功率集成电路技术进展总结

功率集成电路技术进展

摘要：本文介绍了功率集成电路的发展历程、研究现状和未来发展趋势。

关键字：功率集成、智能功率集成电路、高压功率集成电路、智能功率模块、集成功率技术、集成功率应用

1 引言

功率电子系统通常包含三个组成部分:第一部分是信号的采集、输入与放大电路；第二部分是信号处理电路，用来产生功率开关电路的控制信号；第三部分是功率开关电路，用来控制负载工作。将一个完整功率电子系统电路的一部分制造在一个半导体芯片上就形成了功率集成电路(Power IC, PIC)[1]。

PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件，也是SoC的核心技术之一。功率集成电路是指将高压功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在同一个芯片上的集成电路，是系统信号处理部分和执行部分的桥梁。具体来说就是，采用一定的工艺，把一个功率电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。广义而言，PIC是控制电路与功率负载之间的接口电路，其最简单的电路包括电平转移和驱动电路，它的作用是将微处理器输出的逻辑信号电平转换成足以驱动负载的驱动信号电平。由于PIC与分立器件构成的功率电路相比具有成本低、可靠性高、体积小、低电磁干扰等一系列优越性，近些年来获得了突飞猛进的发展。

2 功率集成电路发展历程

电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电子器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了GTR,GTO、功率MOSFET等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，随着社会的不断发展，人们的需要不断上升，电力电子器件的复合化、模块化及功率集成成为一种需要。

上世纪七十年代功率集成电路出现[2]，单芯片集成的PIC减少了系统的元件数、互连数和焊点数，不仅提高了系统的可靠性、稳定性，而且减小了系统的功耗、体积、重量和成本，这使得PIC马上受到大家广泛关注，随后的几十年中都一直是功率电子学界的研究热点。但由于当时的功率器件主要为双极型晶体管、GTO等，功率器件所需的驱动电流

大，驱动和保护电路复杂，在七十年代PIC的研究并未取得实质性进展。上世纪八十年代，功率MOSFET, IGBT等具有MOS栅控制、高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等特点的新型MOS类功率器件出现，这使得驱动电路大为简化，迅速带动了PIC的发展，但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本仍旧限制了PIC的应用。进入九十年代后，PIC的设计与工艺水平不断提高，性能价格比也随之上升，PIC逐步进入了实用阶段[3]。我国是全球最大的消费类电子商品市场和生产基地，随着功率集成电路的发展，功率集成电路已被广泛应用于开关电源、电机驱动、工业控制、汽车电子、日常照明和家用电器等方面。自1981年美国试制出第一个PIC以来，PIC技术获得了快速发展。今后，PIC必将朝着高压化、智能化的方向更快发展并进入普遍实用阶段。

3 功率集成电路分类

习惯上将功率集成电路分为高压功率集成电路(HVIC),智能功率集成电路(SPIC)和智能功率模块(IPM)。HVIC是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成，由于它的功率器件是横向的、电流容量较小，而控制电路的电流密度较大，故常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。SPIC是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护电路集成而成，电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。近年来随着PIC的不断发展，智能功率集成电路（SPIC)和高压集成电路（HVIC)在工作电压和器件结构上(纵向或横向)都很难区分，因此习惯于把它们统称为功率集成电路。IPM除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身在任何情况下不受损坏。当前，IPM中的功率器件一般由IGBT充电。由于IPM体积小、可靠性高、使用方便，故深受用户喜爱。IPM主要用于交流电机控制、家用电器等。[4]

功率集成电路从工艺结构上来分，可以分为半导体单片集成和混合集成两大类。单片半导体集成电路是把所有的元器件都制作在同一块半导体芯片上。混合集成电路则是厚膜、薄膜和半导体集成工艺的联合制品。早期由于混合集成的灵活性较大，因而混合功率集成电路占主导地位。70年代以后，单片半导体集成日臻完善，中低功率集成电路都采用单片集成，有些大功率的集成电路仍然采用混合集成电路。功率集成放大器是功率集成电路中的主流产品，它是信号处理与功率驱动电路的集成，目前国内功率集成运放主要以混合集成工艺为主，单片功率集成运放设计这一领域，产品技术复杂，可靠性要求高、价格昂贵。

按照应用的电压和电流的不同，功率集成电路可以作如图1所示的分类。

图1功率集成电路的应用

4 功率集成电路中的主要问题

集成功率电路领域主要研究的问题包括集成功率应用、集成功率技术和集成功率器件[5]三个方面。集成功率应用是指在特定的背景或应用环境下对功率集成电路的一些改进。功率集成电路的应用中包括电路结构细化，改进工艺或优化器件性能，以及采用新技术开发新器件、新结构等[6]；功率集成技术是指用于制备功率集成电路的制造技术。功率集成技术要实现高压器件和低压器件的工艺兼容，尤其要选择合适的隔离技术，为控制制造成本，还必须考虑工艺层次的复用性。随着电子系统应用需求的发展，要求集成更多的低压逻辑电路和存储模块，实现复杂的智能控制；作为强弱电桥梁的功率集成电路还必须实现低功耗和高效率;恶劣的应用环境要求其具有良好的性能和可靠性。因此，功率集成技术需要在有限的芯片面积上实现高低压兼容、高性能、高效率与高可靠性[7]；集成功率器件是指用于高压IC或者智能功率IC中的高压LDMOS，它是各种LED驱动器、开关调节器、电池IC、音频放大器、电机驱动器、各种显示驱动器中重要的开关器件，高压集成研究重点在于保证工艺与低压集成电路兼容的同时，优化、提高高压器件性能[8]。

电子行业的飞速进步对功率电子学中的功率集成提出了越来越高的要求，图2概括了功率集成电路领域需要考虑的主要问题，包括电路类型、器件类型、隔离技术和兼容技术。近些年学术界和产业界的功率集成领域的研究主要包括新型单片集成电路拓扑或技术方案的提出、集成功率器件优化或集成工艺技术平台改进等方面内容[9]。