吳建淇

摘 要

本文分析了智能功率集成電路的發(fā)展歷程、應(yīng)用狀況和研究現(xiàn)狀，希望能拋磚引玉，對相關(guān)領(lǐng)域的研究有所貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】智能功率集成電路 無刷直流電機 前置驅(qū)動電路 高壓驅(qū)動芯片

1 智能功率集成電路發(fā)展歷程

功率集成電路（Power Integrated Circuit，PIC）最早出現(xiàn)在七十年代后期，是指將通訊接口電路、信號處理電路、控制電路和功率器件等集成在同一芯片中的特殊集成電路。進(jìn)入九十年代后，PIC的設(shè)計與工藝水平不斷提高，性能價格比不斷改進(jìn)，PIC才逐步進(jìn)入了實用階段。按早期的工藝發(fā)展，一般將功率集成電路分為高壓集成電路（High Voltage Integrated Circuit，HVIC）和智能功率集成電路（Smart Power Integrated Circuit，SPIC）兩類，但隨著PIC的不斷發(fā)展，兩者在工作電壓和器件結(jié)構(gòu)上（垂直或橫向）都難以嚴(yán)格區(qū)分，已習(xí)慣于將它們統(tǒng)稱為智能功率集成電路（SPIC）。

2 智能功率集成電路的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 離性價比兼容的CMOS工藝

BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工藝是目前最主要的SPIC制造工藝。它將Bipolar，CMOS和DMOS器件集成在同一個芯片上，整合了Bipolar器件高跨導(dǎo)、強負(fù)載驅(qū)動能力，CMOS器件集成度高、低功耗的優(yōu)點以及DMOS器件高電壓、大電流處理能力的優(yōu)勢，使SPIC芯片具有很好的綜合性能。BCD工藝技術(shù)的另一個優(yōu)點是其發(fā)展不像標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，遵循摩爾定律，追求更小線寬、更快速度。該優(yōu)點決定了SPIC的發(fā)展不受物理極限的限制，使其具有很強的生命力和很長的發(fā)展周期。歸納起來，BCD工藝主要的發(fā)展方向有三個，即高壓BCD工藝、高功率BCD工藝和高密度BCD工藝。

2.2 大電流集成功率器件

隨著工藝和設(shè)計水平的不斷提高，越來越多的新型功率器件成為新的研究熱點。首當(dāng)其沖的就是超結(jié)（SJ，Superjunction）MOS器件。其核心思想就是在器件的漂移區(qū)中引入交替的P/N結(jié)構(gòu)。當(dāng)器件漏極施加反向擊穿電壓時，只要P-型區(qū)與N-型區(qū)的摻雜濃度和尺寸選擇合理，P-型區(qū)與N-型區(qū)的電荷就會相互補償，并且兩者完全耗盡。由于漂移區(qū)被耗盡，漂移區(qū)的場強幾乎恒定，而非有斜率的場強，所以超結(jié)MOS器件的耐壓大大提高。此時漂移區(qū)摻雜濃度不受擊穿電壓的限制，它的大幅度提高可以大大降低器件的導(dǎo)通電阻。由于導(dǎo)通電阻的降低，可以在相同的導(dǎo)通電阻下使芯片的面積大大減小，從而減小輸入柵電容，提高器件的開關(guān)速度。因此，超結(jié)MOS器件的出現(xiàn)，打破了“硅極限”的限制。然而，由于其制造工藝復(fù)雜，且與BCD工藝不兼容，超結(jié)MOS器件目前只在分一立器件上實現(xiàn)了產(chǎn)品化，并未在智能功率集成電路中廣泛使用。

其他新材料器件如砷化嫁（GaAs），碳化硅（SiC）具有禁帶寬度寬、臨界擊穿電場高、飽和速度快等優(yōu)點，但與目前廠泛產(chǎn)業(yè)化的硅基集成電路工藝不兼容，其也未被廣泛應(yīng)用于智能功率集成電路。

2.3 芯片的可靠性

智能功率集成電路通常工作在高溫、高壓、大電流等苛刻的工作環(huán)境下，使得電路與器件的可靠性問題顯得尤為突出。智能功率集成電路主要突出的可靠性問題包括閂鎖失效問題，功率器件的熱載流子效應(yīng)以及電路的ESD防護問題等。

3 智能功率集成電路的應(yīng)用

從20年前第一次被運用于音頻放大器的電壓調(diào)制器至今，智能功率集成電路已經(jīng)被廣泛運用到包括電子照明、電機驅(qū).動、電源管理、工業(yè)控制以及顯示驅(qū)動等等廣泛的領(lǐng)域中。以智能功率集成電路為標(biāo)志的第二次電子革命，促使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與信息、產(chǎn)業(yè)融通，已經(jīng)對人類生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

作為智能功率集成電路的一個重要分支，電機驅(qū)動芯片始終是一項值得研究的課題。電機驅(qū)動芯片是許多產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)之一，全球消費類驅(qū)動市場需要各種各樣的電動機及控制它們的功率電路與器件。電機驅(qū)動功率小至數(shù)瓦，大至百萬瓦，涵蓋咨詢、醫(yī)療、家電、軍事、工業(yè)等眾多場合，世界各國耗用在電機驅(qū)動芯片方面的電量比例占總發(fā)電量的60%-70%。因此，如何降低電機驅(qū)動芯片的功耗，提升驅(qū)動芯片的性能以最大限度的發(fā)揮電機的能力，是電機驅(qū)動芯片未來的發(fā)展趨勢。

4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)各大IC設(shè)計公司和高校在電機驅(qū)動芯片的研究和開發(fā)上處于落后地位。杭州士蘭微電子早期推出了單相全波風(fēng)扇驅(qū)動電路SD1561，帶有霍爾傳感器的無刷直流風(fēng)扇驅(qū)動電路SA276。其他國內(nèi)設(shè)計公司如上海格科微電子，杭州矽力杰、蘇州博創(chuàng)等均致力于LCD，LED，PDP等驅(qū)動芯片的研發(fā)，少有公司在電機驅(qū)動芯片上獲得成功。國內(nèi)高校中，浙江大學(xué)、東南大學(xué)、電子科技大學(xué)以及西安電子科技大學(xué)都對高壓橋式驅(qū)動電路、小功率馬達(dá)驅(qū)動電路展開過研究，但芯片性能相比于國外IC公司仍有很大差距。

而在功率器件的可靠性研究方面，世界上各大半導(dǎo)體公司和高校研究人員已經(jīng)對NLDMOS的熱載流子效應(yīng)進(jìn)行了廣泛的研究。對應(yīng)不同的工作狀態(tài)，有不同的退化機制。直流工作狀態(tài)下，中等柵壓應(yīng)力條件下，退化主要發(fā)生在器件表面的溝道積累區(qū)和靠近源極的鳥嘴區(qū)；高柵壓應(yīng)力條件下，由于Kirk效應(yīng)的存在，退化主要發(fā)生在靠近漏極的側(cè)墻區(qū)以及鳥嘴區(qū)。當(dāng)工作在未鉗位電感性開關(guān)（UIS} Unclamped Inductive Switching）狀態(tài)的時候，會反復(fù)發(fā)生雪崩擊穿。研究表明，NLDMOS的雪崩擊穿退化主要是漏極附近的界面態(tài)增加引起的，且退化的程度與流過漏極的電荷量密切相關(guān)。雪崩擊穿時流過器件的電流越大，引起的退化也越嚴(yán)重。

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作者單位

泉州師范學(xué)院 福建省泉州市 362002