[原创] 这种先进MOSFET在中国前途无量？
2020-06-11
14:00:04
来源: 半导体行业观察
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。
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。
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。
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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