绿色能源的倡导者-《BCD技术》-《芯苑》

在这个万物互连的时代,Power is Everything!所以电子产品厂商们一直在挑战电池的化学特性以及空间缩小的极限来放更大的容量,然而我们半导体人的贡献就在于给电源配一个电源管家(PMIC: Power Management IC),来给各个components提供电源,然而这些电源管家自己也需要消耗电源(Conduction loss and Switch loss),所以PMIC芯片就是要降低这些自身消耗的能量,当然这些说起来容易做起来难(It's easier said than done)。

先来讲讲什么叫电源管理芯片(PMIC: Power Management IC),它是介于主芯片(如AP、Baseband等)与电源之间的芯片,主要用于给主芯片提供稳定的电源,也叫作Voltage Regulator,它的主要作用是不管外界电压变化、电流变化,甚至温度变化多么恶劣,他都需要持续稳定的输出一个指定电压(constant voltage)给主芯片工作,当然主芯片的工作电压都不一样,有些比电源电压高,有些比电源电压低,所以这些PMIC芯片需要根据需要实现升压(Step-up)或者降压(Step-down)。当然PMIC芯片除了给主芯片供电外,他还有承担的责任是电流控制(限流)、端口保护、充电保护等等,以防止损坏主芯片或者避免火灾等。

PowerIC要处理的信号很多,主要分为模拟信号处理、数字信号处理、以及高压处理,而这三个部分如果要做到精准度必须分别依赖BJT、CMOS、和LDMOS,所以需要一种process把这三者集成在一起,于是就诞生了BCD工艺(Bipolar+CMOS+DMOS),广义上讲,BCD也是一种SOC (System on Chip)。当然你也可以单独做BJT、CMOS和DMOS,然后把它们组合在一起实现各自功能,但是这样会让面积变大并且增加了BOM (Bill-of-Material) cost。但是合起来一起做挑战的就是FAB了,传统的Technology要么做CMOS、要么做BJT、要么做DMOS,这本来就是三种technology,各自都有其制程特殊性,现在要三合一成一种technology,其复杂度自然就是三倍了,这就是为什么FAB的BCD technology很难develop或者很难sustain了,这也是为什么BCD的technology总是最后一个shrink的原因,目前最cutting-edge的node也只有0.13um,而主流的mobile PMIC还是在0.18um。("BCD - The Most Interesting Process Technology You Haven't Heard Of")

绿色能源的倡导者-《BCD技术》-《芯苑》

从Marketing和Demand来讲,最近这几年PMIC非常火热的驱动力主要来自Smartphones、Tablet等消费类(2015年有10亿只Smartphone和一个亿的tablet)。每个手机的components都需要一个PMIC,比如AP处理器,Baseband处理器,Display Driver,Charger等等,所以可想而知PMIC的市场该有多大?根据IHS Research预计,2016年PMIC的shipping量(包括Converter, Controller, Voltage regulator, Battery management等)大约是35billion USD,到2019年会上升到40billion USD,主要的region依然是中国和美国。而Technavio's market research预估到2020年全世界BCD技术的年复合增长率会达到7%以上。

绿色能源的倡导者-《BCD技术》-《芯苑》

从厂商来讲,BCD技术主要起源于1980年代,但是由于制程过于复杂(niche technologies),所以这种技术早期只有IDMs(Integrated-Device-Manufacturer)可以提供,比如主流的TI、ST、Infineon,还有其他如Renesas, NXP, Mitsubishi, Maxim Integrated, and ON Semiconductor等,随着Foundry技术能力的提升,主要的Vendor有TSMC和GF,还有Allegro MicroSystems、Jazz Semiconductor、Magnachip、Tower Jazz以及United Microelectronics。

好了,扯了一大堆没用的,还是来点技术干货吧!

我们知道在Power Management的前身是Power IC,所以重点在于“Management”。早期的Power IC功能比较单一,只能实现控制、转换功能(比如AC-DC, DC-DC等),而到了Power Management IC时代,则需要增加Multi-channel DC-DC或LDO,而且增加DSP以及eNVM等功能,所以更进一步变成smart power。

先讲讲BCD里面的BJT吧,它主要用来做Analog处理,记住不是power哦,power是靠DMOS的。为什么要用BJT呢?主要是利用它的精准的Bandgap Vref。记得以前拉扎维的模电教材有一个经典的叫做带隙基准,其实他就是Bandgap。它主要的原理就是可以实现一个与温度无关的电压(NPN的Vbe是负温度系数,而BJT的等效热电压Vt=kT/e是正温度系数,这样就可以相互抵消从而实现温度无关的基准电压),用这个电压作为模拟电路的参考电压来提高精准度。所以一般BCD里面Bipolar特别key的是NPN管。但是有一点要记住,如果BJT的Hfe太小则表示Ib比较大,那么Vbe的温度系数会发生变化,所以这个基准电压也会发生变化的。

绿色能源的倡导者-《BCD技术》-《芯苑》

其次是CMOS,主要是做数字信号处理,就是一般的Logic部分,当然也有一部分CMOS可以用来做Analog信号处理,那么它和digital就不一样了,主要的concern是Noise。而这个Noise一般来自于两个,一个是相邻周边器件或导线电荷干扰,另一种则是来自于器件本身的Flicker噪声,而前者只能靠隔离(Trench or Deep-Well)后者需要Trap或Gettering来实现。现在主流的Sensor有很多微弱的信号处理都是需要CMOS的Analog应用,所以low-noise将会是重要的指标之一。比较经典的CMOS在analog应用就是差分放大器和镜像电流源,这里我也不懂就不细说了。

当然CMOS除了Analog应用之外,还有就是RF的应用。

绿色能源的倡导者-《BCD技术》-《芯苑》最后是DMOS,当然DMOS包含VDMOS和LDMOS,而BCD里面用到的肯定是LDMOS,因为他要与CMOS集成就无法在背面引电极了。这也是BCD能够处理Power的核心,而对他的要求我前面的文章也有讲解主要就是BV和Rdson,既能抗压也能减小conduction loss和Switch loss。而conduction loss主要来自导通电阻Rdson,而switch loss主要来自于Gate Capacitance (Qg)与Rdson的乘积。当Vg加在Gate上准备开启的时候,因为Gate与Drain、Source之间总会有电容的,而这个电容需要充电时间然后才能通过耦合开启器件,而这个充电时间就是RC-delay咯,所以如果要减小Switch Loss就必须减小栅极电阻以及降低Gate与Source/Drain的电容。一般情况下在一个Power模块中,High-side比较care的是Qg,而Low side一般care的是Ron。

 

BCD技术的挑战是什么?

1、温度:传统的Logic和analog我们认为几十度(85C)应该足够了,但是BCD因为有了DMOS它的温度一下子就上去了,所以它的reliability评估必须cover高温特性,比如125C~150C。

2、封装:传统的封装都是wire bond或者gold bond,需要基板和molding compound,但是这种封装方式最大的问题就是散热差,你想想你给BCD的芯片裹了那么多层被子,还不得捂死它啊?所以到了BCD时代必须采用CSP(Chip-Scale-Package)封装,这种封装方式的尺寸基本和Die Size相当,后来发展到Wafer-Level CSP,再后来到RDL+Flip Chip封装。(后面再专题学习封装吧~)

BCD技术的发展前景一定是以SOI+BCD为主流,主打低功耗低漏电不管是在switch还是在功率放大领域。

请尊重版主,严禁转载!