用集成方式解決混合信號(hào)半導(dǎo)體的挑戰(zhàn)

由于汽車(chē)與工業(yè)應(yīng)用中的電子器件顯著增多，因此在持續(xù)快速增長(zhǎng)的中國(guó)電子工業(yè)中，汽車(chē)與工業(yè)市場(chǎng)仍然扮演著重要角色。

　　值得注意的是，在電子設(shè)計(jì)方面，汽車(chē)與工業(yè)領(lǐng)域之間的共同要求越來(lái)越多。例如，由于傳感器數(shù)量越來(lái)越多，現(xiàn)在這兩個(gè)領(lǐng)域的許多應(yīng)用都依賴(lài)于復(fù)雜的信息處理，同時(shí)，精確電機(jī)控制或者對(duì)繼電器等機(jī)電執(zhí)行元件的需求也已非常普遍。網(wǎng)絡(luò)也是一個(gè)正在大幅度增長(zhǎng)的領(lǐng)域。現(xiàn)在，汽車(chē)和工業(yè)設(shè)計(jì)中都采用CAN和LIN等車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)(IVN)標(biāo)準(zhǔn)，以將傳感器、執(zhí)行器和處理器與相關(guān)控制和管理功能連接起來(lái)。

　　最后，汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用還都需要在各種惡劣、苛刻的環(huán)境中提供長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行。這種環(huán)境條件包括溫度、震動(dòng)、電噪，許多情況下還需要在高壓下運(yùn)行。

　　混合信號(hào)半導(dǎo)體

　　面對(duì)必須在短周期、緊張預(yù)算控制內(nèi)實(shí)現(xiàn)新設(shè)計(jì)，以及在越來(lái)越小的空間內(nèi)使用最少數(shù)量組件的壓力，設(shè)計(jì)人員正在尋找各種途徑，從傳統(tǒng)分立元件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到集成度更高的半導(dǎo)體器件。這使得對(duì)片內(nèi)系統(tǒng)ASIC和ASSP器件的需求不斷增長(zhǎng)，這些器件利用混合信號(hào)半導(dǎo)體技術(shù)將模擬和數(shù)字功能集成在了同一芯片上。

　　真正的混合信號(hào)工藝需要把電壓較高、噪聲敏感度較高的電路與電壓較低但會(huì)產(chǎn)生噪聲的數(shù)字電路隔離開(kāi)，這可通過(guò)使用深槽隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在該技術(shù)中，一系列隔離槽深埋在芯片襯底內(nèi)，從而有效地形成能夠很好控制噪聲和電源參數(shù)的片內(nèi)“保護(hù)區(qū)(pockets)”。傳統(tǒng)混合信號(hào)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)放大器、ADC、濾波器等控制與信號(hào)處理功能與微控制器、存儲(chǔ)器、定時(shí)器、邏輯控制等數(shù)字功能的結(jié)合。但是為滿足新興汽車(chē)與工業(yè)設(shè)計(jì)的需求，混合信號(hào)處理的能力必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這些。現(xiàn)在混合信號(hào)半導(dǎo)體廠商面臨著諸多挑戰(zhàn)，他們必須把傳統(tǒng)混合信號(hào)設(shè)計(jì)的相關(guān)功能與保證高壓高溫運(yùn)行的各種技術(shù)結(jié)合起來(lái)，提供高水平的抗電磁干擾和瞬態(tài)電壓能力，提供滿足相關(guān)行業(yè)機(jī)構(gòu)質(zhì)量與安全要求的產(chǎn)品，還要以最低成本滿足上述需求，并把握進(jìn)入市場(chǎng)的最佳時(shí)機(jī)。

　　而且，如果是要滿足當(dāng)今汽車(chē)與工業(yè)工程師的需求，傳統(tǒng)混合信號(hào)器件的基本功能也必須在嵌入式智能化、存儲(chǔ)器、公用網(wǎng)絡(luò)控制器及接口可用性、直接執(zhí)行器輸出等領(lǐng)域大幅擴(kuò)展。

　　高壓Smart Power

　　對(duì)用于汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域的許多混合信號(hào)器件而言，高壓性能是一個(gè)關(guān)鍵要求，無(wú)論是電機(jī)控制、繼電器驅(qū)動(dòng)還是僅僅需要耐受瞬態(tài)高壓的能力。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在有很多高壓混合信號(hào)半導(dǎo)體加工工藝能夠滿足這一要求。

　　以AMI半導(dǎo)體公司的I3T80 Smart Power加工工藝為例，基于0.35mm CMOS的I3T80工藝可以在80V的條件下運(yùn)行，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠使用高集成度數(shù)字電路、高壓電路以及高精度模擬模塊的芯片，減少組件數(shù)量、節(jié)約空間并降低成本。

　　這種高壓工藝可使門(mén)電路密度高達(dá)15000/mm2，并包括高性能縱向浮動(dòng)nDMOS晶體管在內(nèi)的一整套高壓DMOS和雙極器件。另外，這種工藝還采用NPN和PNP雙極器件、高壓浮動(dòng)二極管和多種無(wú)源器件，并為希望使用AMIS工藝設(shè)計(jì)，需要PLL、USB接口、總線協(xié)議控制器、用于網(wǎng)絡(luò)連接的控制器、嵌入式微處理器等選件的設(shè)計(jì)人員提供IP功能塊。

　　AMIS Smart Power采用金屬-金屬電容器和良好匹配的高阻抗電阻。靜電放電(ESD)是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要方面，4.5kV HBM(人體模型)和750V CDM(設(shè)備充電模型)的額定值可以滿足最為苛刻的要求。

　　處理器和存儲(chǔ)器

　　混合信號(hào)電路的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是增加某種類(lèi)型的中央處理電路，使AMIS I3T80加工工藝適用于ARM7TDMI、R8051、6502內(nèi)核等選件。而且，由于片內(nèi)處理的需要，還出現(xiàn)了對(duì)片內(nèi)數(shù)據(jù)與程序存儲(chǔ)的要求。一般使用數(shù)據(jù)鎖存器、寄存器、RAM等易失性存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，但需要持續(xù)供電來(lái)保留數(shù)據(jù)。然而，較新的混合信號(hào)設(shè)計(jì)采用包括OTP或EEPROM等在內(nèi)的非易失性存儲(chǔ)器(NVM)選件來(lái)進(jìn)行工廠編程，最近又采用閃存選件。例如，AMIS公司為其I3T80 Smart Power高壓混合信號(hào)系統(tǒng)工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)出嵌入式高注入MOS(HiMOS)閃存。成熟的I3T80混合信號(hào)技術(shù)與強(qiáng)大的新型NVM結(jié)合，將使設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)樽類(lèi)毫拥钠?chē)與工業(yè)工作環(huán)境創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)型智能傳感器接口、智能執(zhí)行器以及其它高級(jí)單芯片器件。

　　HiMOS閃存能夠在-40℃~125℃溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。它使設(shè)計(jì)人員能夠嵌入雙排存儲(chǔ)器，其中一排是高達(dá)64kB的代碼存儲(chǔ)，另一排是高達(dá)512字節(jié)的虛擬EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由于AMIS HiMOS閃存是僅使用I3T80基本工藝掩模組上的三個(gè)額外掩模層實(shí)現(xiàn)的，因此這種基于閃存的智能化Smart Power芯片為分立元器件以及其他SoC替代方案提供了一種非常經(jīng)濟(jì)的選擇。

　　HiMOS閃存最多可提供100個(gè)代碼存儲(chǔ)擦除周期和最少10000個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)擦除周期。它能夠保存數(shù)據(jù)15年，完全滿足汽車(chē)電子組件AEC-Q100臨界應(yīng)力測(cè)試的要求。