一顆功率IC：BCD工藝集成高壓元件，面積還節(jié)省40倍！Power-SOI卡位48V、FuSa等汽車/工業(yè)新需求

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃晶晶）Power-SOI主要構(gòu)造為單晶頂層硅片（mono-crystal top material），中間氧化埋層（buried oxide）及底層的硅基底（silicon base）。由于Power-SOI晶圓加厚Buried Oxide結(jié)構(gòu)，能夠有效克服高電壓可能穿透元件的問題，實現(xiàn)功率元件使用上的穩(wěn)定性。因此，Power-SOI主要應(yīng)用于BCD（BIPOLAR-CMOS-DMOS）功率集成電路制造技術(shù)中的高壓元件集成。據(jù)法國半導體材料供應(yīng)商Soitec的內(nèi)部估算，在Power-SOI汽車領(lǐng)域，2021年大概每臺車里面有200mm2面積的用量。預計三到五年內(nèi)該用量將從200mm2提高到300mm2。

Power-SOI的結(jié)構(gòu)示意圖

Power-SOI的主要市場

智能駕駛、ADAS系統(tǒng)促使Power-SOI器件需求的增加，之所以Power-SOI受到青睞一個關(guān)鍵因素是Power-SOI能夠滿足功能安全（FuSa）的嚴苛要求，賦能關(guān)鍵汽車應(yīng)用。在最近對Soitec公司Specialty-SOI事業(yè)部業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理林展鵬的采訪中，他詳細分析了Power-SOI的技術(shù)優(yōu)勢與市場機會。



當前Power-SOI主要應(yīng)用于汽車、工業(yè)、醫(yī)療市場。其中最大的市場來自于汽車，其次是工業(yè)，再是醫(yī)療。Soitec的Power-SOI已經(jīng)在車載網(wǎng)絡(luò)IVN、柵極驅(qū)動器、電源管理系統(tǒng)BMS方面占有較大市場份額，新應(yīng)用主要聚焦在智能電機控制和智能電源管理領(lǐng)域。工業(yè)類的Power-SOI也基本上與汽車類的相同，不同是工業(yè)類應(yīng)用還有以太網(wǎng)供電PoE等。醫(yī)療類的Power-SOI集中應(yīng)用在PMIC、柵極驅(qū)動器、超聲脈沖發(fā)生器IC和專用標準產(chǎn)品電機控制器等。

車載和工業(yè)用 Power-SOI的趨勢

在汽車和工業(yè)領(lǐng)域有四大趨勢推動Power-SOI市場的不斷增長。

第一是48V電氣系統(tǒng)的應(yīng)用。隨著混動汽車的流行，48V的電氣系統(tǒng)也愈發(fā)受到關(guān)注。48V的電氣系統(tǒng)主要是代替以前12V電氣系統(tǒng)。林展鵬分析，當電氣系統(tǒng)電壓提高到48V時，對于用BCD制程做高集度的IC，它的工作電壓需求從60V提高到200V。200V正在成為新的BCD制程工藝的主流。在這一趨勢下，Power-SOI的使用率會越來越高，BCD工作電壓提高到120V以上時，Power-SOI 能夠讓晶圓片的面積顯著減小，最多可以節(jié)省接近40倍。



另外，“傳統(tǒng)48V轉(zhuǎn)12V，它的效率大概在95%。當它從12V轉(zhuǎn)3.3V或者1.05V的時候，大概是90%的效率。綜合來看，它的效率大概最多只能達到80%。如果把它直接從48V轉(zhuǎn)1.05V，它的效率可以輕而易舉達到88%以上?！绷终郭i說道，48V的電氣系統(tǒng)有效地提升了能效的轉(zhuǎn)換和利用。

第二是FuSa（Functional Safety，功能安全）。它的應(yīng)用范圍主要是汽車和工業(yè)，包括汽車的自動導航系統(tǒng)、先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和工業(yè)4.0等。其中，汽車應(yīng)用標準為ISO26262，工業(yè)標準為IEC61508。

要達到FuSa認證，那么IC內(nèi)部對數(shù)字電路和NVM（非易失性存儲器）有明顯增加。對低 FIT （故障率）有更高的集成需求，要實現(xiàn)低FIT，最好的方法是將整個系統(tǒng)的IC數(shù)量減少，實現(xiàn)更高的集成度。此外，F(xiàn)uSa有著更嚴格的制程和更強的穩(wěn)定性的要求。



第三是純電動車和混動車對汽車規(guī)格的認證比如AEC-Q100C的需求很高。尤其是純電動車適用的AEC-Q100C Grade 0認證，對IC結(jié)溫（junctiontemperature）的要求是必須大于175攝氏度。這對傳統(tǒng)體硅（bulk silicon）是一個很大的挑戰(zhàn)，而Power-SOI可以輕松實現(xiàn)這一點。

另一方面，隨著汽車排放標準要求的不斷提升，模組需要更高的功率密度和更優(yōu)性能，那么整個模組變輕變小后，車輛可以行駛更長的路程，實現(xiàn)更優(yōu)化的排放。

第四是工業(yè)4.0和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)新需求。對工業(yè)規(guī)格的智能功率集成IC和附有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能的IC而言，它們對于可編程功能、診斷性功能、智能功率管理功能的需求也日益提高。這些應(yīng)用也會像FuSa一樣，需要大量數(shù)字電路和存儲器以實現(xiàn)相應(yīng)的功能。同時智能功率IC也對集成度有更高要求，例如把小型MCU加入在同一個功率IC上面。

基于這四大趨勢，Power-SOI以良好的性能表現(xiàn)將成為越來越多功率半導體的選擇。

Power-SOI的特性

具體來看，Power-SOI襯底有哪些特性和優(yōu)勢，來滿足汽車和工業(yè)等領(lǐng)域的需求。

林展鵬分析，首先是高溫環(huán)境下，例如AEC-Q100C Grade 0的規(guī)格認證達到了175攝氏度的要求，Power-SOI由于漏電流很低，能夠在高溫環(huán)境下操作。漏電流低，則不需要外接的溫度補償電路，可以讓IC設(shè)計更簡化，從而加速上市時間。

其次，對于高可靠性和高耐抗性的需求。由于Power-SOI主要強調(diào)無閂鎖效應(yīng)（latch-up free），SOI本身不會有傳統(tǒng)體硅制程產(chǎn)生的附生晶體管和附生二極管。如果制程沒有閂鎖，更容易達到ASIL認證的C和D級別。此外在一些新應(yīng)用上它的開關(guān)頻率變高，需要支持超過或低于的電壓需求，Power-SOI可以不用外加任何電路實現(xiàn)。Power-SOI還有很高的抗噪能力，減少串擾，以及加強EMC/EMI和ESD。

再者，在高性能方面，Power-SOI具有更低的功耗和更高的效率；更小的功率晶體管、導通電阻和溫度依賴性；更高的開關(guān)頻率和更快的反向恢復；以及更高的功率密度等特性。

此外，Power-SOI利用DTI做到電氣隔離，支持高達 1,200V 的工作電壓?？梢园褬O高和極低的電壓整合在同一塊晶圓片上，從而實現(xiàn)更小的芯片尺寸。

FuSa認證要求 助推功率器件從8寸向12寸擴展

雖然當前功率器件仍然以8寸晶圓為主流，不過對于新開的產(chǎn)能，很多IDM或晶圓代工廠都會有意轉(zhuǎn)向12寸。

林展鵬認為原因主要是兩方面，一是現(xiàn)在基本買不到8寸的設(shè)備，即便是二手設(shè)備，價格也非常高；二是近幾年功率器件在高端應(yīng)用上的普及化，令12寸變得不那么難生產(chǎn)。當然，現(xiàn)在市場的缺貨也是轉(zhuǎn)向12寸產(chǎn)線的原因。

但更多的因素還是在于未來趨勢。因為功能安全、智能電源、數(shù)字電路和存儲器增加等因素，使得晶圓面積在大于50%的時候，很多廠商會考慮使用更先進的制程。例如從傳統(tǒng)的180nm轉(zhuǎn)成90nm及以下。同時對于90nm以下的制程，如果使用8寸晶圓會非常昂貴且不合理，因此，大部分12寸的應(yīng)用都會是針對FuSa要求比較高的應(yīng)用。例如，電源管理IC、系統(tǒng)基礎(chǔ)IC、SBC等要求比較多的數(shù)字電路，那么很多廠商會考慮用65nm，此時12寸就是一個很好的選擇。一些客戶在做未來產(chǎn)品規(guī)劃時，希望同時有12寸跟8寸兩個平臺，且制程逐漸同步化。

小結(jié)：

綜合來看，隨著智能駕駛、ADAS以及工業(yè)4.0的發(fā)展，在應(yīng)對48伏電氣系統(tǒng)、FuSa功能安全認證等新需求方面，具有優(yōu)勢的Power-SOI無論是從技術(shù)還是供應(yīng)方面都在不斷提升與之相適應(yīng)。

Soitec公司在SOI市場擁有豐富的技術(shù)積累和完善的供應(yīng)體系，在國內(nèi)與上海新傲科技合作向中國客戶穩(wěn)定供貨，并持續(xù)投資提升產(chǎn)能。作為晶圓襯底供應(yīng)商，Soitec專業(yè)的FAE和產(chǎn)品團隊為客戶新產(chǎn)品的集成和優(yōu)化提供支持，縮短測試時間，賦能更快的上市時間。

本文為電子發(fā)燒友網(wǎng)原創(chuàng)文章，作者黃晶晶，微信號kittyhjj，轉(zhuǎn)載請注明以上來源。如需入群交流，請?zhí)砑游⑿舉lecfans999，投稿發(fā)郵件到huangjingjing@elecfans.com。