微硕SGT工艺场效应管新品上线,SGT工艺是MOSFET的未来吗?

2020-9-21 15:44:41

最近,WINSOK(微硕)对功率半导体MOSFET(场效应管)的技术进行了升级,这种技术改变了MOSFET内部电场的形态,将传统的三角形电场进一步的变为更为压缩的梯形电场,可以进一步减小EPI层的厚度,降低导通电阻,减小热阻。目前WINSOK(微硕)新一代的低、中压的功率MOSFET,广泛的采用这种技术,如:WSD40120DN56G、WSD14N10DNG、WSF15N10G、WSF45N10G等型号后缀带"G"的。其实,这神奇的MOSFET技术就是SGT工艺技术。


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微硕SGT工艺场效应管新品——WSD14N10DNG《此图仅供参考,具体以实物为主》


近些年,作为MOSFET方面的新技术,SGT工艺受到越来越多厂商的重视,投入不少的财力和资源。而从整个产业角度来看,全球范围内,在中低压MOSFET领域,SGT工艺技术也属于行业前沿的功率器件技术,而其中做得最好的公司厂家当属英飞凌等国际功率半导体大厂。


下面,先简单介绍一下SGT工艺MOSFET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,还是家用电器,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,国内外诸多公司厂家依然在相应的新技术研发上不断加大投入,例如WINSOK(微硕)


MOSFET的特点主要是:输入阻抗高、控制功率小、开关速度快和开关损耗低,在高频率、中小功率应用领域(电压600V以下)的应用最为广泛,特别是在消费类电子应用最多。


MOSFET大致可以分为以下四类:平面型MOSFET;Trench MOSFET,即沟槽型MOSFET,主要用于低压(100V)领域;SGT工艺(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。


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微硕SGT工艺MOSFET新品——WSF15N10G


SGT工艺和普通沟槽相比更加简单,开关损耗更低,结电容更小,米勒平台窄,内阻低。具体而言,SGT工艺比普通沟槽工艺挖掘深度深3-5倍,在栅电极下方增加了一块多晶硅电极,即屏蔽电极或称耦合电极。屏蔽电极与源电极相连,即实现了屏蔽栅极与漂移区的作用,减小了米勒电容,器件的开关速度得以加快,同时又实现了电荷耦合效应,减小了漂移区临界电场强度,器件的导通电阻得以减小,开关损耗能够更低。与普通沟槽式MOSFET相比,SGT工艺MOSFET的内阻要低2倍以上。


MOSFET通过SGT工艺技术减小场效应晶体管的寄生电容及导通电阻,从而提升芯片性能,减小芯片面积,与普通的沟槽型MOSFET相比在同一功耗下芯片面积减少超过4成。SGT工艺技术独特的器件结构和掩膜版图设计提升了产品的耐用度和减少了芯片面积,其独特的工艺流程设计则减少了工艺步骤和掩膜版的数量,从而减低了MOSFET的生产成本,使MOSFET产品极具性价比,更有竞争力。


采用SGT工艺技术制造的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的优势。由于SGT工艺MOSFET具有较深的沟槽深度,可以利用更多的晶硅体积来吸收EAS能量,所以SGT工艺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,到目前为止,其市场规模比高压功率器件市场还要大,仅次于低压功率器件市场。而SGT工艺MOSFET正是中压功率器件的代表。


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MOSFET 6寸晶圆片

技术迭代


有业内人士宣称,SGT工艺MOSFET在5年内不会被其他产品取代,未来将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工艺来说,例如150V和200V的SGT工艺MOSFET,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可以将内阻做到小于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,内部封装技术也不断地在改进,主要体现在三个方面:改进封装内部的互连技术,增加漏极散热板和改变热传导方向。这些对于SGT工艺技术的发展都至关重要。


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。


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SGT工艺MOSFET的未来


这四种限制对MOSFET的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来代替焊线,从而降低封装电阻、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工艺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工艺产品的能力。不同的应用领域,需要采用不同的SGT工艺技术和制作工艺。芯片制造厂不同,工艺平台、设备和对应的SGT工艺产品也会有差异,原材料外延层也是不同的,需要定制。


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微硕SGT工艺MOSFET新品——WSD4012DN56G


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。


法国市场研究机构Yole Développement曾针对MOSFET给出预判,未来5年内MOSFET将会出现三个明显的结构变化趋势: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工艺等Advanced Trench MOSFET将下移至中端,替代Trench MOSFET在低压领域的中端市场,三是SiC、GaN等宽禁带MOSFET将更占据高端市场。


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及时跟进,需要向更高水平的方向迈进,将功率器件产能从低端MOSFET转向高端的SGT工艺和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,就像微硕,专注中高端MOS管市场。


而随着现在5G、AI、EV(电动汽车)等应用市场的发展,高端MOSFET、IGBT、SiC及GaN的需求也在快速地增长,很多功率半导体厂商开始在高功率密度、低内阻的SGT工艺MOSFET上面进行布局,而既有市场和新兴市场对SGT工艺MOSFET的需求还将持续增长。


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微硕SGT工艺MOSFET新品——WSF45N10G


目前,国外品牌已经在逐渐退出中国的低端MOSFET市场,主要原因是国产品牌的竞争压力所导致的。与前些年相比,我国的功率器件厂商在规模方面和性能方面都有了很大的进步,再加上成本方面的优势,国外品牌很难在中低端MOSFET市场上与国产品牌进行竞争。


如今,随着市场上的高端MOSFET的逐步下沉,以及各大功率半导体厂商向高端产品研发的迈进,SGT工艺MOSFET具有更加广阔的发展空间,而WINSOK(微硕),正是为此而来。

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