要做到“無可替代”，國(guó)產(chǎn)功率半導(dǎo)體必須具備哪些核心優(yōu)勢(shì)？

雖然近年來，第三代半導(dǎo)體如氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）器件開始被廣泛采用，但在當(dāng)前的功率器件市場(chǎng)中用得最多的還是硅基 MOSFET 和硅基 IGBT，第三代半導(dǎo)體的銷售額占比仍舊偏小。據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole Développement 的數(shù)據(jù), 硅基 MOSFET 中主流產(chǎn)品以小電流MOS、大電流SGT以及高壓的超結(jié)（Super Junction）為主，硅基IGBT中比較常見的是Field stop工藝的600伏、1200伏和1350伏產(chǎn)品。

根據(jù)Omdia、Yole、IHS Markit等調(diào)研機(jī)構(gòu)給出的功率器件廠商市占數(shù)據(jù)，2020年至今，英飛凌在MOSFETS、分立IGBT和IGBT模塊市占上都是當(dāng)之無愧的頭把交椅。國(guó)產(chǎn)器件方面，MOSFET廠家中的華潤(rùn)、士蘭微，分立IGBT廠家中的士蘭微以及IGBT模塊中的斯達(dá)半導(dǎo)也開始進(jìn)入全球排名前列。

2020年全球IGBT分立器件及模塊市場(chǎng)格局（資料來源：Omdia,華經(jīng)情報(bào)網(wǎng)，山東神光研究所）

功率器件國(guó)產(chǎn)化速度快于全球市場(chǎng)增速

“根據(jù)我們對(duì)整個(gè)功率器件市場(chǎng)的預(yù)測(cè)，無論是MOSFET還是IGBT，從2020年到2026年整個(gè)市場(chǎng)還會(huì)有持續(xù)的增長(zhǎng)。唯一一點(diǎn)受疫情影響的是MOSFET在消費(fèi)電子領(lǐng)域會(huì)有下滑。” 11月11日，在由國(guó)際科技媒體集團(tuán)Aspencore舉辦的2022國(guó)際集成電路展覽會(huì)暨研討會(huì)（IIC Shenzhen 2022）同期“第24屆高效電源管理及功率器件論壇”上，中微半導(dǎo)體（深圳）股份有限公司功率電子事業(yè)部市場(chǎng)總監(jiān) 吳微 對(duì)國(guó)產(chǎn)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的發(fā)展和整體趨勢(shì)做了分析，并介紹了中微半導(dǎo)功率產(chǎn)品的一些替代優(yōu)勢(shì)應(yīng)用。

中微半導(dǎo)功率電子事業(yè)部市場(chǎng)總監(jiān) 吳微 

吳微分享了來自Yole和IHS Markit關(guān)于功率器件總體市場(chǎng)空間的數(shù)據(jù)。從2017-2023年全球功率器件市場(chǎng)空來看，銷售額最大的品類還是以MOSFET為主，其次是IGBT和低端二極管產(chǎn)品。從2016-2021年中國(guó)功率器件市場(chǎng)空間和國(guó)產(chǎn)化率來看，士蘭微是國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中貢獻(xiàn)最大的廠商，主要產(chǎn)品是IGBT以及IPM模塊，其次如華潤(rùn)微的MOSFET和二極管產(chǎn)品，揚(yáng)杰科技的二極管產(chǎn)品也都有不俗表現(xiàn)。

吳微認(rèn)為，全球功率器件市場(chǎng)整體在緩慢地往上增長(zhǎng)，而國(guó)產(chǎn)化的步伐走得比全球市場(chǎng)增速更快，這也意味著國(guó)產(chǎn)功率器件廠商今后還有很多機(jī)會(huì)可以挖掘。國(guó)產(chǎn)功率器件目前整體趨向如何？應(yīng)該如何發(fā)展？吳微也給出了自己的思考。

一、由于中高端功率MOSFET和IGBT自給率不足10%，國(guó)產(chǎn)替代空間巨大；

二、向價(jià)值量更高的產(chǎn)品轉(zhuǎn)型，通過提升性能和降低成本推動(dòng)晶片向集成化、小型化發(fā)展；

三、新能源汽車、可再生能源發(fā)電、變頻家電等快速發(fā)展推動(dòng)；

四、從技術(shù)迭代角度看，倚重制程工藝、封裝設(shè)計(jì)和新材料迭代，整體趨向模塊化。

中微半導(dǎo)的功率產(chǎn)品及應(yīng)用場(chǎng)景

就中微半導(dǎo)自身在功率器件業(yè)務(wù)的情況而言，目前MOSFET和IGBT芯片平臺(tái)主要包括以下幾個(gè)方面。MOS中的LDMOS屬于專利產(chǎn)品，再加上常見的中低壓Trench MOS 和 SGT MOS均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，超結(jié)高壓平臺(tái)（SJ MOS）還在開發(fā)中； IGBT 平臺(tái)中的用于家電領(lǐng)域電機(jī)驅(qū)動(dòng)的FS Trench已經(jīng)量產(chǎn)，RC FST產(chǎn)品正在開發(fā)中。

“我們對(duì)功率器件產(chǎn)品的定義和芯片研發(fā)平臺(tái)建設(shè)，都從市場(chǎng)需求出發(fā)。研發(fā)階段主要包括設(shè)計(jì)與仿真、工藝流程確認(rèn)及品質(zhì)設(shè)計(jì)，再到封裝、熱學(xué)分析、生產(chǎn)測(cè)試及極限參數(shù)，最后推廣到市場(chǎng)上。”吳微說到。

中微半導(dǎo)低壓MOS產(chǎn)品主要應(yīng)用（圖自：中微半導(dǎo)）

據(jù)介紹，中微半導(dǎo)的低壓MOS產(chǎn)品主要以Trench和SGT兩種為主，基于8吋和12吋晶圓制造平臺(tái)。內(nèi)阻范圍0.75mΩ-40mΩ，有SOT23、PDFN5*6、PDFN3*3、TO-252等多種封裝形式可選。產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域以電源產(chǎn)品、電池保護(hù)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主。“不同的應(yīng)用對(duì)MOS要求不一樣，電源中注重高頻，鋰電保護(hù)中則存在很多并聯(lián)，電機(jī)因?yàn)榕c整個(gè)系統(tǒng)結(jié)合較強(qiáng)，所以更關(guān)注電機(jī)短路之后的保護(hù)。”

中微半導(dǎo)的高壓產(chǎn)品以IGBT為主，采用高功率密度Field-Stop Trench工藝平臺(tái)，涵蓋從600V到1350V的產(chǎn)品線，7-50A電流規(guī)格。主要應(yīng)用領(lǐng)域是家用電器、變頻驅(qū)動(dòng)以及儲(chǔ)能逆變等，其中1350V方案主要用于家電產(chǎn)品。

針對(duì)各類應(yīng)用提供完整解決方案

除了供應(yīng)元器件，中微半導(dǎo)體還提供從MCU、模擬器件到功率器件的完整解決方案服務(wù)。吳微現(xiàn)場(chǎng)展示了一款針對(duì)小水泵、小風(fēng)扇和筋膜槍的小功率電機(jī)方案，采用其方案的終端有很多已經(jīng)量產(chǎn)。這類方案以30-40V，功率 120瓦以下為主，最有性價(jià)比的是10到40毫歐左右的Trench MOS產(chǎn)品，小型化封裝可以為節(jié)省PCB面積。

中微半導(dǎo)體的低壓小功率電機(jī)方案框圖（圖自：中微半導(dǎo)）

功率稍大的工具類產(chǎn)品，例如家中常用的吸塵器等電動(dòng)工具功率在幾百瓦到1000瓦左右，他們對(duì)于功率器件產(chǎn)品的要求是很小的內(nèi)阻，并且能承受較大電流。吳微表示，中微半導(dǎo)針對(duì)這類客戶提供SGT類的1-4毫歐小內(nèi)阻產(chǎn)品，封裝形式一般以PDFN5*6和TO-252為主，針對(duì)小型吸塵器還有PDFN3*3封裝。

高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案大部分也是與家用電器相關(guān)，例如廚電中的油煙機(jī)和冰箱，工業(yè)風(fēng)扇也會(huì)用到。這類應(yīng)用中微半導(dǎo)對(duì)應(yīng)的主控是CMS32M5510、CMS32M5710方案，配合600V 7A的IGBT，基本上可以滿足所有的220V輸入的電機(jī)，覆蓋從100-300W之間的所有應(yīng)用。

中微半導(dǎo)體的高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案框圖（圖自：中微半導(dǎo)）

最近兩年不少原先做戶外電源的廠商，都在關(guān)注儲(chǔ)能市場(chǎng)，為此中微半導(dǎo)開發(fā)了單向/雙向兩套完整的升壓逆變方案。其中1200W鋰電輸入，220V逆變輸出的單向儲(chǔ)能采用其600V 20A IGBT；2000W鋰電輸入的雙向可快充方案里采用600V 50A IGBT。

中微半導(dǎo)體的儲(chǔ)能逆變系統(tǒng)方案框圖（圖自：中微半導(dǎo)）

創(chuàng)新與品質(zhì)管控

除了從系統(tǒng)應(yīng)用出發(fā)提供整體解決方案，并對(duì)客戶更快速交付以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期外，中微半導(dǎo)也從功率器件本身進(jìn)行了一些創(chuàng)新。吳微表示，中微半導(dǎo)在功率器件領(lǐng)域的著力點(diǎn)是從工藝制程出發(fā)，最底層的專利技術(shù)，最具特色的鋰電保護(hù)CSP產(chǎn)品，“半導(dǎo)體廠商多一些創(chuàng)新，才能讓功率器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展得更好。”

據(jù)介紹，CSP封裝的MOS主要針對(duì)消費(fèi)電子，包括手機(jī)、平板和可穿戴設(shè)備的鋰電保護(hù)。目前該產(chǎn)品是中微半導(dǎo)體和Fab廠合作，從工藝層面開始創(chuàng)新的，與市面上現(xiàn)有的所有產(chǎn)品路線都不一樣。如下圖所示，吳微表示，中微半導(dǎo)CSP MOS的生產(chǎn)流程更簡(jiǎn)單，能在12吋產(chǎn)品上大批量生產(chǎn)，同時(shí)對(duì)設(shè)備的需求也是國(guó)產(chǎn)化設(shè)備就可以滿足工藝要求，這意味著在產(chǎn)品成本管控上有一定的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于客戶端而言，CSP工藝的芯片厚度會(huì)比傳統(tǒng)VDMOS更厚，由于封裝材料本身是很薄的，用PCB板級(jí)的貼片工藝來貼晶圓層面的器件，110μm厚的硅材料容易出現(xiàn)機(jī)械損傷。“但中微半導(dǎo)的CSP MOS可以將器件層減薄到35μm，對(duì)客戶端貼片來說也沒有問題，產(chǎn)品兼容性上實(shí)現(xiàn)全覆蓋，不需要更改任何東西。”吳微說到。

上圖是CSP MOS的典型應(yīng)用。據(jù)介紹，鑒于該產(chǎn)品的特色，目前中微半導(dǎo)接觸到的很多平板電腦（PAD）廠商都已經(jīng)開始采用。

好產(chǎn)品離不開品質(zhì)管控，吳微表示，把控質(zhì)量一直都是中微半導(dǎo)的頭等大事，功率器件作為電控系統(tǒng)中承受高電流、高電壓、高熱量的核心部件，也是系統(tǒng)中容易引發(fā)失效關(guān)鍵點(diǎn)。中微半導(dǎo)體在產(chǎn)品管理的全過程中引入質(zhì)量管理體系，從品質(zhì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、可靠性試驗(yàn)三個(gè)方面不斷優(yōu)化提升產(chǎn)品品質(zhì)。

在可靠性測(cè)試環(huán)節(jié)，中微半導(dǎo)會(huì)進(jìn)行MSL Preconditioning、High Temperature Reverse Bias、High Temperature Gate Bias、High Accelerated Temperature and Humidity Stress Test、Temperature cycle、High Temperature Operating Life、Low Temperature Operating Life等7項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

不單單做平替，要做到“無可替代”

“在做國(guó)產(chǎn)功率器件這件事上，國(guó)內(nèi)廠商如果只是做一個(gè)器件的替換，往往會(huì)更關(guān)心性能和價(jià)格，在很多的市場(chǎng)環(huán)境下價(jià)格甚至更重要。”吳微說到，“這樣芯片廠商除了做工藝上的創(chuàng)新，沒有太多剩余可操作的空間。所以功率器件公司對(duì)工藝的開發(fā)也是整個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的重點(diǎn)工作。”

但是功率器件的周邊還會(huì)有很多搭配的產(chǎn)品，如數(shù)字、模擬以及算法，這些產(chǎn)品在客戶端產(chǎn)品的開發(fā)中也能起到關(guān)鍵作用。所以除了替換，國(guó)產(chǎn)廠商還應(yīng)該想“怎樣讓整套方案做到無可替代”。吳微展示了公司在電動(dòng)工具里中微半導(dǎo)的創(chuàng)新方案，下圖兩套都是中微自己的方案，但一步一步走下來把成熟、固定化的方式都通過集成的方式讓芯片變得和別人不兼容，同時(shí)方案從整體結(jié)構(gòu)上更簡(jiǎn)潔。

這種創(chuàng)新就是芯片級(jí)的硬件創(chuàng)新。以電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例，一般電機(jī)驅(qū)動(dòng)里會(huì)有MCU、驅(qū)動(dòng)、功率器件以及溫度和電流檢測(cè)幾個(gè)部分，這類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很難有大的改變。但從方案的角度，卻可以有千奇百怪的組合，可以把MCU和驅(qū)動(dòng)組合，也可以把驅(qū)動(dòng)和功率器件結(jié)合針對(duì)另一部分市場(chǎng)。不同的集成方式都會(huì)帶來對(duì)不同應(yīng)用的可能性，需要貼近市場(chǎng)、聆聽市場(chǎng)的聲音來判斷這類優(yōu)化是否有價(jià)值。

除了芯片級(jí)創(chuàng)新，還可以用“硬件+軟件”的形式來進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)來創(chuàng)新。例如，電流是不是可以不用通過檢測(cè)電阻來檢測(cè)？溫度是不是一定需要用熱敏電阻（NTC）？因?yàn)镹TC本身并不敏感，溫度傳輸檢測(cè)反應(yīng)速度是秒級(jí)的，“我們可以思考如何做到功率器件溫度更實(shí)時(shí)的檢測(cè)以及做保護(hù)、驅(qū)動(dòng)。這些都可以通過集成、軟件算法的響應(yīng)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。如果想把交給客戶的整體方案做到無可替代，就必須要拓展我們的創(chuàng)新空間。”吳微總結(jié)道。