BCD工艺缘何入选IEEE里程碑奖

2021年5月18日，IEEE给BCD工艺开创者意法半导体（STM）颁发IEEE里程碑奖（IEEE Milestone），旨在表彰意法半导体在超级集成硅栅半导体工艺技术方面的开创性研究成果。

该牌匾将放置在意法半导体在意大利米兰市近郊曾经承担BCD开发工作的Agrate工厂Castelletto工厂的大门口。牌匾上写着：

IEEE里程碑，单片多硅技术Multiple Silicon Technologies on a Chip，1985年

SGS（现为意法半导体）率先采用单片集成Bipolar-CMOS-DMOS器件（BCD）的超级集成硅栅极工艺，解决复杂的、大功率需求的应用设计难题。首个BCD超级集成电路L6202可以控制最高60V/5A的功率，开关频率300kHz。随后的汽车、计算机和工业自动化广泛采用了这项工艺技术，让芯片设计人员能够灵活、可靠地单片集成功率、模拟和数字信号处理电路。

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里程碑奖充分肯定了BCD技术的历史贡献，对单片集成大功率器件、精确模拟功能和复杂数字逻辑控制的开创性研究成果表示高度认可（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）技术是一种单片集成工艺技术，能够在同一芯片上制作Bipolar、CMOS和DMOS器件，1985年由意法半导体率先研制成功。随着集成电路工艺的进一步发展，BCD工艺已经成为PIC的主流制造技术。

图片来自ST官网

1950年代出现了适合生产模拟功能器件的双极（Bipolar）工艺，双极器件一般用于功率稍大的电路中，具有截止频率高、驱动能力大、速度快、噪声低等优点，但其集成度低、体积大、功耗大。1960年代，出现了适合生产数字功能电路的CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺，CMOS器件具有集成度高、功耗低、输入阻抗高等优点，驱动逻辑门能力比其他器件强很多，也弥补了双极器件的缺点。1970年代，出现了适合生产功率器件的DMOS（双扩散金属氧化物半导体）工艺，DMOS功率器件具有高压、大电流的特点。

BCD工艺把Bipolar器件、CMOS器件、DMOS功率器件同时制作在同一芯片上，综合了双极器件高跨导、强负载驱动能力和CMOS集成度高、低功耗的优点，使其互相取长补短，发挥各自的优点；同时DMOS可以在开关模式下工作，功耗极低。不需要昂贵的封装和冷却系统就可以将大功率传递给负载。低功耗是BCD工艺的一个主要优点之一。BCD工艺可大幅降低功率耗损，提高系统性能，节省电路的封装费用，并具有更好的可靠性。

经过35年的发展，BCD工艺已经从第一代的4微米发展到了第九代的0.11微米，线宽尺寸不断减小的同时，也采用了更加先进的多层金属布线系统，使得BCD工艺与纯CMOS工艺发展差距缩小，目前的BCD工艺中的CMOS与纯CMOS可完全兼容。另一方面，BCD工艺向着标准化模块化发展，其基本工序标准化，混合工艺则由这些基本工序组合而成，设计人员可以根据各自的需要增减相应的工艺步骤。

BCD首创者-意法半导体

1987年6月，意大利SGS微电子（SGS Microelettronica，始于1957年）和法国汤姆森半导体（Thomson Semiconducteurs，始于1962年）合并成立了意法半导体（SGS-Thomson Microelectronics），1998年5月英文名称更名为STMicroelectronics。

1980年代初期，当时的SGS微电子（SGS Microelettronica）的工程师为了解决各种电子应用问题，提出了一个革命性的构想：

1）创造一种将晶体管和二极管集成在一颗芯片上的技术，并能够提供数百瓦功率；

2）用逻辑控制功率，实现方式需要遵循摩尔定律；

3）最大限度地降低功耗，从而消除散热器；

4）支持精确的模拟功能；

5）以可靠的实现方式满足广泛的应用需求。

1984年SGS的工程师成功将Bipolar/CMOS/DMOS/Diodes通过硅栅集成在一起。BCD首个器件是L6202电动机全桥驱动器，采用4微米技术，12层光罩，工作电压60V，电流1.5A，开关频率300kHz，达到所有设计目标。这个新的可靠工艺技术让芯片设计人员能够在单个芯片上灵活地集成功率、模拟和数字信号处理电路。

图片来自ST官网

经过35年的发展，意法半导体开发了一系列对全球功率IC影响深远的BCD工艺，如BCD3（1.2微米）、BCD4（0.8微米）、BCD5（0.6微米）。

意法半导体目前提供三种主要的BCD技术，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工艺将采用90纳米。

BCD6和BCD8还提供SOI工艺选项。

据悉，意法半导体从1985年BCD推出工艺，至今已经过去35年并经历了九次技术迭代，产出500万片晶圆，售出400亿颗芯片，仅2020年就售出近30亿颗芯片，第十代BCD技术即将开始投产。

国内各晶圆制造公司BCD工艺情况

华虹半导体

华虹半导体基于成熟的CMOS工艺平台，目前提供的BCD工艺平台电压涵盖1.8V到700V，工艺节点涵盖90纳米/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微米节点上积累了丰富的量产经验。未来，华虹半导体将继续发挥在BCD和eNVM特色工艺上的技术优势，提供二者的集成方案，为智能化电源产品，打造高端电源管理系统级芯片(SoC)。

2007年华虹半导体推出BCD350工艺平台（0.35微米）；2009年推出非外延PMU350工艺平台；2010年推出BCD180工艺平台（0.18微米）；2013年700V BCD工艺平台；2018年第二代BCD180工艺平台推出；2020年5月90纳米BCD工艺平台在华虹无锡12英寸生产线顺利实现产品投片，其LDMOS涵盖5V至24V电压段，也为未来65/55纳米的12英寸工艺技术的研发与市场拓展打开了空间。

华虹半导体还将持续8英寸生产线的研发创新，优化升级现有满足车规要求的180纳米BCD技术，在相同的击穿电压下，导通电阻平均降低约25%，技术性能显著提升，达到业界先进水平，未来180纳米BCD技术中的LDMOS的最高电压由40V扩展至100V。

90纳米

90纳米BCD工艺平台

0.13微米

0.13微米CDMOS工艺平台

0.18微米

0.18微米BCD工艺平台 (BCD180G)

0.18微米5V CMOS工艺平台

0.35微米

0.35微米BCD工艺平台 (BCD350G/BCD350GE)

0.35微米CDMOS工艺平台 (PMU350G)

0.35微米7V CMOS工艺平台(CZ6-7V)

0.35微米5V CMOS工艺平台(CZ6L+)

0.5微米

0.5微米V CMOS工艺平台(CZ6H+)

0.8微米

0.8微米5V/40V HVCMOS工艺平台

1微米

1微米700V CDMOS工艺平台(BCD 700V)

华润微

华润微基于自有的主流工艺平台，在功率模拟工艺技术方面推出的BCD工艺解决方案，广泛应用于各新兴市场，包括电源管理、LED驱动、汽车电子以及音频电路等。

华润微的BCD工艺平台始于2007年推出的700V CDMOS工艺，2011年推出700V HV BCD工艺，2013年完成600V HVIC工艺平台研发，到2020年一共完成了五代硅基700V HV BCD工艺的研发和量产。华润微BCD工艺平台电压涵盖5V到700V，工艺节点涵盖0.18微米/0.25微米/0.8微米/1.0微米，可满足高电压、高精度、高密度不同应用的全方位需求，同步提供200-600V SOI基BCD工艺选项。

0.18μm

0.18μm AB BCD(7V-24V)

0.18μm DB BCD G2S(7V-80V)

0.18μm DB BCD G2S(80V-120V)

0.18μm DB BCD G3(7V-40V)

0.25μm

0.25μm s-BCD G2(12V-60V)

0.8μm

0.8μm 700V BCD G3S

0.8μm 40V Power Analog

1.0μm

1.0μm 600V HVIC

1.0μm 60V/120V HV

1.0μm 25V/40V HV

士兰微

在BCD工艺技术平台研发方面，士兰微依托于5/6英寸、8英寸和12英寸晶圆生产线，建立了新产品和新工艺技术研发团队。

基于士兰集成的5/6英寸生产线开发0.8微米和0.6微米的BCD电路工艺平台已经稳定运行15年，2007年1月士兰微发布首款采用士兰集成BCD工艺制造的高效率功率LED驱动电路。

基于士兰集昕8英寸生产线的0.25微米的BCD电路工艺平台和0.18微米的BCD电路工艺平台相继建成，开始批量产出。

基于士兰集科12英寸生产线BCD电路工艺平台也在研制中。

中芯国际

中芯国际有超过10年的模拟芯片/电源管理芯片大规模生产经验，技术涵盖了0.35微米到0.15微米。除了保持面向手机和消费类电子的低压BCD工艺平台持续升级外，针对工业和汽车应用的中高压BCD平台和车载BCD平台也在开发中，同时开展了90纳米BCD工艺平台开发，为高数字密度和低导通电阻的电源管理芯片提供解决方案。