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1、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)1。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
2、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，
3、 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
4、率集成电路出现顷，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
5、 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3。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
6、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
7、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。应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
8、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。LCD drivcidriverHih- vuhuKC DC-IX?Back- 庇M LED dfjvefPDPdrhic-iPriiMcr JrimMiddleinaordriverFJinwcsee nllikrnpdriver栅im 2蛤卫冷 Vokac 15muluf driverLihLiiku,LEDdriver ,1呻voltageAC-DC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
9、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国三个方面。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；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
10、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7；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、提高高压器件性能耳。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
11、、集成功率器件优化或集成工艺技术平台改进等方面内容9。CircuitAnalog CircuitPower irijuitBipolarCHIOSPIN Juiictir由Self IsdlaT.icnDi&lectric TsolationBipolar-CMOS-DMOSCWtK-DMOSCompatibility TechnologyLflterdl DeviceLD 邮/UGH?Vertical DeviceVDMOSCircuitType ( VDev i cesolation Teclui&Lo&y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
12、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 integra
13、ted 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1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
14、、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11 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
15、。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
16、， 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。BCDX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BCDX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
17、 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4p 山；第二代BCD集成技术集成了 EPROM/EEPROM，线宽1.2um ；第五 代BCD集成技术线宽0.18 pm，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0.13pm，当前最先进的BCDX艺。
18、 图3所示的是全球各大Fab关于BCDX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BCDX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。uDCD 1 3VIF.”g DVD 侦心，图3 BCD功率集成技术的发展路线图TP|厂】qiECD 仲xn RCT1fil|un MH).If 前:临 IK |tra 由f印iher U.25 pn BCD 1 IV/23VI HI! BLUiFJixlli DCD 】与0U网WSTI CLlHiiiu DCD
19、nrilZlWMCrtXlYi： .ISn Bf Li . J：K-4CW4SVpLii.MniFscrmn-itiVfki m 5 arMp & i mi 牌FRFD 1 w-mw：l Vi Jjn *俱咛讪：口庠印iHCUI第博伽C-.15 5 BCDI。书 pm HC-D. VWV11 1 m ViLMFKTmN2014年的ISPSD会议中，论文12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 25mQmm2 RonA/57V BVdss，且工艺 稳定。还实现了耗尽型NM
20、OS、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ISPS
21、D论文的深入研究了 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14基于VLD技术，采用积累态外延门级 (A
22、EG： 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(multichannel 、multi-emitter)是提高电流的一种解决方案，但会减小 击穿电压。论文
23、$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
24、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1 功率集成电路技术的进展2 1971国外功率集成电路概况3 2007年硕士论文功率集成电路的研究与设计4 2004年广西大学一电力电子器件发展概况及应用现状5 2010年IEEE功
25、率半导体器件及集成电路国际会议综述_胡冬青6 2009年IEEE功率半导体器件及功率集成电路国际会议述评_下_7 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I成建兵。8 2010年IEEE功率半导体器件及集成电路国际会议综述_胡冬青9 2011年IEEE国际电力电子器件及功率集成电路会议综述10 A Capacitive-Loaded Level Shift Circuit for Improving the Noise Immunity of High Voltage Gate Drive IC11 A Breakthrough Concept of HVICs
26、for High Negative Surge Immunity12 A 0.18m SOI BCD Technology for Automotive Application13 The Effect of the Collector Contact Design on the Performance and Yield of 800V Lateral IGBTs for Power Ics14 Accumulation-Mode High Voltage SOI LDMOS with Ultralow Specific On-Resistance15 High Voltage Thick SOI-LIGBT with High Current Density and Latch-Up Immunity
