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本周,一则新闻引起了一些波澜,本土功率器件企业捷捷微电总经理孙闫涛表示,该公司在MOSFET SGT技术方面具有一定优势,国内比捷捷微电做MOSFET早的企业有很多,但是要想做好SGT,友商的能力还有待于提高。

近些年,作为MOSFET的新技术,SGT受到越来越多中国本土厂商的重视,投入的财力和资源也不少。而从整个产业角度来看,全球范围内,在中低压MOSFET领域,SGT也属于前沿的功率器件技术,做得最好的当属英飞凌等国际功率半导体大厂。

下面,先简单介绍一下MOSFET SGT及其优势。

虽然现在IGBT很火热,相对于MOSFET也属于高端功率器件,但在广大的中低压应用当中,无论是消费类电子,还是家电,或是嵌入式系统和工业领域,MOSFET依然占据着巨大的市场份额。因此,国内外诸多厂商依然在相应的新技术研发上不断加大着投入。

MOSFET的主要特点是输入阻抗高、控制功率小、开关速度快、开关损耗小,在高频率、中小功率应用领域(电压600V以下)应用最为广泛,特别是在消费类电子应用最多。

MOSFET大致可以分为以下几类:平面型MOSFET;Trench MOSFET,即沟槽型MOSFET,主要用于低压(100V)领域;SGT(Shielded Gate Transistor,屏蔽栅沟槽)MOSFET,主要用于中低压(200V)领域;SJ-MOSFET,即超结MOSFET,主要在高压(600V-800V)领域应用。

SGT工艺比普通沟槽简单,开关损耗小。再加上SGT比普通沟槽工艺挖掘深度深3-5倍,可以横向使用更多的外延体积来阻止电压,这也使得SGT的内阻比普通MOSFET低2倍以上。

SGT技术通过减小场效应晶体管的寄生电容及导通电阻,提升了芯片性能,减小了芯片面积,与传统沟槽型场效应管相比,在同一功耗下可将芯片面积减少40%,甚至更多。独特的器件结构和掩膜版图设计提升了产品的耐用度,独特的工艺流程设计则减少了工艺步骤和掩膜板的数量,从而降低了生产成本,使产品在价格上更有竞争力。

采用SGT技术制造的MOSFET,与普通的沟槽型MOSFET和平面MOSFET相比,在功率密度上占有很大优势。由于SGT MOSFET具有较深的沟槽深度,可以利用更多的硅体积来吸收EAS能量。所以SGT在雪崩时可以做得更好,更能承受雪崩击穿和浪涌电流。

中国本土玩家

2010年之后,随着手机快充、电动汽车、无刷电机和锂电池的兴起,对中压MOSFET的需求越来越大,中压功率器件开始蓬勃发展,到现在其市场规模比高压还要大,仅次于低压。而SGT MOSFET正是中压的代表。

然而,包括SGT在内的MOSFET市场主要由国外大厂把持着,如行业龙头英飞凌,以及安森美半导体、瑞萨、东芝、意法半导体、ROHM、威世等。

与此同时,依托于本土庞大的市场,中国大陆一批功率半导体厂商也在奋起直追,MOSFET就是其中的一项,而国产器件在中低压领域替换进口品牌潜力最大,且部分国产、如士兰、华润微、吉林华微等都已经做出了一番成绩。

闻泰科技收购安世半导体之后,成为了国内功率半导体的先锋企业。安世半导体的车用中低压MOSFET质量全球领先,是博世、大陆等一线厂商的主要供货商,不仅如此,其MOSFET在消费、通讯领域同样得到广泛应用。这些都是SGT的关键应用领域。

作为中国大陆地区的主要晶圆代工企业,华润微电子和华虹半导体的MOSFET收入和技术水平也在国内功率半导体企业中名列前茅。

其中,华润微电子的MOSFET产品在国内具备较强竞争实力,是华润微最主要的产品,其耐压范围很宽( -100V-1500V),而且种类多样,不过,该公司的MOSFET是以Trench-MOS和SJ-MOSFET等为主。

华微电子是一家位于吉林的功率半导体IDM,是中国第二大功率半导体企业,MOSFET 收入占比接近50%。

扬杰科技:该公司自主设计研发的8英寸超高密度沟槽功率MOSFET产品已实现量产,多款8英寸中低压MOSFET产品研发成功。

新洁能:这是一家Fabless企业,主营业务为MOSFET、IGBT等功率器件,是国内率先掌握超结理论技术,并量产SGT MOSFET及超结功率MOSFET的企业之一,是国内最早同时拥有沟槽型功率MOSFET、超结功率MOSFET、SGT MOSFET产品平台的本土企业。

捷捷微电:该公司主营产品为各类电力电子器件和芯片,分别为:晶闸管、防护类器件、二极管(包括整流二极管、快恢复二极管、肖特基二极管等)、厚膜组件、晶体管、MOSFET、碳化硅器件等。

技术迭代

捷捷微电的孙闫涛认为,SGT MOSFET在5年内不会被其他产品取代,未来会有一些技术迭代的情况出现,迭代是结合封装技术和芯片技术的持续进步及有效匹配。

除了芯片本身技术的研发和迭代之外,封装技术的进步对于SGT,例如150V和200V的SGT MOSFET进步来说,会起到很重要的作用,如用DFN5x6封装的150V MOSFET,可以将内阻做到小于8毫欧,用TO-220封装的200V MOSFET小于9毫欧的水平。

除了外部封装,基于电子制造对MOSFET需求的变化,内部封装技术也在不断改进,主要体现在三个方面:改进封装内部的互连技术,增加漏极散热板,改变热传导方向。这些对于SGT技术的发展至关重要。

TO、D-PAK、SOT、SOP等采用焊线式的内部互连封装技术,当CPU或GPU供电发展到低电压、大电流时代,焊线式的SO-8封装就受到了封装电阻、封装电感、PN结到PCB和外壳热阻等因素的限制。

这四种限制对其电学和热学性能有着极大的影响。随着电流密度的提高,MOSFET厂商在采用SO-8尺寸规格时,同步对焊线互连形式进行了改进,用金属带、或金属夹板代替焊线,以降低封装电阻、电感和热阻。

总体来讲,随着电子制造业朝着超薄、小型化、低电压、大电流方向发展,MOSFET的外形及内部封装结构也会随之改变,以更好适应制造业的发展需求。另外,为降低电子制造商的选用门槛,MOSFET向模块化、系统级封装方向发展的趋势也将越来越明显,产品将从性能、成本等多维度协调发展。

而封装作为SGT MOSFET选型的重要参考因素,不同的电子产品有不同的电性要求,不同的安装环境也需要与之匹配的尺寸规格。

再者,要想创新,就要具备定制化SGT产品的能力,不同的应用领域,需要采用不同的SGT技术和制作工艺。芯片制造厂不同,工艺平台、设备和对应的SGT产品也会有差异,原材料外延层也是不同的,需要定制。

市场动向

从应用层面讲,我国企业在市场空间较大、下游应用较分散、进入门槛较低的晶闸管、MOSFET领域布局已久。目前,我国企业在消费电子、白色家电、工业控制、新能源领域有所突破,但真正进入高端车用领域的MOSFET企业较少。

市场研究机构Yole Développement表示,未来5年内,MOSFET市场将会出现三个明显的变化:一是Trench MOSFET将从中端下移至中低端,替代部分Planar MOSFET的低端市场,二是SGT等先进技术将下移至中端,替代Trench MOSFET在低压领域的中端市场。

在这种市场发展趋势的推动下,企业的发展策略和规划必须跟进,需要向更高水平的方向迈进。以华虹宏力在MOSFET方面的布局为例,该公司已经将功率器件产能从低端MOSFET转向高端的SGT和SJ-MOSFET。通过调整,尽量远离竞争激烈、价格低的普通MOSFET红海市场。

而随着5G、AI、EV(电动汽车)等应用市场的发展,高端MOSFET、IGBT、SiC及GaN的需求也在快速增长,很多功率半导体厂商开始布局高功率密度、低内阻的SGT MOSFET,而已有市场与新兴市场对SGT的需求还将持续增长。

目前,国外品牌已经逐渐退出中国低端MOSFET市场,主要原因是国产品牌的竞争压力所致。与前些年相比,我国的功率器件厂商在规模和性能方面有了较大进步,再加上成本优势,外商很难在中低端MOSFET市场上与国产品牌竞争。

例如,中国每年生产2000-3000万辆电动自行车,而这些电动自行车的控制器对低压MOSFET的需求量非常大。此前,该领域主要使用进口品牌的MOSFET,但近几年来,国产品牌快速崛起,逐渐控制了市场,现在,控制器厂商已经很少使用进口中低压MOSFET了。

这样,随着市场高端MOSFET的逐步下沉,以及各大功率半导体厂商向高端产品研发迈进,中国本土SGT MOSFET具有广阔的发展空间。

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