BCD工藝緣何入選IEEE里程碑獎

2021年5月18日，IEEE給BCD工藝開創(chuàng)者意法半導體（STM）頒發(fā)IEEE里程碑獎（IEEE Milestone），旨在表彰意法半導體在超級集成硅柵半導體工藝技術方面的開創(chuàng)性研究成果。

該牌匾將放置在意法半導體在意大利米蘭市近郊曾經(jīng)承擔BCD開發(fā)工作的Agrate工廠Castelletto工廠的大門口。牌匾上寫著：

IEEE里程碑

單片多硅技術Multiple Silicon Technologies on a Chip，1985年

SGS（現(xiàn)為意法半導體）率先采用單片集成Bipolar-CMOS-DMOS器件（BCD）的超級集成硅柵極工藝，解決復雜的、大功率需求的應用設計難題。首個BCD超級集成電路L6202可以控制最高60V/5A的功率，開關頻率300kHz。隨后的汽車、計算機和工業(yè)自動化廣泛采用了這項工藝技術，讓芯片設計人員能夠靈活、可靠地單片集成功率、模擬和數(shù)字信號處理電路。

SGS(now STMicroelectronics) pioneered the super-integrated silicon-gate process combining Bipolar, CMOS, and DMOS (BCD) transistors in single chips for complex, power-demanding applications. The first BCD super-integrated circuit, named L6202, was capable of controlling up to 60V-5A at 300 kHz. Subsequent automotive, computer, and industrial applications extensively adopted this process technology, which enabled chip designers flexibly and reliably to combine power, analog, and digital signal processing.

IEEE里程碑獎充分肯定了BCD技術的歷史貢獻，對單片集成大功率器件、精確模擬功能和復雜數(shù)字邏輯控制的開創(chuàng)性研究成果表示高度認可（IEEE Milestone plaque recognizes the pioneering work that enabled engineers to combine high-power components, precise analog functions, and the complex digital logic to control them onto a single piece of silicon, a capability that has now been sold in 40 billion chips）。

什么是BCD？

BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）技術是一種單片集成工藝技術，能夠在同一芯片上制作Bipolar、CMOS和DMOS器件，1985年由意法半導體率先研制成功。隨著集成電路工藝的進一步發(fā)展，BCD工藝已經(jīng)成為PIC的主流制造技術。

 圖片來自ST官網(wǎng)

1950年代出現(xiàn)了適合生產(chǎn)模擬功能器件的雙極（Bipolar）工藝，雙極器件一般用于功率稍大的電路中，具有截止頻率高、驅動能力大、速度快、噪聲低等優(yōu)點，但其集成度低、體積大、功耗大。1960年代，出現(xiàn)了適合生產(chǎn)數(shù)字功能電路的CMOS（互補金屬氧化物半導體）工藝，CMOS器件具有集成度高、功耗低、輸入阻抗高等優(yōu)點，驅動邏輯門能力比其他器件強很多，也彌補了雙極器件的缺點。1970年代，出現(xiàn)了適合生產(chǎn)功率器件的DMOS（雙擴散金屬氧化物半導體）工藝，DMOS功率器件具有高壓、大電流的特點。

BCD工藝把Bipolar器件、CMOS器件、DMOS功率器件同時制作在同一芯片上，綜合了雙極器件高跨導、強負載驅動能力和CMOS集成度高、低功耗的優(yōu)點，使其互相取長補短，發(fā)揮各自的優(yōu)點；同時DMOS可以在開關模式下工作，功耗極低。不需要昂貴的封裝和冷卻系統(tǒng)就可以將大功率傳遞給負載。低功耗是BCD工藝的一個主要優(yōu)點之一。BCD工藝可大幅降低功率耗損，提高系統(tǒng)性能，節(jié)省電路的封裝費用，并具有更好的可靠性。

經(jīng)過35年的發(fā)展，BCD工藝已經(jīng)從第一代的4微米發(fā)展到了第九代的0.11微米，線寬尺寸不斷減小的同時，也采用了更加先進的多層金屬布線系統(tǒng)，使得BCD工藝與純CMOS工藝發(fā)展差距縮小，目前的BCD工藝中的CMOS與純CMOS可完全兼容。另一方面，BCD工藝向著標準化模塊化發(fā)展，其基本工序標準化，混合工藝則由這些基本工序組合而成，設計人員可以根據(jù)各自的需要增減相應的工藝步驟。 

BCD首創(chuàng)者-意法半導體

1987年6月，意大利SGS微電子（SGS Microelettronica，始于1957年）和法國湯姆森半導體（Thomson Semiconducteurs，始于1962年）合并成立了意法半導體（SGS-Thomson Microelectronics），1998年5月英文名稱更名為STMicroelectronics。

1980年代初期，當時的SGS微電子（SGS Microelettronica）的工程師為了解決各種電子應用問題，提出了一個革命性的構想：

1）創(chuàng)造一種將晶體管和二極管集成在一顆芯片上的技術，并能夠提供數(shù)百瓦功率；

2）用邏輯控制功率，實現(xiàn)方式需要遵循摩爾定律；

3）最大限度地降低功耗，從而消除散熱器；

4）支持精確的模擬功能；

5）以可靠的實現(xiàn)方式滿足廣泛的應用需求。

1984年SGS的工程師成功將Bipolar/CMOS/DMOS/Diodes通過硅柵集成在一起。BCD首個器件是L6202電動機全橋驅動器，采用4微米技術，12層光罩，工作電壓60V，電流1.5A，開關頻率300kHz，達到所有設計目標。這個新的可靠工藝技術讓芯片設計人員能夠在單個芯片上靈活地集成功率、模擬和數(shù)字信號處理電路。

圖片來自ST官網(wǎng)

經(jīng)過35年的發(fā)展，意法半導體開發(fā)了一系列對全球功率IC影響深遠的BCD工藝，如BCD3（1.2微米）、BCD4（0.8微米）、BCD5（0.6微米）。

意法半導體目前提供三種主要的BCD技術，包括BCD6（0.35微米）/BCD6s（0.32微米）、BCD8（0.18微米）/BCD8s（0.16微米和BCD9（0.13微米）/BCD9s（0.11微米），其第十代BCD工藝將采用90納米。

BCD6和BCD8還提供SOI工藝選項。

據(jù)悉，意法半導體從1985年BCD推出工藝，至今已經(jīng)過去35年并經(jīng)歷了九次技術迭代，產(chǎn)出500萬片晶圓，售出400億顆芯片，僅2020年就售出近30億顆芯片，第十代BCD技術即將開始投產(chǎn)。

國內各晶圓制造公司BCD工藝情況

華虹半導體

華虹半導體基于成熟的CMOS工藝平臺，目前提供的BCD工藝平臺電壓涵蓋1.8V到700V，工藝節(jié)點涵蓋90納米/0.13微米/0.18微米/0.35微米/0.5微米/0.8微米/1.0微米，在0.5微米、0.35微米、0.18微米節(jié)點上積累了豐富的量產(chǎn)經(jīng)驗。未來，華虹半導體將繼續(xù)發(fā)揮在BCD和eNVM特色工藝上的技術優(yōu)勢，提供二者的集成方案，為智能化電源產(chǎn)品，打造高端電源管理系統(tǒng)級芯片(SoC)。

2007年華虹半導體推出BCD350工藝平臺（0.35微米）；2009年推出非外延PMU350工藝平臺；2010年推出BCD180工藝平臺（0.18微米）；2013年700V BCD工藝平臺；2018年第二代BCD180工藝平臺推出；2020年5月90納米BCD工藝平臺在華虹無錫12英寸生產(chǎn)線順利實現(xiàn)產(chǎn)品投片，其LDMOS涵蓋5V至24V電壓段，也為未來65/55納米的12英寸工藝技術的研發(fā)與市場拓展打開了空間。

華虹半導體還將持續(xù)8英寸生產(chǎn)線的研發(fā)創(chuàng)新，優(yōu)化升級現(xiàn)有滿足車規(guī)要求的180納米BCD技術，在相同的擊穿電壓下，導通電阻平均降低約25%，技術性能顯著提升，達到業(yè)界先進水平，未來180納米BCD技術中的LDMOS的最高電壓由40V擴展至100V。

華潤微

華潤微基于自有的主流工藝平臺，在功率模擬工藝技術方面推出的BCD工藝解決方案，廣泛應用于各新興市場，包括電源管理、LED驅動、汽車電子以及音頻電路等。

華潤微的BCD工藝平臺始于2007年推出的700V CDMOS工藝，2011年推出700V HV BCD工藝，2013年完成600V HVIC工藝平臺研發(fā)，到2020年一共完成了五代硅基700V HV BCD工藝的研發(fā)和量產(chǎn)。華潤微BCD工藝平臺電壓涵蓋5V到700V，工藝節(jié)點涵蓋0.18微米/0.25微米/0.8微米/1.0微米，可滿足高電壓、高精度、高密度不同應用的全方位需求，同步提供200-600V SOI基BCD工藝選項。

士蘭微

在BCD工藝技術平臺研發(fā)方面，士蘭微依托于5/6英寸、8英寸和12英寸晶圓生產(chǎn)線，建立了新產(chǎn)品和新工藝技術研發(fā)團隊。

基于士蘭集成的5/6英寸生產(chǎn)線開發(fā)0.8微米和0.6微米的BCD電路工藝平臺已經(jīng)穩(wěn)定運行15年，2007年1月士蘭微發(fā)布首款采用士蘭集成BCD工藝制造的高效率功率LED驅動電路。

基于士蘭集昕8英寸生產(chǎn)線的0.25微米的BCD電路工藝平臺和0.18微米的BCD電路工藝平臺相繼建成，開始批量產(chǎn)出。

基于士蘭集科12英寸生產(chǎn)線BCD電路工藝平臺也在研制中。

中芯國際

中芯國際有超過10年的模擬芯片/電源管理芯片大規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)驗，技術涵蓋了0.35微米到0.15微米。除了保持面向手機和消費類電子的低壓BCD工藝平臺持續(xù)升級外，針對工業(yè)和汽車應用的中高壓BCD平臺和車載BCD平臺也在開發(fā)中，同時開展了90納米BCD工藝平臺開發(fā)，為高數(shù)字密度和低導通電阻的電源管理芯片提供解決方案。