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功率集成电路技术进展摘要：本文介绍了功率集成电路的发展历程、研究现状和未来发展趋势。关键字：功率集成、智能功率集成电路、高压功率集成电路、智能功率模块、集成功率技术、集成功率应用1 引 言功率电子系统通常包含三个组成部分:第一部分是信号的采集、输入与放大电路；第二部分是信号处理电路，用来产生功率开关电路的控制信号；第三部分是功率开关电路，用来控制负载工作。将一个完整功率电子系统电路的一部分制造在一个半导体芯片上就形成了功率集成电路(Power IC, PIC) 功率集成电路技术的进展。PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件，也是SoC的核心技术之一。功率集成电路是指将高压功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在同一个芯片上的集成电路，是系统信号处理部分和执行部分的桥梁。具体来说就是，采用一定的工艺，把一个功率电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。广义而言，PIC是控制电路与功率负载之间的接口电路，其最简单的电路包括电平转移和驱动电路，它的作用是将微处理器输出的逻辑信号电平转换成足以驱动负载的驱动信号电平。由于PIC与分立器件构成的功率电路相比具有成本低、可靠性高、体积小、低电磁干扰等一系列优越性，近些年来获得了突飞猛进的发展。2 功率集成电路发展历程电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电子器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了GTR,GTO、功率MOSFET等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，随着社会的不断发展，人们的需要不断上升，电力电子器件的复合化、模块化及功率集成成为一种需要。上世纪七十年代功率集成电路出现 1971国外功率集成电路概况，单芯片集成的PIC减少了系统的元件数、互连数和焊点数，不仅提高了系统的可靠性、稳定性，而且减小了系统的功耗、体积、重量和成本，这使得PIC马上受到大家广泛关注，随后的几十年中都一直是功率电子学界的研究热点。但由于当时的功率器件主要为双极型晶体管、GTO等，功率器件所需的驱动电流大，驱动和保护电路复杂，在七十年代PIC的研究并未取得实质性进展。上世纪八十年代，功率MOSFET, IGBT等具有MOS栅控制、高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等特点的新型MOS类功率器件出现，这使得驱动电路大为简化，迅速带动了PIC的发展，但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本仍旧限制了PIC的应用。进入九十年代后，PIC的设计与工艺水平不断提高，性能价格比也随之上升，PIC逐步进入了实用阶段 2007年硕士论文 功率集成电路的研究与设计。我国是全球最大的消费类电子商品市场和生产基地，随着功率集成电路的发展，功率集成电路已被广泛应用于开关电源、电机驱动、工业控制、汽车电子、日常照明和家用电器等方面。自1981年美国试制出第一个PIC以来，PIC技术获得了快速发展。今后，PIC必将朝着高压化、智能化的方向更快发展并进入普遍实用阶段。3 功率集成电路分类习惯上将功率集成电路分为高压功率集成电路(HVIC),智能功率集成电路(SPIC)和智能功率模块(IPM)。HVIC是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成，由于它的功率器件是横向的、电流容量较小，而控制电路的电流密度较大，故常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。SPIC是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护电路集成而成，电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。近年来随着PIC的不断发展，智能功率集成电路（SPIC)和高压集成电路（HVIC)在工作电压和器件结构上(纵向或横向)都很难区分，因此习惯于把它们统称为功率集成电路。IPM除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身在任何情况下不受损坏。当前，IPM中的功率器件一般由IGBT充电。由于IPM体积小、可靠性高、使用方便，故深受用户喜爱。IPM主要用于交流电机控制、家用电器等。 2004年广西大学 电力电子器件发展概况及应用现状功率集成电路从工艺结构上来分，可以分为半导体单片集成和混合集成两大类。单片半导体集成电路是把所有的元器件都制作在同一块半导体芯片上。混合集成电路则是厚膜、薄膜和半导体集成工艺的联合制品。早期由于混合集成的灵活性较大，因而混合功率集成电路占主导地位。70年代以后，单片半导体集成日臻完善，中低功率集成电路都采用单片集成，有些大功率的集成电路仍然采用混合集成电路。功率集成放大器是功率集成电路中的主流产品，它是信号处理与功率驱动电路的集成，目前国内功率集成运放主要以混合集成工艺为主，单片功率集成运放设计这一领域，产品技术复杂，可靠性要求高、价格昂贵。按照应用的电压和电流的不同，功率集成电路可以作如图1所示的分类。图1功率集成电路的应用4 功率集成电路中的主要问题集成功率电路领域主要研究的问题包括集成功率应用、集成功率技术和集成功率器件 2010年IEEE功率半导体器件及集成电路国际会议综述_胡冬青三个方面。集成功率应用是指在特定的背景或应用环境下对功率集成电路的一些改进。功率集成电路的应用中包括电路结构细化，改进工艺或优化器件性能，以及采用新技术开发新器件、新结构等 2009年IEEE功率半导体器件及功率集成电路国际会议述评_下_；功率集成技术是指用于制备功率集成电路的制造技术。功率集成技术要实现高压器件和低压器件的工艺兼容，尤其要选择合适的隔离技术，为控制制造成本，还必须考虑工艺层次的复用性。随着电子系统应用需求的发展，要求集成更多的低压逻辑电路和存储模块，实现复杂的智能控制；作为强弱电桥梁的功率集成电路还必须实现低功耗和高效率;恶劣的应用环境要求其具有良好的性能和可靠性。因此，功率集成技术需要在有限的芯片面积上实现高低压兼容、高性能、高效率与高可靠性功率半导体器件与功率集成技术的发展现状及展望孙伟锋, 张波, 肖胜安, 苏巍, 成建兵；集成功率器件是指用于高压IC或者智能功率IC中的高压LDMOS，它是各种LED驱动器、开关调节器、电池IC、音频放大器、电机驱动器、各种显示驱动器中重要的开关器件，高压集成研究重点在于保证工艺与低压集成电路兼容的同时，优化、提高高压器件性能 2010年IEEE功率半导体器件及集成电路国际会议综述_胡冬青。电子行业的飞速进步对功率电子学中的功率集成提出了越来越高的要求，图2概括了功率集成电路领域需要考虑的主要问题，包括电路类型、器件类型、隔离技术和兼容技术。近些年学术界和产业界的功率集成领域的研究主要包括新型单片集成电路拓扑或技术方案的提出、集成功率器件优化或集成工艺技术平台改进等方面内容2011年IEEE国际电力电子器件及功率集成电路会议综述。图2 功率集成电路中的主要技术5 功率集成电路发展现状国际功率半导体器件与功率集成电路会议(ISPSD：International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs)是美国电气与电子工程师协会主办的不带地区色彩的国际性学术会议。会议自1988年举行第一届起至今已经举办了28届。ISPSD会议是国际上功率半导体器件与功率集成电路专业领域最权威、最大型的国际会议。ISPSD会议论文代表了国际上专业领域最顶尖水平。下文参考2015年ISPSD会议论文介绍功率集成电路的发展现状。5.1新型单片集成电路拓扑或技术方案HVIC（High voltage half-bridge gate driver integrated circuits）高电压的半桥门级驱动集成电路，由于具有高可靠性、面积小、高效率广泛应用于电机驱动领域，但由于HVIC的寄生效应及应用环境的影响，需要具有高噪声容限的门驱动电路。负的Vs 和 dVS/dt 噪声是HVIC电路中的两个重要因素。很多解决方案中消除了dVS/dt 噪声，但同时也削弱了负Vs噪声容限。论文 A Capacitive-Loaded Level Shift Circuit for Improving the Noise Immunity of High Voltage Gate Drive IC提出一种用于HVIC的电容负载电平移位电路（CLLS），该电路具有以下特性：一、dVS/dt噪声容限提高到85V/ns；二、可容忍的最大负Vs达到-12V；三、电路可采用0.5微米的600V BCD工艺制造，未增加电路复杂度和芯片尺寸。HVIC因具有开关速度快、面积小、低功耗等特性而被广泛应用于IGBT的门极驱动，如马达驱动器、LED照明等均采用了HVIC电路作为驱动。传统的HVIC电路基于PN结隔离（JI：junction isolation）和自隔离工艺（SI：self-isolation）制作，会产生负浪涌电流，这种浪涌电流会对门驱动电路造成破坏或故障。论文 A Breakthrough Concept of HVICs for High Negative Surge Immunity提出了一种抗高负浪涌的高压集成电路方案。该电路仍基于PN结隔离和自隔离工艺，具有很好的抗负浪涌能力。该技术的基本思想是通过一个与地隔离的衬底来阻塞浪涌电流。基于这种思想，制造出了1200V的HVIC电路。这种新结构的HVIC电路的抗负浪涌能力较传统电路提高了十倍。5.2集成工艺技术平台改进在20世纪80年代中期以前,功率集成电路是由双极工艺制造而成，主要应用领域是音频放大和电机控制，但随着对逻辑控制部分功能要求的不断提高，功耗和面积越来越大。对双极工艺来说，工艺线宽减小所带来的芯片面积的缩小非常有限。而CMOS器件具有非常低的功耗，并且随着工艺线宽的减小，芯片面积可以按比例减小，因此逻辑部分用CMOS电路来替代双极型电路成为必然，另外DMOS功率器件可以提供大功率且不需要直流驱动，在高速开关应用中具有优势。因此，BCD(bipolar-CMOS-DMOS)集成技术也就应运而生，顾名思义，BCD集成工艺就是将双极晶体管，低压CMOS器件，高压DMOS器件及电阻、电容等无源器件在同一工艺平台上集成的技术。BCD工艺可以充分利用集成的三种有源器件的优点：双极器件的低噪声、高精度和大电流密度等；CMOS器件的高集成度、方便的逻辑控制和低功耗等；DMOS器件的快开关速度、高输入阻抗和良好的热稳定性等。这些优点使BCD工艺具有非常广泛的应用，如DC-DC转换等电源管理LCD驱动，LED驱动，PDP显示驱动及全/半桥驱动等。根据系统应用电压的不同，可以将基于BCD工艺的功率集成电路分为三类：100V以下,100-300V及300V以上。如图1所示，100V以下的产品种类最多，应用最广泛，包括DC-DC转换，LCD显示驱动，背光LED显示驱动等；100-300V的产品主要是100-200V的PDP显示驱动及200V电机驱动等；300V以上的产品主要是半桥/全桥驱动、AC-DC电源转换、高压照明LED驱动等。基于BCD工艺的功率集成电路经历了几代的发展，以100V电压以下BCD功率集成技术为例，从上世纪八十年代开始至今共经历了六代的发展。第一代BCD 集成技术基于Bipolar 工艺，线宽4m；第二代BCD集成技术集成了EPROM/EEPROM，线宽1.2m；第五代BCD集成技术线宽0.18m，开始进入深亚微米极大提高集成度；第六代BCD 集成技术线宽0.13m，当前最先进的BCD工艺。图3所示的是全球各大Fab关于BCD工艺的发展趋势图，从图中看出，100V以下的BCD工艺应用领域最为广泛，因此也是各大Fab的发展重点，朝着更小线宽、更低功耗、更智能化的趋势发展，100V以上的BCD工艺则根据不同应用领域的需求，不断优化发展，低损耗和高可靠是其追求的目标。图3 BCD功率集成技术的发展路线图2014年的ISPSD会议中，论文 A 0.18m SOI BCD Technology for Automotive Application在0.18微米节点，采用一种新的SOI BCD技术，基于1.8V和5.0V的CMOS核，实现了40V/60V的N/Pch MOS，40VNMOS达到了25mmm2 RonA/57V BVdss，且工艺稳定。还实现了耗尽型NMOS、低压高压二极管，5v稳压管，高增益BJT，高匹配电阻电容以及顶层厚铜金属化互连，嵌入式存储器的集成。论文工作在X-FAB XT018工艺线上完成，为与现有的汽车电子应用兼容，采用相同的材料和深槽氧化隔离技术。为与原来的工艺隔离开，额外加一层掩膜进行离子注入，采用模块化的工艺过程。横向高压器件如LDMOSFET、LIGBT由于其与CMOS工艺兼容、接地衬底、体积小而广泛用于LED照明、手机充电器等低功耗的应用中。HV器件的量产需要控制工艺具有良好的均一性，研究表明除了基本的注入剂量、能量等制造工艺的典型参数外，接触孔的设计对LIGBT器件性能有较大影响。2014年ISPSD论文 The Effect of the Collector Contact Design on the Performance and Yield of 800V Lateral IGBTs for Power Ics深入研究了HV LIGBT中与接触刻蚀深度有关的物理现象，提出了一种可以用于LIGBT量产的技术。首次证明了金属接触的几何形状和位置对LIGBT集电结的注入效率有较大影响。通过优化接触孔实现了800V LIGBT的改进设计，这种结构增加了15%的产量。5.3集成功率器件优化高压功率MOSFET都存在低比导通电阻和高击穿电压的平衡问题，与厚SOI技术相比，采用VLD（variable lateral doping）技术的薄SOI LDMOS能显著提高BV，但VLD会出现热点（hot-spot：温度分布不均匀的点）。论文 Accumulation-Mode High Voltage SOI LDMOS with Ultralow Specific On-Resistance基于VLD技术，采用积累态外延门级(AEG：accumulation-mode extended gate)表面结构，实现了一种高击穿电压、超低比导通电阻的薄SOI LDMOS。论文提出的新型的AEG-VLD SOI LDMOS 相比传统VLD SOI LDMOS比导通电阻减小了70%，器件温度分布更加均匀。该器件结构与单、双、三RESURF器件相比，能够更好的平衡击穿电压和比导通电阻，性能指标更为优异。LIGBT常用于三相单片逆变集成电路中，为了降低逆变电路的成本，LIGBT需具有大电流特性。多沟道多发射极结构（multi-channel 、multi-emitter）是提高电流的一种解决方案，但会减小击穿电压。论文 High Voltage Thick SOI-LIGBT with High Current Density and Latch-Up Immunity基于厚膜SOI技术提出了一种具有高电流密度和高抗闩锁效应的新型HV LIGBT。器件结构采用U型沟道，集电极电流密度达到了240A/cm2，且在电压VCE为500V时也没有出现闩锁效应。该结构与传统的LIGBT具有相同击穿电压，集电极电流提高了118%，且实现了击穿电压在500V-700V范围内比导通电阻和击穿电压有之间的trade-off。6 功率集成电路未来发展趋势PIC总的技术发展趋势是工作频率更高、功率更大、功耗更低和功能更全。目前PIC的主要研究内容为:开发高成品率、低成本的工艺和兼容十CMO S的研究，针对包括多个大功率器件的单片PIC的研究，能在高温下工作并具有较好稳定性的PIC的研究，大电流高速MO S控制并有自保护功能的横向功率器件的研究。将多个高压大电流功率器件与低压电路集成在同一芯片上，使之具备系统功能，进而实现单片式功率系统的集成是PIC努力的目标。从功率半导体器件及集成技术的发展趋势看，更高能效、更高工作频率和更高器件耐压的功率半导体器件和更加集成化、更加智能化、更加可靠的功率集成技术的研究是目前功率半导体技术所面临的主要技术难题和研究热点。参考文献