佳，王树振

(中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032)

1 引言

把Bipolar、CMOS、DMOS三种器件集成在同一芯片上的半导体工艺称为 BCD工艺，该工艺集Bipolar器件的驱动能力强、模拟精度高，CMOS器件的功耗低、集成度高，DMOS器件的耐压高、驱动能力强、速度高等特点于一身，显示出极好的综合性能。BCD工艺的魅力还在于它不仅集成了Bipolar、CMOS、DMOS 三种器件，还集成了 JFET、Zener、SBD、Depletion-MOS等有源器件和各种 Resistor、PIP-Capacitance等无源器件，增加了使用的灵活性，实现了集成电路的智能化。BCD高压智能功率集成技术是BCD工艺向高压(耐压一般在500-700V)方向发展的难度极大的集成技术，BCD高压智能功率集成技术是实现智能功率集成电路SPIC(Smart Power IC)的关键支撑技术。该技术不仅在电源管理，显示驱动两大民用市场有巨大的应用空间，而且在军事领域也有很大的应用空间。

2 军事用途

SPIC产品多以智能电压调节器(包括AC-DC、DC-DC转换电路等)、智能功率驱动器(包括高压驱动IC、低压栅驱动IC等)以及智能功率开关为主，SPIC具有体积小、重量轻、性能好、抗干扰能力强、使用寿命长等显著优点，广泛用于军事电源系统、电气控制系统中。如导弹/火炮系统的马达控制SPIC、通讯/雷达系统的功率接口SPIC、陀螺仪系统的马达控制SPIC、航空电子系统的发动机与燃料控制SPIC、舰艇上导弹发射装置控制SPIC等。在火炮、导弹、坦克、舰艇、雷达等装备的随动系统及自动定位系统中采用SPIC技术后，可提高引导控制方式的有效性，使目标探测的精度、灵活性、稳定性大大提高，并使其工作温度范围更大、耐震动冲击、抗干扰、抗湿性、抗辐射等抗恶劣环境的能力更加优越，并可在复杂干扰背景下自行探测和鉴别目标。目前，智能功率集成电路的军事需求越来越大。据有关资料报道，世界范围内军用和航空航天领域使用SPIC的市场产值达到两亿多美元，而且每年以16%的速度增长。

3 国外研究背景

BCD高压智能功率集成技术产品-SPIC/电源管理电路等出现于上世纪70年代后期。当时人们提出将功率器件与集成电路单片集成为功率集成电路(Power IC，PIC)，它减少了系统中的元件数、互连数和焊点数，不仅提高了系统的可靠性、稳定性，而且减少了系统的功耗、体积和成本。但由于当时的功率器件主要是双极型晶体管BJT、GTO等，它们所需的驱动电流大，驱动和保护电路复杂，PIC的研究并未取得实质性进展。直到80年代，功率MOS、IGBT等新型器件的出现使得驱动电路简单，且容易与功率器件集成，才迅速带动了PIC的发展。到90年代，SPIC/IPM(Intelligent Power Module)进入了实用阶段。SPIC/IPM的内部结构如图1和图2所示。

图1 一种SPIC内部结构框图

图2 IPM内部结构框图

SPIC/IPM以先进的微电子技术和功率器件技术为基础，SPIC以BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)工艺为支撑，而IPM是以IGBT技术为支撑。BCD工艺和IGBT技术构成了智能功率集成技术。BCD工艺是把双极晶体管、CMOS、DMOS几种器件做在一个硅片上，而DMOS多以LDMOS和LIGBT为主。该工艺把数字电路和模拟电路，控制电路和功率输出管集成一起，达到了良好的器件兼容，实现了优良的电路性能，其工艺难度极大。早期BCD工艺采用4μm的设计规则，1995年为1.2μm，目前正向亚微米级发展。九十年代中期，一个典型的BCD工艺可集成VDMOS(80V、导通电阻 0.32Ω/mm2)、LDMOS(40V，导通电阻0.13Ω/mm2)、NPN晶体管(BVCEO=16V，1GHz)、1.2μm/5V CMOS、12V CMOS、高低压 LPNP晶体管、高压NMOS、低漏电流二极管、5V/20V/60V介质电容、扩散电阻和高阻多晶电阻等十多种元器件。当今BCD工艺与纯CMOS完全兼容，其中的高压功率器件向LIGBT方向发展。BCD工艺的发展使许多复杂的功能可以集成，SPIC的设计更加灵活、方便，设计时间和费用大幅度减少。这样一来，出现了微处理器、存贮器等系统的核心单元与接口、电源、保护等单元单片集成的高智能化功率系统，也即面向系统的高智能功率技术。SPIC总的技术发展趋势是工作频率更高、功率更大、速度更快、功能更全。

国外各大模拟集成电路公司纷纷投入巨资开发BCD高压集成技术，现已进入产业化。目前电源系统及电气控制系统用的SPIC、电源管理芯片的主要市场被国外几家大公司所垄断，其主要原因就是这些大公司拥有自己的专利技术-BCD高压智能功率集成技术，这些公司包括PI(Power Integration)公司，ST(意法半导体公司)，TI(德州仪器)公司，NS(国家半导体)公司，Fairchild(仙童半导体)公司等。

意法半导体(ST):意法半导体(ST)公司于1987年由意大利SGS半导体公司和法国汤姆逊半导体合并成立，是世界上最大的半导体公司之一，同时也是全球第一大的SPIC、电源管理芯片制造商。2005年，在中国市场，ST已成为第三大半导体供应商。ST公司推出的功率集成电路主要针对中小功率的应用。其主要系列为AC-DC单片电源开关芯片VIPer系列产品(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区以耐700V高的漏极电压。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公司作为世界上第一家制程成熟的开发单片功率集成电路产品的公司，其推出的产品也有相当的竞争力，是VIPer系列的最大竞争对手。到目前为止，其推出的单片功率集成电路产品系列包括 TOPSwitch、TinySwicth、LinkSwicth、LinkSwitch-TN、DPA-Switch等，其中某些系列已经经过了几代的发展。此外，Fairchild公司也有单片功率集成电路产品 FSD系列，MAXim公司拥有 MAX1642，MAX5003，MAX668等系列芯片。

国外SPIC/IPM发展很快，其应用日益扩大。目前，Motorola、IR、Siemens、Fairchild、三凌、东芝等各主要半导体公司都投入巨资研制、开发和生产SPIC/IPM。迄今已有系列产品问世，包括智能电压调节器、智能功率MOS开关、半桥或全桥逆变器、三相无刷电机驱动器等产品。美国Motorola公司于1999年成功研发了MC33370系列智能电压调节器，该系列SPIC可构成150W以下的智能开关电源，用于军事机载、舰载计算机系统，也广泛用于办公自动化设备、仪器仪表、无线电通信设备及消费类电子设备中。东芝公司已研制成功智能化的550V/1A三相逆变器IC，其芯片面积仅26mm2。该单片式SPIC由六个LIGBT和高速恢复二极管(SFD)组成逆变器电路，有高低端驱动电路、电源电路、20KHz震荡器、PWM控制电路、过流保护电路、过热关断电路和启动限流电路。美国IR公司还开发了专用SPIC(ASPIC)，如IR2110是单向驱动电路、IR2130为三相驱动电路、RIC7113为航天用抗辐照专用单向驱动电路。Siemens和Motorola公司分别研制开发了BTS555、BTS412系列和 MC33982系列智能功率MOS开关，该系列SPIC集成了N沟道VDMOS、充电泵、输入电流控制及识别和负载电流传感反馈电路、智能SIPMOS技术，内置完善的保护电路，且内部VDMOS的导通电阻仅几个mΩ。

富士电机公司为变频空调设计开发的R系列IGBT-IPM，其代表品种6MBP30RY-060(600V、30A、6pack)除上述功能外，还增加了结温测量功能，使IGBT能用到结温的最大值而不会击穿。以上两公司开发的IGBT-IPM均用于电机驱动，具有极高的可靠性。而且Motion-IPM系列产品和R系列IGBT-IPM产品在军事导弹、雷达等随动系统和自动定位系统中也有应用。日本三凌电机公司开发的第三代IPM采用了第三代IGBT来替代功率MOS和GTR，并配以功能完善的控制及保护电路，构成了理想的高频软开关模块，其容量为600A/2000V的产品已用于电力机车VVVF逆变器中。而采用低电感封装技术的大电流IGBT-IPM已用于舰艇上的导弹发射装置。

4 国内研究现状

研发BCD高压功率集成技术的关键问题是高压DMOS器件的设计和高低压集成工艺。国内一些外资公司如TSMC、CSMC正在开发BCD高压功率集成技术，取得了良好的进展，距商品化的时间不会太长。国内几所高等院校对BCD高压功率集成技术也进行了多年的研究、取得了一些科研成果，总之，国内的研究进展缓慢。

5 BCD工艺应用的国内外市场现状

BCD产品的主要应用领域为电源管理(电源和电池控制)、显示驱动、汽车电子、工业控制等领域。近年来，在显示驱动和电源管理两大市场驱动下，BCD工艺备受关注，越来越多的公司进入该领域，进行相关工艺和产品的开发。未来该电子系统的主要市场是多媒体应用、便携性及互连性。这些系统中会包含越来越复杂的高速IC，加上专用的多功能芯片来管理外围的显示、灯光、照相、音频、射频通信等。为实现低功耗和高效率功率模块，需要混合技术来提供高压能力和超低漏电以保证足够的待机时间，同时在电池较低的电压供电下也能保持良好的性能。

6 结束语

BCD工艺是一种先进的单片集成工艺技术，是电源管理、显示驱动、汽车电子等IC制造工艺的上佳选择，具有广阔的市场前景。今后，BCD工艺仍将朝着高压、高功率、高密度三个方向分化发展。因此，掌握BCD高压智能功率集成技术，满足军用电源系统和电器控制系统以及民用系统对该项技术的迫切需求，是我国电子信息产业发展的当务之急，具有重大的现实意义。

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