功率集成電路技術(shù)進(jìn)展總結(jié)

1、功率集成電路技術(shù)進(jìn)展摘要：本文介紹了功率集成電路的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵字：功率集成、智能功率集成電路、高壓功率集成電路、智能功率模塊、集成功率技術(shù)、集成功率應(yīng)用1引言功率電子系統(tǒng)通常包含三個(gè)組成部分:第一部分是信號(hào)的采集、輸入與放大電路；第二部分是信號(hào)處理電路，用來(lái)產(chǎn)生功率開(kāi)關(guān)電路的控制信號(hào)；第三部分是功率開(kāi)關(guān)電路，用來(lái)控制負(fù)載工作。將一個(gè)完整功率電子系統(tǒng)電路的一部分制造在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上就形成了功率集成電路(PowerIC,PIC)i。PIC是電力電子器件技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵接口元件，也是SoC的核心技術(shù)之一。功率集成電路是指將高壓功率器件及其驅(qū)

2、動(dòng)電路、保護(hù)電路、接口電路等外圍電路集成在同一個(gè)芯片上的集成電路，是系統(tǒng)信號(hào)處理部分和執(zhí)行部分的橋梁。具體來(lái)說(shuō)就是，采用一定的工藝，把一個(gè)功率電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)。廣義而言，PIC是控制電路與功率負(fù)載之間的接口電路，其最簡(jiǎn)單的電路包括電平轉(zhuǎn)移和驅(qū)動(dòng)電路，它的作用是將微處理器輸出的邏輯信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平。由于PIC與分立器件構(gòu)成的功率電路相比具有成本低、可靠性高、體積小、低電磁干擾等一系列優(yōu)越性，近些年來(lái)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。2 功率

3、集成電路發(fā)展歷程電力電子技術(shù)包括功率半導(dǎo)體器件與IC技術(shù)、功率變換技術(shù)及控制技術(shù)等幾個(gè)方面，其中電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的“龍頭”。由于普通晶閘管不能自關(guān)斷，屬于半控型器件，因而被稱(chēng)作第一代電力電子器件。在實(shí)際需要的推動(dòng)下，隨著理論研究和工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量和類(lèi)型等方面得到了很大發(fā)展，先后出現(xiàn)了GTR,GTO、功率MOSFET等自關(guān)斷、全控型器件，被稱(chēng)為第二代電力電子器件。近年來(lái)，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們的需要不斷上升，電力電子器件的復(fù)合化、模塊化及功率集成成為一種需要。上世紀(jì)七十年代功率集成電路出現(xiàn)2，單芯片集成的PIC減少了系統(tǒng)的元件數(shù)、

4、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，而且減小了系統(tǒng)的功耗、體積、重量和成本，這使得PIC馬上受到大家廣泛關(guān)注，隨后的幾十年中都一直是功率電子學(xué)界的研究熱點(diǎn)。但由于當(dāng)時(shí)的功率器件主要為雙極型晶體管、GTO等，功率器件所需的驅(qū)動(dòng)電流大，驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路復(fù)雜，在七十年代PIC的研究并未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。上世紀(jì)八十年代，功率MOSFET,IGBT等具有MOS柵控制、高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功耗、容易保護(hù)等特點(diǎn)的新型MOS類(lèi)功率器件出現(xiàn)，這使得驅(qū)動(dòng)電路大為簡(jiǎn)化，迅速帶動(dòng)了PIC的發(fā)展，但復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和昂貴的工藝成本仍舊限制了PIC的應(yīng)用。進(jìn)入九十年代后，PIC的設(shè)計(jì)與工藝水平不斷提高，性能價(jià)格比也隨

5、之上升，PIC逐步進(jìn)入了實(shí)用階段。我國(guó)是全球最大的消費(fèi)類(lèi)電子商品市場(chǎng)和生產(chǎn)基地，隨著功率集成電路的發(fā)展，功率集成電路已被廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、工業(yè)控制、汽車(chē)電子、日常照明和家用電器等方面。自1981年美國(guó)試制出第一個(gè)PIC以來(lái)，PIC技術(shù)獲得了快速發(fā)展。今后，PIC必將朝著高壓化、智能化的方向更快發(fā)展并進(jìn)入普遍實(shí)用階段。3 功率集成電路分類(lèi)習(xí)慣上將功率集成電路分為高壓功率集成電路(HVIC)，智能功率集成電路(SPIC)和智能功率模塊(IPM)。HVIC是多個(gè)高壓器件與低壓模擬器件或邏輯電路在單片上的集成，由于它的功率器件是橫向的、電流容量較小，而控制電路的電流密度較大，故常用于小型電

6、機(jī)驅(qū)動(dòng)、平板顯示驅(qū)動(dòng)及長(zhǎng)途電話通信電路等高電壓、小電流場(chǎng)合。SPIC是由一個(gè)或幾個(gè)縱型結(jié)構(gòu)的功率器件與控制和保護(hù)電路集成而成，電流容量大而耐壓能力差，適合作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、汽車(chē)功率開(kāi)關(guān)及調(diào)壓器等。近年來(lái)隨著PIC的不斷發(fā)展，智能功率集成電路(SPIC)和高壓集成電路(HVIC)在工作電壓和器件結(jié)構(gòu)上(縱向或橫向)都很難區(qū)分，因此習(xí)慣于把它們統(tǒng)稱(chēng)為功率集成電路。IPM除了集成功率器件和驅(qū)動(dòng)電路以外，還集成了過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等故障監(jiān)測(cè)電路，并可將監(jiān)測(cè)信號(hào)傳送至CPU,以保證IPM自身在任何情況下不受損壞。當(dāng)前，IPM中的功率器件一般由IGBT充電。由于IPM體積小、可靠性高、使用方便，故深受用戶(hù)喜愛(ài)。

7、IPM主要用于交流電機(jī)控制、家用電器等。功率集成電路從工藝結(jié)構(gòu)上來(lái)分，可以分為半導(dǎo)體單片集成和混合集成兩大類(lèi)。單片半導(dǎo)體集成電路是把所有的元器件都制作在同一塊半導(dǎo)體芯片上。混合集成電路則是厚膜、薄膜和半導(dǎo)體集成工藝的聯(lián)合制品。早期由于混合集成的靈活性較大，因而混合功率集成電路占主導(dǎo)地位。70年代以后，單片半導(dǎo)體集成日臻完善，中低功率集成電路都采用單片集成，有些大功率的集成電路仍然采用混合集成電路。功率集成放大器是功率集成電路中的主流產(chǎn)品，它是信號(hào)處理與功率驅(qū)動(dòng)電路的集成，目前國(guó)內(nèi)功率集成運(yùn)放主要以混合集成工藝為主，單片功率集成運(yùn)放設(shè)計(jì)這一領(lǐng)域，產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜，可靠性要求高、價(jià)格昂貴。按照應(yīng)用的電

8、壓和電流的不同，功率集成電路可以作如圖1所示的分類(lèi)。fFih-volujemsWFdriverPDPdriverdjierMiddlevallatejfcjLiturddvcTMiinMiiotorJrivtrITinterdriver(I州m3KiVoltaici：VIFl喚匕吧呼stcnlJumpdriiicTLEDdriver'Dlifh-voltigcAC-DCI60012忡圖1功率集成電路的應(yīng)用4 功率集成電路中的主要問(wèn)題集成功率電路領(lǐng)域主要研究的問(wèn)題包括集成功率應(yīng)用、集成功率技術(shù)和集成功率器件5三個(gè)方面。集成功率應(yīng)用是指在特定的背景或應(yīng)用環(huán)境下對(duì)功率集成電路的一些改進(jìn)。功率

9、集成電路的應(yīng)用中包括電路結(jié)構(gòu)細(xì)化，改進(jìn)工藝或優(yōu)化器件性能，以及采用新技術(shù)開(kāi)發(fā)新器件、新結(jié)構(gòu)等6；功率集成技術(shù)是指用于制備功率集成電路的制造技術(shù)。功率集成技術(shù)要實(shí)現(xiàn)高壓器件和低壓器件的工藝兼容，尤其要選擇合適的隔離技術(shù)，為控制制造成本，還必須考慮工藝層次的復(fù)用性。隨著電子系統(tǒng)應(yīng)用需求的發(fā)展，要求集成更多的低壓邏輯電路和存儲(chǔ)模塊，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的智能控制；作為強(qiáng)弱電橋梁的功率集成電路還必須實(shí)現(xiàn)低功耗和高效率;惡劣的應(yīng)用環(huán)境要求其具有良好的性能和可靠性。因此，功率集成技術(shù)需要在有限的芯片面積上實(shí)現(xiàn)高低壓兼容、高性能、高效率與高可靠性7；集成功率器件是指用于高壓IC或者智能功率IC中的高壓LDM0S，它是各

10、種LED驅(qū)動(dòng)器、開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器、電池IC、音頻放大器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、各種顯示驅(qū)動(dòng)器中重要的開(kāi)關(guān)器件，高壓集成研究重點(diǎn)在于保證工藝與低壓集成電路兼容的同時(shí)，優(yōu)化、提高高壓器件性能8。電子行業(yè)的飛速進(jìn)步對(duì)功率電子學(xué)中的功率集成提出了越來(lái)越高的要求，圖2概括了功率集成電路領(lǐng)域需要考慮的主要問(wèn)題，包括電路類(lèi)型、器件類(lèi)型、隔離技術(shù)和兼容技術(shù)。近些年學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的功率集成領(lǐng)域的研究主要包括新型單片集成電路拓?fù)浠蚣夹g(shù)方案的提出、集成功率器件優(yōu)化或集成工藝技術(shù)平臺(tái)改進(jìn)等方面內(nèi)容9。PICTechnology圖2功率集成電路中的主要技術(shù)5 功率集成電路發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)際功率半導(dǎo)體器件與功率集成電路會(huì)議(ISPSD：Int

11、ernationalSymposiumonPowerSemiconductorDevicesandICs)是美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)主辦的不帶地區(qū)色彩的國(guó)際性學(xué)術(shù)會(huì)議。會(huì)議自1988年舉行第一屆起至今已經(jīng)舉辦了28屆。ISPSD會(huì)議是國(guó)際上功率半導(dǎo)體器件與功率集成電路專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域最權(quán)威、最大型的國(guó)際會(huì)議。ISPSD會(huì)議論文代表了國(guó)際上專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域最頂尖水平。下文參考2015年ISPSD會(huì)議論文介紹功率集成電路的發(fā)展現(xiàn)狀。5.1新型單片集成電路拓?fù)浠蚣夹g(shù)方案HVIC(Highvoltagehalf-bridgegatedriverintegratedcircuits)高電壓的半橋門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)集成電路，由于具

12、有高可靠性、面積小、高效率廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，但由于HVIC的寄生效應(yīng)及應(yīng)用環(huán)境的影響，需要具有高噪聲容限的門(mén)驅(qū)動(dòng)電路。負(fù)的Vs和dVS/dt噪聲是HVIC電路中的兩個(gè)重要因素。很多解決方案中消除了dVS/dt噪聲，但同時(shí)也削弱了負(fù)Vs噪聲容限。論文1(提出一種用于HVIC的電容負(fù)載電平移位電路(CLLS)，該電路具有以下特性：一、dVS/dt噪聲容限提高到85V/ns；二、可容忍的最大負(fù)Vs達(dá)到-12V；三、電路可采用0.5微米的600VBCD工藝制造，未增加電路復(fù)雜度和芯片尺寸。HVIC因具有開(kāi)關(guān)速度快、面積小、低功耗等特性而被廣泛應(yīng)用于IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng),如馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、LED照明等均

13、采用了HVIC電路作為驅(qū)動(dòng)。傳統(tǒng)的HVIC電路基于PN結(jié)隔離(JI：junctionisolation)和自隔離工藝(SI：self-isolation)制作，會(huì)產(chǎn)生負(fù)浪涌電流，這種浪涌電流會(huì)對(duì)門(mén)驅(qū)動(dòng)電路造成破壞或故障。論文11提出了一種抗高負(fù)浪涌的高壓集成電路方案。該電路仍基于PN結(jié)隔離和自隔離工藝，具有很好的抗負(fù)浪涌能力。該技術(shù)的基本思想是通過(guò)一個(gè)與地隔離的襯底來(lái)阻塞浪涌電流。基于這種思想，制造出了1200V的HVIC電路。這種新結(jié)構(gòu)的HVIC電路的抗負(fù)浪涌能力較傳統(tǒng)電路提高了十倍。5.2集成工藝技術(shù)平臺(tái)改進(jìn)在20世紀(jì)80年代中期以前,功率集成電路是由雙極工藝制造而成，主要應(yīng)用領(lǐng)域是音頻放

14、大和電機(jī)控制，但隨著對(duì)邏輯控制部分功能要求的不斷提高，功耗和面積越來(lái)越大。對(duì)雙極工藝來(lái)說(shuō)，工藝線寬減小所帶來(lái)的芯片面積的縮小非常有限。而CMOS器件具有非常低的功耗，并且隨著工藝線寬的減小，芯片面積可以按比例減小，因此邏輯部分用CMOS電路來(lái)替代雙極型電路成為必然，另外DMOS功率器件可以提供大功率且不需要直流驅(qū)動(dòng)，在高速開(kāi)關(guān)應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。因此，BCD(bipolar-CMOS-DMOS)集成技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生，顧名思義，BCD集成工藝就是將雙極晶體管，低壓CMOS器件，高壓DMOS器件及電阻、電容等無(wú)源器件在同一工藝平臺(tái)上集成的技術(shù)。BCD工藝可以充分利用集成的三種有源器件的優(yōu)點(diǎn)：雙極器件的

15、低噪聲、高精度和大電流密度等；CMOS器件的高集成度、方便的邏輯控制和低功耗等；DMOS器件的快開(kāi)關(guān)速度、高輸入阻抗和良好的熱穩(wěn)定性等。這些優(yōu)點(diǎn)使BCD工藝具有非常廣泛的應(yīng)用，如DC-DC轉(zhuǎn)換等電源管理LCD驅(qū)動(dòng)，LED驅(qū)動(dòng)，PDP顯示驅(qū)動(dòng)及全/半橋驅(qū)動(dòng)等。根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用電壓的不同，可以將基于BCD工藝的功率集成電路分為三類(lèi)：100V以下,100-300V及300V以上。如圖1所示，100V以下的產(chǎn)品種類(lèi)最多，應(yīng)用最廣泛，包括DC-DC轉(zhuǎn)換，LCD顯示驅(qū)動(dòng)，背光LED顯示驅(qū)動(dòng)等；100-300V的產(chǎn)品主要是100-200V的PDP顯示驅(qū)動(dòng)及200V電機(jī)驅(qū)動(dòng)等；300V以上的產(chǎn)品主要是半橋/全橋驅(qū)

16、動(dòng)、AC-DC電源轉(zhuǎn)換、高壓照明LED驅(qū)動(dòng)等。基于BCD工藝的功率集成電路經(jīng)歷了幾代的發(fā)展，以100V電壓以下BCD功率集成技術(shù)為例，從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始至今共經(jīng)歷了六代的發(fā)展。第一代BCD集成技術(shù)基于Bipolar工藝，線寬4um；第二代BCD集成技術(shù)集成了EPROM/EEPROM，線寬1.2um；第五代BCD集成技術(shù)線寬0.18um,開(kāi)始進(jìn)入深亞微米極大提高集成度；第六代BCD集成技術(shù)線寬0.13um，當(dāng)前最先進(jìn)的BCD工藝。圖3所示的是全球各大Fab關(guān)于BCD工藝的發(fā)展趨勢(shì)圖，從圖中看出，100V以下的BCD工藝應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛，因此也是各大Fab的發(fā)展重點(diǎn)，朝著更小線寬、更低功耗、更智

17、能化的趨勢(shì)發(fā)展，100V以上的BCD工藝則根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，不斷優(yōu)化發(fā)展，低損耗和高可靠是其追求的目標(biāo)。UjD£：Di4_5¥IF.15MJJIMTDSTiCWOVfcDpjnDCllBCD-jMuraDOZi:犧:rm莊UAvoidikE3JIJ許1pmQCD1SCK3MJV丿11pnBCDTCliV丄口匸口Kfl2inV|OJKae匱D2I胡3車(chē)展兒|'*fLIMjetuL丿厲+LCJio.ECDTHif2£-¥IJ/jyjMhSOSLIV.JibJpmBCD1wicuMrv/nrrvjm3J34-dW¥/Y»-l4

18、IV<1JKuiuBLUieFi1神冊(cè)JdLlljEinRQ口1.J2WUJJjjuOCDffcjils»>vHE鮎WSIWraV圖3BCD功率集成技術(shù)的發(fā)展路線圖2014年的ISPSD會(huì)議中，論文12在0.18微米節(jié)點(diǎn)，采用一種新的SOIBCD技術(shù)，基于1.8V和5.0V的CMOS核，實(shí)現(xiàn)了40V/60V的N/PchMOS，40VNMOS達(dá)到了25mQmm2RonA/57VBVdss,且工藝穩(wěn)定。還實(shí)現(xiàn)了耗盡型NMOS、低壓高壓二極管，5v穩(wěn)壓管，高增益BJT，高匹配電阻電容以及頂層厚銅金屬化互連，嵌入式存儲(chǔ)器的集成。論文工作在X-FABXT018工藝線上完成，為與現(xiàn)有

19、的汽車(chē)電子應(yīng)用兼容，采用相同的材料和深槽氧化隔離技術(shù)。為與原來(lái)的工藝隔離開(kāi)，額外加一層掩膜進(jìn)行離子注入，采用模塊化的工藝過(guò)程。橫向高壓器件如LDMOSFET、LIGBT由于其與CMOS工藝兼容、接地襯底、體積小而廣泛用于LED照明、手機(jī)充電器等低功耗的應(yīng)用中。HV器件的量產(chǎn)需要控制工藝具有良好的均一性，研究表明除了基本的注入劑量、能量等制造工藝的典型參數(shù)外，接觸孔的設(shè)計(jì)對(duì)LIGBT器件性能有較大影響。2014年ISPSD論文13深入研究了HVLIGBT中與接觸刻蝕深度有關(guān)的物理現(xiàn)象，提出了一種可以用于LIGBT量產(chǎn)的技術(shù)。首次證明了金屬接觸的幾何形狀和位置對(duì)LIGBT集電結(jié)的注入效率有較大影響

20、。通過(guò)優(yōu)化接觸孔實(shí)現(xiàn)了800VLIGBT的改進(jìn)設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)增加了15%的產(chǎn)量。5.3集成功率器件優(yōu)化高壓功率MOSFET都存在低比導(dǎo)通電阻和高擊穿電壓的平衡問(wèn)題，與厚SOI技術(shù)相比，采用VLD(variablelateraldoping)技術(shù)的薄SOILDMOS能顯著提高BV，但VLD會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn)(hot-spot：溫度分布不均勻的點(diǎn))。論文14基于VLD技術(shù)，采用積累態(tài)外延門(mén)級(jí)(AEG：accumulation-modeextendedgate)表面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一種高擊穿電壓、超低比導(dǎo)通電阻的薄SOILDMOS。論文提出的新型的AEG-VLDSOILDMOS相比傳統(tǒng)VLDSOILDMOS比導(dǎo)

21、通電阻減小了70%，器件溫度分布更加均勻。該器件結(jié)構(gòu)與單、雙、三RESURF器件相比，能夠更好的平衡擊穿電壓和比導(dǎo)通電阻，性能指標(biāo)更為優(yōu)異。LIGBT常用于三相單片逆變集成電路中，為了降低逆變電路的成本，LIGBT需具有大電流特性。多溝道多發(fā)射極結(jié)構(gòu)(multi-channel、multi-emitter)是提高電流的一種解決方案，但會(huì)減小擊穿電壓。論文15基于厚膜SOI技術(shù)提出了一種具有高電流密度和高抗閂鎖效應(yīng)的新型HVLIGBT。器件結(jié)構(gòu)采用U型溝道，集電極電流密度達(dá)到了240A/cm2，且在電壓VCE為500V時(shí)也沒(méi)有出現(xiàn)閂鎖效應(yīng)。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的LIGBT具有相同擊穿電壓，集電極電流提高

22、了118%，且實(shí)現(xiàn)了擊穿電壓在500V-700V范圍內(nèi)比導(dǎo)通電阻和擊穿電壓有之間的trade-off。6 功率集成電路未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)PIC總的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是工作頻率更高、功率更大、功耗更低和功能更全。目前PIC的主要研究?jī)?nèi)容為:開(kāi)發(fā)高成品率、低成本的工藝和兼容十CMOS的研究，針對(duì)包括多個(gè)大功率器件的單片PIC的研究，能在高溫下工作并具有較好穩(wěn)定性的PIC的研究，大電流高速M(fèi)OS控制并有自保護(hù)功能的橫向功率器件的研究。將多個(gè)高壓大電流功率器件與低壓電路集成在同一芯片上，使之具備系統(tǒng)功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單片式功率系統(tǒng)的集成是PIC努力的目標(biāo)。從功率半導(dǎo)體器件及集成技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)看，更高能效、更高工作頻率和更高器件耐壓的功率半導(dǎo)體器件和更加