processo BCD

Che cos'è il processo BCD?

Il processo BCD è una tecnologia di processo integrata su singolo chip introdotta per la prima volta da ST nel 1986. Questa tecnologia consente di realizzare dispositivi bipolari, CMOS e DMOS sullo stesso chip. La sua implementazione riduce notevolmente l'area del chip.

Si può affermare che il processo BCD sfrutta appieno i vantaggi della capacità di pilotaggio bipolare, dell'elevata integrazione e del basso consumo energetico del CMOS, nonché dell'alta tensione e dell'elevata capacità di flusso di corrente del DMOS. Tra questi, il DMOS è la chiave per migliorare la potenza e l'integrazione. Con l'ulteriore sviluppo della tecnologia dei circuiti integrati, il processo BCD è diventato la tecnologia di produzione principale per i PMIC.

Diagramma di sezione trasversale del processo BCD, rete di origine, grazie

Vantaggi del processo BCD

Il processo BCD permette di integrare contemporaneamente dispositivi bipolari, dispositivi CMOS e dispositivi di potenza DMOS sullo stesso chip, combinando l'elevata transconduttanza e la forte capacità di pilotaggio dei dispositivi bipolari con l'elevata integrazione e il basso consumo energetico dei CMOS, in modo che si completino a vicenda e sfruttino appieno i rispettivi vantaggi. Allo stesso tempo, i DMOS possono operare in modalità switching con un consumo energetico estremamente ridotto. In sintesi, basso consumo energetico, elevata efficienza energetica e alta integrazione sono tra i principali vantaggi del processo BCD. Il processo BCD può ridurre significativamente il consumo energetico, migliorare le prestazioni del sistema e garantire una maggiore affidabilità. Le funzionalità dei prodotti elettronici sono in costante aumento e i requisiti relativi alle variazioni di tensione, alla protezione dei condensatori e all'estensione della durata della batteria diventano sempre più importanti. Le caratteristiche di alta velocità e risparmio energetico del BCD soddisfano i requisiti di processo per i chip analogici/di gestione dell'alimentazione ad alte prestazioni.

Tecnologie chiave del processo BCD

I dispositivi tipici del processo BCD includono CMOS a bassa tensione, transistor MOS ad alta tensione, LDMOS con varie tensioni di rottura, diodi NPN/PNP verticali e diodi Schottky, ecc. Alcuni processi integrano anche dispositivi come JFET ed EEPROM, con conseguente ampia varietà di dispositivi nel processo BCD. Pertanto, oltre a considerare la compatibilità tra dispositivi ad alta e bassa tensione, processi double-click e processi CMOS, ecc., nella progettazione è necessario considerare anche un'adeguata tecnologia di isolamento.

Nella tecnologia di isolamento BCD, sono emerse, una dopo l'altra, numerose tecnologie come l'isolamento a giunzione, l'autoisolamento e l'isolamento dielettrico. La tecnologia di isolamento a giunzione consiste nel realizzare il dispositivo sullo strato epitassiale di tipo N del substrato di tipo P e nell'utilizzare le caratteristiche di polarizzazione inversa della giunzione PN per ottenere l'isolamento, poiché la giunzione PN presenta una resistenza molto elevata in polarizzazione inversa.

La tecnologia di autoisolamento si basa essenzialmente sull'isolamento della giunzione PN, che sfrutta le caratteristiche naturali della giunzione PN tra le regioni di source e drain del dispositivo e il substrato per ottenere l'isolamento. Quando il transistor MOS è acceso, la regione di source, la regione di drain e il canale sono circondati dalla regione di svuotamento, creando un isolamento dal substrato. Quando è spento, la giunzione PN tra la regione di drain e il substrato è polarizzata inversamente e l'alta tensione della regione di source viene isolata dalla regione di svuotamento.

L'isolamento dielettrico utilizza materiali isolanti come l'ossido di silicio per ottenere l'isolamento. Basandosi sull'isolamento dielettrico e sull'isolamento a giunzione, è stato sviluppato l'isolamento quasi-dielettrico, combinando i vantaggi di entrambi. Adottando selettivamente la suddetta tecnologia di isolamento, è possibile ottenere la compatibilità tra alta e bassa tensione.

Direzione di sviluppo del processo BCD

Lo sviluppo della tecnologia di processo BCD non è come quello del processo CMOS standard, che ha sempre seguito la legge di Moore evolvendosi nella direzione di linee più piccole e velocità più elevate. Il processo BCD si differenzia e si sviluppa principalmente in tre direzioni: alta tensione, alta potenza e alta densità.

1. Direzione BCD ad alta tensione

La tecnologia BCD ad alta tensione consente di realizzare contemporaneamente circuiti di controllo a bassa tensione ad alta affidabilità e circuiti DMOS ad altissima tensione sullo stesso chip, permettendo la produzione di dispositivi ad alta tensione da 500 a 700 V. Tuttavia, in generale, la tecnologia BCD è ancora adatta a prodotti con requisiti relativamente elevati per i dispositivi di potenza, in particolare BJT o dispositivi DMOS ad alta corrente, e può essere utilizzata per il controllo di potenza nell'illuminazione elettronica e in applicazioni industriali.

L'attuale tecnologia per la produzione di BCD ad alta tensione è la tecnologia RESURF proposta da Appel et al. nel 1979. Il dispositivo è realizzato utilizzando uno strato epitassiale leggermente drogato per rendere più uniforme la distribuzione del campo elettrico superficiale, migliorando così le caratteristiche di rottura superficiale, in modo che la rottura avvenga nel corpo anziché sulla superficie, aumentando di conseguenza la tensione di rottura del dispositivo. Il drogaggio leggero è un altro metodo per aumentare la tensione di rottura del BCD. Utilizza principalmente il drain a doppia diffusione DDD (double Doping Drain) e il drain a drogaggio leggero LDD (lightly Doping Drain). Nella regione di drain DMOS, viene aggiunta una regione di drift di tipo N per modificare il contatto originale tra il drain N+ e il substrato di tipo P in un contatto tra il drain N- e il substrato di tipo P, aumentando così la tensione di rottura.

2. Direzione BCD ad alta potenza

Il range di tensione dei BCD ad alta potenza è compreso tra 40 e 90 V e vengono utilizzati principalmente nell'elettronica automobilistica, che richiede un'elevata capacità di pilotaggio di corrente, una tensione media e circuiti di controllo semplici. Le sue caratteristiche principali sono l'elevata capacità di pilotaggio di corrente, la tensione media e la relativa semplicità del circuito di controllo.

3. Direzione BCD ad alta densità

I BCD ad alta densità hanno un intervallo di tensione da 5 a 50 V, e alcune applicazioni di elettronica automobilistica possono raggiungere i 70 V. Funzioni sempre più complesse e diversificate possono essere integrate sullo stesso chip. I BCD ad alta densità adottano alcune idee di progettazione modulare per ottenere la diversificazione del prodotto e sono utilizzati principalmente in applicazioni di elettronica automobilistica.

Principali applicazioni del processo BCD

Il processo BCD è ampiamente utilizzato nella gestione dell'alimentazione (controllo di potenza e batterie), nei driver per display, nell'elettronica automobilistica, nel controllo industriale, ecc. Il chip di gestione dell'alimentazione (PMIC) è una delle tipologie più importanti di chip analogici. La combinazione del processo BCD e della tecnologia SOI è anche una caratteristica fondamentale dello sviluppo del processo BCD.

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