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. Il suo aspetto 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, e dell'elevata capacità di flusso di corrente e tensione del DMOS. Tra questi, il DMOS è la chiave per migliorare potenza e integrazione. Con l'ulteriore sviluppo della tecnologia dei circuiti integrati, il processo BCD è diventato la tecnologia di produzione principale per i PMIC.

Diagramma trasversale del processo BCD, rete sorgente, grazie

Vantaggi del processo BCD

Il processo BCD consente di integrare contemporaneamente dispositivi bipolari, dispositivi CMOS e dispositivi di potenza DMOS sullo stesso chip, integrando l'elevata transconduttanza e la forte capacità di pilotaggio del carico dei dispositivi bipolari con l'elevata integrazione e il basso consumo energetico del CMOS, in modo che possano completarsi a vicenda e sfruttare appieno i rispettivi vantaggi; allo stesso tempo, il DMOS può funzionare in modalità switching con un consumo energetico estremamente basso. In breve, il basso consumo energetico, l'elevata efficienza energetica e l'elevata integrazione sono tra i principali vantaggi del BCD. Il processo BCD può ridurre significativamente il consumo energetico, migliorare le prestazioni del sistema e garantire una maggiore affidabilità. Le funzioni dei prodotti elettronici aumentano di giorno in giorno e i requisiti in termini di variazioni di tensione, protezione dei condensatori e prolungamento della durata della batteria stanno diventando sempre più importanti. Le caratteristiche di alta velocità e risparmio energetico del BCD soddisfano i requisiti di processo per 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, tubi MOS ad alta tensione, LDMOS con diverse tensioni di breakdown, diodi NPN/PNP verticali e Schottky, ecc. Alcuni processi integrano anche dispositivi come JFET ed EEPROM, dando origine a un'ampia varietà di dispositivi nel processo BCD. Pertanto, oltre a considerare la compatibilità tra dispositivi ad alta tensione e dispositivi a bassa tensione, processi a doppio clic 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 sfruttare le caratteristiche di polarizzazione inversa della giunzione PN per ottenere l'isolamento, poiché la giunzione PN presenta una resistenza molto elevata in condizioni di polarizzazione inversa.

La tecnologia di autoisolamento consiste essenzialmente nell'isolamento tramite 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 tubo 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 è isolata dalla regione di svuotamento.

L'isolamento dielettrico utilizza mezzi isolanti come l'ossido di silicio per ottenere l'isolamento. Basato sull'isolamento dielettrico e sull'isolamento di giunzione, l'isolamento quasi-dielettrico è stato sviluppato combinando i vantaggi di entrambi. Adottando selettivamente la tecnologia di isolamento sopra descritta, è possibile ottenere la compatibilità sia ad alta che a bassa tensione.

Direzione di sviluppo del processo BCD

Lo sviluppo della tecnologia di processo BCD non segue lo stesso approccio del processo CMOS standard, che ha sempre seguito la legge di Moore, puntando a ridurre la larghezza di linea e a velocizzare i tempi di elaborazione. Il processo BCD si differenzia sostanzialmente e si sviluppa in tre direzioni: alta tensione, alta potenza e alta densità.

1. Direzione BCD ad alta tensione

Il 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, realizzando dispositivi ad alta tensione da 500 a 700 V. Tuttavia, in generale, il BCD è ancora adatto per prodotti con requisiti relativamente elevati per i dispositivi di potenza, in particolare dispositivi BJT o DMOS ad alta corrente, e può essere utilizzato per il controllo di potenza in applicazioni di illuminazione elettronica e 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 piatta la distribuzione del campo elettrico superficiale, migliorando così le caratteristiche di breakdown superficiale, in modo che il breakdown avvenga nel corpo anziché in superficie, aumentando così la tensione di breakdown del dispositivo. Il drogaggio leggero è un altro metodo per aumentare la tensione di breakdown del BCD. Utilizza principalmente il doppio drain diffuso DDD (doppio Drain Doping) e il leggero Drain Doping LDD (leggero Drain Doping). Nella regione di drain del 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 nel contatto tra il drain N- e il substrato di tipo P, aumentando così la tensione di breakdown.

2. Direzione BCD ad alta potenza

L'intervallo di tensione del BCD ad alta potenza è 40-90 V e viene utilizzato principalmente nell'elettronica automobilistica che richiede capacità di pilotaggio ad alta corrente, media tensione e circuiti di controllo semplici. Le sue caratteristiche richieste sono capacità di pilotaggio ad alta corrente, media tensione e un circuito di controllo spesso relativamente semplice.

3. Direzione BCD ad alta densità

BCD ad alta densità, con un intervallo di tensione compreso tra 5 e 50 V, e alcuni dispositivi elettronici per autoveicoli raggiungono i 70 V. È possibile integrare funzioni sempre più complesse e diversificate sullo stesso chip. Il BCD ad alta densità adotta alcune idee di progettazione modulare per consentire la diversificazione del prodotto, ed è utilizzato principalmente nelle applicazioni elettroniche per autoveicoli.

Principali applicazioni del processo BCD

Il processo BCD è ampiamente utilizzato nella gestione dell'alimentazione (controllo di potenza e batteria), nell'azionamento di 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 con la tecnologia SOI è inoltre una caratteristica fondamentale dello sviluppo del processo BCD.

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