华虹宏力打出BCD工艺组合拳

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5G、物联网时代的到来,催生了很多智能化的设备,对电源管理芯片也提出了新的需求。面对新兴应用,电源管理IC该如何进化呢?在日前举办的“第十七届中国通信集成电路技术应用研讨会”上,华虹集团旗下上海华虹宏力半导体制造有限公司(“华虹宏力”)市场、战略与发展部贾璐博士给出了很好的答案。

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华虹宏力市场、战略与发展部贾璐博士在现场讲解面向电源管理芯片的BCD工艺
 
把握市场机遇,应对细分市场应用之变
 
据Yole预测,电源管理IC市场规模到2023年将增长至227亿美元,2018~2023年期间的复合年增长率(CAGR)将达4.6%。在这个超越摩尔的领域里,产业的增长主要受应用驱动。
总体来看,包括智能设备的发展趋势有如下特点,对电源管理IC提出了相应需求。贾璐博士指出:
为适应便携性趋势,设备供电方式从适配器供电转变为电池供电,带来很多电池供电系统的芯片需求;
 
小型化及低功耗,更多是遵循了摩尔定律的发展趋势;
 
快充对充电功率的要求不断提高,智能手机已从最初的5W充电功率,一路升到10W、20W,Type-C甚至将高达100W;
 
智能化的趋势,例如,LED照明从最初的简单逻辑控制到如今调光、变色等更个性化的要求,对电源芯片提出更复杂的智能化控制需求。
 
顺应市场变化,电源管理技术的进化一直在路上。据贾璐博士分析,首先是集成化趋势。如智能手机,之前具有多路分立的LDO处理器及基带也都各带独立电源管理IC,如今AP和多数Sub PMIC不断整合成了集成化的PMU。另一方面,由于兼容性和不断升级的需求,仍有部分电源管理IC无法集成到PMU中,这部分电源管理IC的发展就是性能和成本的持续优化。具体表现为,一是高FOM性,即导通电阻低、高频损耗小;二是越来越智能,控制逻辑复杂化;三是高可靠性,尤其是在工业、汽车领域应用中。针对电源管理IC的发展趋势,华虹宏力提出了“8+12”策略,8英寸工艺线持续优化器件性能与成本,12英寸工艺线则针对集成化需求。
 
立足特色工艺,华虹宏力BCD平台“进化”之路
 
BCD技术可以在单一芯片上集成双极型器件(Bipolar)、CMOS器件和DMOS器件。BCD工艺综合了Bipolar器件高驱动、高频、高精度以及CMOS器件数字化、高集成度、低功耗的特性,同时还有DMOS器件抗高压、大电流、强驱动的能力,被广泛应用于电源管理芯片的设计和制造中。
华虹宏力深耕电源管理芯片代工市场,拥有约300项BCD工艺相关的专利,可提供全系列BCD/CDMOS工艺,覆盖电压范围从5V至700V,达到国际先进水平。贾璐博士为在场人士详细介绍了华虹宏力的BCD工艺平台“组合拳”。
 
高性能90nm BCD工艺
 
领先的高性能90nm BCD工艺提供多种集成器件,增强设计的集成度和灵活度。其中,工作电压Switched NLDMOS的性能达到业界先进水平。对于PMU、数字功放等数字逻辑面积占比较高的产品,90nm技术产品在芯片面积上具有很大优势:以数字逻辑占比30%估算,模拟、IO、电源部分尺寸不变的情况下,90nm技术产品相比180nm,面积缩小约22%。
更值得一提的是,随着华虹无锡项目12英寸生产线量产能力的形成,华虹宏力90nm BCD工艺平台将以“8+12”双产线并行,为火爆的电源芯片需求提供“能量满满”的产能支持。
180nm BCD工艺持续优化中
对于BCD工艺来说,180nm是个关键的工艺节点,并将长期存在。从此节点向下,导通电阻的优化必须通过改变器件结构才能实现。华虹宏力坚持研发创新、持续优化,在第二代180nm BCD技术量产的基础上,在研的第三代180nm BCD技术,在相同的击穿电压下,导通电阻平均降低约25%。
 
特色智能化110nm BCD+eFlash工艺
 
华虹宏力在eFlash工艺上一直表现卓越,110nm BCD工艺整合了180nm BCD工艺和110nm eFlash工艺,特别适用于系统要求芯片具有小尺寸、高性能和高可靠性的应用。
 
谈及华虹宏力颇具特色的110nm BCD工艺,贾璐博士解释道:“电源管理系统里MCU与power stage的集成化过程中,嵌入式存储器也日趋复杂化,从最初的OTP到MTP再到Flash,容量越来越大。尤其对于汽车、电力电网、无线充电等应用领域,MCU和电源平台之间的数据交互、控制要求更加精准、可靠性要求更高。因此,结合公司在eFlash平台的领先优势,形成了颇具特色的eFlash+BCD工艺平台,以满足客户智能化电源需求。
 
特色BCD厚Cu工艺
 
由于BCD工艺中后段电阻对于芯片产品的性能影响很大,尤其是顶层金属,业界对于电阻的优化大多通过加厚金属实现,从9K到30K再到40K。华虹宏力通过与封装厂深入合作,引入了特色的10微米顶层厚铜工艺,由于铜电阻显著小于铝电阻,采用厚铜工艺可以大大减小后段的导通电阻,对于大电流、大功率的电源管理IC产品具有明显优势。
讲完了工艺技术,再落地到电源管理IC的应用,汽车电子是电源管理IC火爆的应用领域之一。随着汽车电气化步伐的加快,电源管理在汽车电子上的应用成为焦点,尤其是电源管理IC与功率分立器件呈现出高速增长。贾璐博士表示,庞大的市场给国内的电源管理IC设计公司带来了很多机会。
汽车电子领域出于安全考虑,要求十分严格。华虹宏力从SPICE模型、library与IP验证、以及制程可靠性测试三方面为车规级产品保驾护航。180nm BCD 40V工艺平台满足AEC-Q100 Grade 0车规级产品要求,正在进行产品验证;同时,180nm BCD 60V-100V和110nm BCD+eFlash 40V等工艺平台正在开发中,将满足AEC-Q100 Grade 1车规级要求。通过“安全、可靠、高性能”的多种工艺平台灵活组合,华虹宏力将为持续攀升的汽车半导体市场需求提供更优质服务。
 
制胜电源管理芯片应用市场,BCD工艺是非常关键的技术。正如贾璐博士所言:“华虹宏力会坚持发展BCD特色工艺,持续研发创新,专注产品需求,顺应市场趋势。‘8+12’策略将为国内外客户提供具竞争性的电源管理芯片制造解决方案。”
 
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