Processo BCD

O que é o processo BCD?

O processo BCD é uma tecnologia de processo integrado de chip único, introduzida pela ST em 1986. Essa tecnologia permite a fabricação de dispositivos bipolares, CMOS e DMOS no mesmo chip. Sua estrutura reduz significativamente a área do chip.

Pode-se afirmar que o processo BCD aproveita ao máximo as vantagens da capacidade de acionamento bipolar, da alta integração e baixo consumo de energia do CMOS e da alta tensão e alta capacidade de fluxo de corrente do DMOS. Dentre elas, o DMOS é fundamental para aprimorar a potência e a integração. Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de circuitos integrados, o processo BCD tornou-se a principal tecnologia de fabricação de PMICs.

Diagrama transversal do processo BCD, rede de origem, obrigado.

Vantagens do processo BCD

O processo BCD permite a integração simultânea de dispositivos bipolares, CMOS e de potência DMOS no mesmo chip, combinando a alta transcondutância e a forte capacidade de condução de carga dos dispositivos bipolares com a alta integração e o baixo consumo de energia dos CMOS. Dessa forma, eles se complementam e exploram ao máximo as vantagens de cada um. Ao mesmo tempo, o DMOS pode operar em modo de comutação com consumo de energia extremamente baixo. Em resumo, baixo consumo de energia, alta eficiência energética e alta integração são algumas das principais vantagens do BCD. O processo BCD pode reduzir significativamente o consumo de energia, melhorar o desempenho do sistema e aumentar a confiabilidade. As funções dos produtos eletrônicos aumentam a cada dia, e os requisitos para variações de tensão, proteção de capacitores e prolongamento da vida útil da bateria tornam-se cada vez mais importantes. As características de alta velocidade e economia de energia do BCD atendem aos requisitos de processo para chips analógicos/de gerenciamento de energia de alto desempenho.

Tecnologias-chave do processo BCD

Os dispositivos típicos do processo BCD incluem CMOS de baixa tensão, transistores MOS de alta tensão, LDMOS com diversas tensões de ruptura, diodos NPN/PNP verticais e diodos Schottky, etc. Alguns processos também integram dispositivos como JFET e EEPROM, resultando em uma grande variedade de dispositivos no processo BCD. Portanto, além de considerar a compatibilidade entre dispositivos de alta e baixa tensão, processos de dupla camada e processos CMOS, etc., no projeto, também é necessário considerar uma tecnologia de isolamento adequada.

Na tecnologia de isolamento BCD, muitas tecnologias, como isolamento por junção, autoisolamento e isolamento dielétrico, surgiram sucessivamente. A tecnologia de isolamento por junção consiste em fabricar o dispositivo na camada epitaxial do tipo N sobre um substrato do tipo P e utilizar as características de polarização reversa da junção PN para obter o isolamento, visto que a junção PN apresenta uma resistência muito alta sob polarização reversa.

A tecnologia de autoisolamento é essencialmente um isolamento por junção PN, que se baseia nas características naturais da junção PN entre as regiões de fonte e dreno do dispositivo e o substrato para alcançar o isolamento. Quando o transistor MOS é ligado, a região de fonte, a região de dreno e o canal são circundados pela região de depleção, formando um isolamento do substrato. Quando é desligado, a junção PN entre a região de dreno e o substrato é polarizada reversamente, e a alta tensão da região de fonte é isolada pela região de depleção.

O isolamento dielétrico utiliza meios isolantes, como o óxido de silício, para obter isolamento. Com base no isolamento dielétrico e no isolamento por junção, o isolamento quase-dielétrico foi desenvolvido combinando as vantagens de ambos. Ao adotar seletivamente a tecnologia de isolamento acima mencionada, é possível obter compatibilidade com alta e baixa tensão.

Direção de desenvolvimento do processo BCD

O desenvolvimento da tecnologia de processo BCD difere do processo CMOS padrão, que sempre seguiu a Lei de Moore, evoluindo na direção de linhas mais finas e maior velocidade. O processo BCD se diferencia e se desenvolve em três vertentes principais: alta tensão, alta potência e alta densidade.

1. Direção BCD de alta tensão

A tecnologia BCD de alta tensão permite a fabricação simultânea de circuitos de controle de baixa tensão de alta confiabilidade e circuitos DMOS de ultra-alta tensão no mesmo chip, possibilitando a produção de dispositivos de alta tensão de 500 a 700 V. No entanto, de modo geral, a tecnologia BCD ainda é mais adequada para produtos com requisitos relativamente elevados para dispositivos de potência, especialmente transistores bipolares de junção (BJT) ou dispositivos DMOS de alta corrente, podendo ser utilizada para controle de potência em iluminação eletrônica e aplicações industriais.

A tecnologia atual para fabricação de BCD de alta tensão é a tecnologia RESURF, proposta por Appel et al. em 1979. O dispositivo é fabricado utilizando uma camada epitaxial levemente dopada para tornar a distribuição do campo elétrico superficial mais uniforme, melhorando assim as características de ruptura superficial. Dessa forma, a ruptura ocorre no corpo do dispositivo, e não na superfície, aumentando a tensão de ruptura. A dopagem leve é ​​outro método para aumentar a tensão de ruptura do BCD. Ela utiliza principalmente dreno com dupla dopagem (DDD - Double Doping Drain) e dreno levemente dopado (LDD - Lightly Doping Drain). Na região do dreno DMOS, uma região de deriva do tipo N é adicionada para alterar o contato original entre o dreno N+ e o substrato do tipo P para o contato entre o dreno N- e o substrato do tipo P, aumentando assim a tensão de ruptura.

2. Direção BCD de alta potência

A faixa de tensão do BCD de alta potência é de 40 a 90 V, sendo utilizado principalmente em eletrônica automotiva que exige alta capacidade de corrente, tensão média e circuitos de controle simples. Suas principais características são alta capacidade de corrente, tensão média e circuito de controle geralmente relativamente simples.

3. Direção BCD de alta densidade

Os chips BCD de alta densidade operam em uma faixa de tensão de 5 a 50 V, podendo chegar a 70 V em alguns componentes eletrônicos automotivos. Com eles, é possível integrar funções cada vez mais complexas e diversas em um mesmo chip. A tecnologia BCD de alta densidade adota conceitos de design modular para alcançar a diversificação de produtos, sendo utilizada principalmente em aplicações eletrônicas automotivas.

Principais aplicações do processo BCD

O processo BCD é amplamente utilizado em gerenciamento de energia (controle de energia e bateria), acionamento de displays, eletrônica automotiva, controle industrial, etc. O chip de gerenciamento de energia (PMIC) é um dos tipos importantes de chips analógicos. A combinação do processo BCD com a tecnologia SOI também é uma característica importante do desenvolvimento do processo BCD.

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