Proceso BCD

¿Qué es el proceso BCD?

El proceso BCD es una tecnología de proceso integrado en un solo chip, introducida por primera vez por ST en 1986. Esta tecnología permite crear dispositivos bipolares, CMOS y DMOS en un mismo chip. Su diseño reduce considerablemente el área del chip.

Se puede afirmar que el proceso BCD aprovecha al máximo las ventajas de la capacidad de control bipolar, la alta integración y el bajo consumo de energía del CMOS, y el alto voltaje y la alta capacidad de flujo de corriente del DMOS. Entre ellas, el DMOS es clave para mejorar la potencia y la integración. Con el desarrollo de la tecnología de circuitos integrados, el proceso BCD se ha convertido en la tecnología de fabricación principal de PMIC.

Diagrama de sección transversal del proceso BCD, red fuente, gracias

Ventajas del proceso BCD

El proceso BCD integra dispositivos bipolares, CMOS y de potencia DMOS en un mismo chip. Esto integra la alta transconductancia y la robusta capacidad de carga de los dispositivos bipolares con la alta integración y el bajo consumo de energía del CMOS, lo que permite que se complementen y aprovechen al máximo sus respectivas ventajas. Al mismo tiempo, el DMOS puede funcionar en modo de conmutación con un consumo de energía extremadamente bajo. En resumen, el bajo consumo de energía, la alta eficiencia energética y la alta integración son algunas de las principales ventajas del BCD. El proceso BCD puede reducir significativamente el consumo de energía, mejorar el rendimiento del sistema y ofrecer una mayor confiabilidad. Las funciones de los productos electrónicos aumentan día a día, y los requisitos de cambios de voltaje, protección de condensadores y extensión de la vida útil de la batería son cada vez más importantes. Las características de alta velocidad y ahorro de energía del BCD cumplen con los requisitos de proceso para chips analógicos/de gestión de energía de alto rendimiento.

Tecnologías clave del proceso BCD

Los dispositivos típicos del proceso BCD incluyen CMOS de bajo voltaje, tubos MOS de alto voltaje, LDMOS con diversas tensiones de ruptura, diodos NPN/PNP verticales y Schottky, etc. Algunos procesos también integran dispositivos como JFET y EEPROM, lo que resulta en una gran variedad de dispositivos en el proceso BCD. Por lo tanto, además de considerar la compatibilidad de dispositivos de alto y bajo voltaje, procesos de doble clic y procesos CMOS, etc., en el diseño, también debe considerarse una tecnología de aislamiento adecuada.

En la tecnología de aislamiento BCD, han surgido sucesivamente diversas tecnologías, como el aislamiento de unión, el autoaislamiento y el aislamiento dieléctrico. La tecnología de aislamiento de unión consiste en construir el dispositivo sobre la capa epitaxial tipo N del sustrato tipo P y aprovechar las características de polarización inversa de la unión PN para lograr el aislamiento, ya que esta presenta una resistencia muy alta bajo polarización inversa.

La tecnología de autoaislamiento se basa esencialmente en el aislamiento de la unión PN, que se basa en las características naturales de la unión PN entre las regiones de fuente y drenador del dispositivo y el sustrato para lograr el aislamiento. Cuando el tubo MOS está activado, la región de fuente, la región de drenador y el canal quedan rodeados por la región de agotamiento, lo que crea un aislamiento del sustrato. Cuando está desactivado, la unión PN entre la región de drenador y el sustrato se polariza inversamente, y la región de agotamiento aísla el alto voltaje de la región de fuente.

El aislamiento dieléctrico utiliza medios aislantes como el óxido de silicio. Basándose en el aislamiento dieléctrico y el aislamiento de unión, se ha desarrollado el aislamiento cuasi-dieléctrico combinando las ventajas de ambos. Mediante la adopción selectiva de la tecnología de aislamiento mencionada, se logra la compatibilidad con alta y baja tensión.

Dirección de desarrollo del proceso BCD

El desarrollo de la tecnología del proceso BCD no se asemeja al del proceso CMOS estándar, que siempre ha seguido la ley de Moore para desarrollarse en dirección a un ancho de línea menor y una mayor velocidad. El proceso BCD se diferencia y desarrolla, a grandes rasgos, en tres direcciones: alto voltaje, alta potencia y alta densidad.

1. Dirección BCD de alto voltaje

El BCD de alto voltaje permite fabricar simultáneamente circuitos de control de bajo voltaje y alta confiabilidad, así como circuitos DMOS de ultraalto voltaje en el mismo chip, y permite la producción de dispositivos de alto voltaje de 500-700 V. Sin embargo, en general, el BCD sigue siendo adecuado para productos con requisitos de potencia relativamente altos, especialmente dispositivos BJT o DMOS de alta corriente, y puede utilizarse para el control de potencia en iluminación electrónica y aplicaciones industriales.

La tecnología actual para la fabricación de BCD de alto voltaje es la tecnología RESURF propuesta por Appel et al. en 1979. El dispositivo se fabrica utilizando una capa epitaxial ligeramente dopada para hacer que la distribución del campo eléctrico superficial sea más plana, mejorando así las características de ruptura de la superficie, de modo que la ruptura ocurre en el cuerpo en lugar de la superficie, aumentando así el voltaje de ruptura del dispositivo. El dopaje ligero es otro método para aumentar el voltaje de ruptura del BCD. Utiliza principalmente drenador doble difuso DDD (drenaje de doble dopaje) y drenador ligeramente dopado LDD (drenaje de dopaje ligero). En la región de drenador DMOS, se agrega una región de deriva de tipo N para cambiar el contacto original entre el drenador N+ y el sustrato de tipo P al contacto entre el drenador N- y el sustrato de tipo P, aumentando así el voltaje de ruptura.

2. Dirección BCD de alta potencia

El rango de voltaje del BCD de alta potencia es de 40-90 V y se utiliza principalmente en electrónica automotriz que requiere alta capacidad de conducción de corriente, media tensión y circuitos de control sencillos. Sus características principales son alta capacidad de conducción de corriente, media tensión y un circuito de control relativamente simple.

3. Dirección BCD de alta densidad

BCD de alta densidad, con un rango de voltaje de 5 a 50 V, y algunos componentes electrónicos automotrices alcanzan los 70 V. Se pueden integrar funciones cada vez más complejas y diversas en un mismo chip. El BCD de alta densidad adopta ideas de diseño modular para diversificar sus productos y se utiliza principalmente en aplicaciones de electrónica automotriz.

Principales aplicaciones del proceso BCD

El proceso BCD se utiliza ampliamente en la gestión de energía (control de energía y batería), controladores de pantalla, electrónica automotriz, control industrial, etc. El chip de gestión de energía (PMIC) es uno de los tipos más importantes de chips analógicos. La combinación del proceso BCD y la tecnología SOI es también una característica clave del desarrollo del proceso BCD.

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