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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-01-10 19:41
1. Si MOSFET
功率MOSFET應(yīng)用涉及到三種類型：直流電機(jī)、電磁閥及LED等負(fù)載的驅(qū)動；電源防反接、防過流等保護(hù)電路；電源模塊中的Buck、Boost、SEPIC等DC/DC變換電路。
目前汽車上MOSFET管主要分為兩類，第一類為40-100V低壓MOSFET管，用于12V/48V的車載低壓電氣系統(tǒng)，普遍采用溝槽柵MOSFET結(jié)構(gòu)，但溝槽柵本身也一直在持續(xù)創(chuàng)新和迭代，其中最具代表性的為Split-gate Trench (Shielded Gate Trench, SGT)分離柵溝槽結(jié)構(gòu)，目前Infineon OptiMOS、Onsemi均已在低壓MOS中普遍采用，而NXP則將超級結(jié)技術(shù)引入低壓Trench MOS中，推出全新Trench 9超級結(jié)技術(shù)，從而盡可能降低導(dǎo)通內(nèi)阻及功率損耗。
第二類應(yīng)用為500-800V的高壓MOS管，主要用于車載OBC、DC/DC等電動化車型新增的應(yīng)用場合，普遍應(yīng)用超級結(jié)Super Junction技術(shù)，在降低導(dǎo)通電阻的同時，提升開關(guān)頻率，做到響應(yīng)速度與功率損耗之間的平衡。
MOSFET管特征
2.Si MOSFET 市場規(guī)模
據(jù)Yole 數(shù)據(jù)預(yù)測，至 2025 年，全球功率半導(dǎo)體分立器件和模塊的市場規(guī)模將 分別達(dá)到76億美元和113億美元。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，2023年中國大陸地區(qū) IGBT 市場規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到290.8億元，同比增長11.6%。據(jù)中國半導(dǎo)體器件行業(yè)現(xiàn)狀 深度分析與未來投資預(yù)測報(bào)告數(shù)據(jù)，2023 年中國大陸地區(qū) MOSFET 市場規(guī)模將達(dá) 到396.2 億元（56.6億美元，人民幣兌美元匯率按照7計(jì)算），同比增長4.8%，其中不到30%應(yīng)用于汽車行業(yè)，前五大廠商合計(jì)市場份額超過60%，汽車用MOSFET市場基本被外資企業(yè)壟斷。全球MOSFET營收前十的廠商仍然以歐、美、日廠商為主，其中英飛凌以29.7%的市場份額遙遙領(lǐng)先，位居全球功率MOSFET市場第一，前2大廠商英飛凌和安森美營收之和占比為37.4%，前10大公司營收之和占比高達(dá)78.2%。
MOSFET汽車應(yīng)用（電動汽車和汽車充電樁）占比居首位，高達(dá)33%，其中電 動汽車和充電樁分別占比25%和8%。從耐壓范圍看，到2026年，低壓MOSFET （0-40V）占總需求的39%，中壓（41V-400V）占 26%，高壓（大于等于600V）廣 泛應(yīng)用在220V系統(tǒng)中，占總需求的35%。同時，SiC MOSFET和GaN MOSFET 市場滲透率在逐步提高。
低壓MOSFET市場已經(jīng)較為成熟，國際廠家開始研發(fā)超結(jié)MOS、IGBT、SiC MOS等高壓器件，力求抓住新增長機(jī)遇。考慮到低壓MOS技術(shù)迭代速度放慢，國產(chǎn)供應(yīng)商有望進(jìn)一步縮小與外資的差距，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。目前國內(nèi)功率MOSFET企業(yè)在消費(fèi)和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多，但汽車供應(yīng)鏈配套經(jīng)驗(yàn)較少，尤其缺乏下游汽車電子一級供應(yīng)商的支持，在汽車行業(yè)經(jīng)歷嚴(yán)重缺芯的大背景下尤其需要加強(qiáng)上下游產(chǎn)業(yè)鏈合作，發(fā)展國內(nèi)器件供應(yīng)鏈。、
3. 國產(chǎn)功率類芯片發(fā)展情況
（1）總體現(xiàn)狀
車用電機(jī)控制器領(lǐng)域，自主品牌的Tier 1的產(chǎn)品線可覆蓋25~260kW，使用的功率器件涵蓋Si MOSFET、IGBT、SiC MOSFET、GaN FET，封裝形式包含離散器件（如MOSFET 的TO-263封裝、IGBT的TO-247封裝）、半橋封裝、三相全橋封裝。國產(chǎn)Si基IGBT、MOSFET功率器件，從芯片制造、封裝、測試等流程已經(jīng)較為成熟，基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)芯片的替代，并在成本方面有較大的優(yōu)勢。
應(yīng)用于A00級車型的功率器件根據(jù)電池電壓不同，一般分為100V-180V電壓，200V-450V的電壓，兩種工作電壓范圍。在A0、A00級產(chǎn)品中，因系統(tǒng)成本要求比較嚴(yán)苛，通常功率單元除了使用模塊的方式，也會采用多功率器件并聯(lián)的方式組成功率單元，增加功率密度同時降低成本。
· 100V-180V電壓系統(tǒng)：因工作電壓相對低，工作電流較大（通常會達(dá)到350Arms以上），通常采用MOSFET并聯(lián)方式，常規(guī)的并聯(lián)數(shù)量為8~14顆，斯達(dá)、士蘭微等均已推出相關(guān)產(chǎn)品，并完成驗(yàn)證。如士蘭微公司的TO-263-2L封裝的SVGP157R2NSTR（150V,100A），應(yīng)用于30kW A00級車用逆變器，采用8并聯(lián)方式，輸出電流375Arms。
· 200V-450V電壓系統(tǒng)：因電壓相對較高，通常采用TO247封裝的IGBT單管并聯(lián)方案作為主驅(qū)功率單元，功率器件耐壓600V、電流能力120A以上。國內(nèi)器件廠商，如士蘭微、斯達(dá)半導(dǎo)體在這一應(yīng)用領(lǐng)域也已經(jīng)有量產(chǎn)化的產(chǎn)品。斯達(dá)半導(dǎo)體推出的DG120X07T2 120A/600V芯片，搭載應(yīng)用于35kW三合一產(chǎn)品，器件在雜散參數(shù)控制、輸出電流能力以及一致性等方面，均已達(dá)到與國際大廠競爭的水平。
應(yīng)用于A0型級別的IGBT模塊作為功率器件也是一種比較主流的方案。IGBT模塊相對于單管并聯(lián)產(chǎn)品，集成化程度更高，也減小了因器件參數(shù)不一致可能導(dǎo)致的壽命縮短的風(fēng)險(xiǎn)，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性相對受限。模塊類的產(chǎn)品在汽車應(yīng)用類比較成熟，同時也是國產(chǎn)芯片、國產(chǎn)模塊的主要應(yīng)用場合。斯達(dá)半導(dǎo)體推出的國產(chǎn)化650V/400A IGBT模塊GD400FFX65P3S應(yīng)用于長城汽車歐拉“貓”系列和雷諾Dacia Spring Electric車型。
應(yīng)用于A級車型的功率器件工作電壓一般為240V-450V，通常使用IGBT模塊作為功率器件，模塊電流能力600A-800A。國內(nèi)如中車半導(dǎo)體、斯達(dá)半導(dǎo)體等都推出了性價(jià)比較高的產(chǎn)品，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)化的應(yīng)用，如長安汽車采用了斯達(dá)半導(dǎo)體P6封裝820A/650V IGBT模塊，進(jìn)行了國產(chǎn)化模塊的替代。
應(yīng)用于B級車以上車型的主驅(qū)應(yīng)用場合可大致分為兩種路線：400V系統(tǒng)和800V系統(tǒng)。
· 400V系統(tǒng)最高工作電壓一般在500V以下，電流較大，基于當(dāng)前成熟的IGBT芯片，并在封裝、散熱進(jìn)行加強(qiáng)，仍能滿足一些產(chǎn)品的需求，國產(chǎn)化的功率芯片仍然有一定的應(yīng)用。同時，基于GaN FET的電機(jī)控制器、DCDC、OBC的樣機(jī)已經(jīng)完成，體現(xiàn)了較好的性能指標(biāo)。由于GaN器件耐壓通常為650V~950V，可應(yīng)用于400V電壓平臺，但因其損耗低，制造同傳統(tǒng)Si基工藝，具有良好的市場前景。
· 800V系統(tǒng)模塊耐壓需要1200V或以上，同時電流需要達(dá)到400Arms以上，常規(guī)的IGBT模塊可能無法滿足要求，整車廠和Tier 1使用第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件替代IGBT。目前行業(yè)中可量產(chǎn)的SiC芯片廠家，主要還是以Infineon、Rohm、ST、Wolfspeed等國外半導(dǎo)體廠家為主。國內(nèi)芯片廠家還沒有正式可應(yīng)用主驅(qū)逆變器的SiC MOSFET芯片，中車半導(dǎo)體、三安光電、中國電科等在SiC MOSFET芯片上也在進(jìn)行持續(xù)研發(fā)，并已推出第一代產(chǎn)品。如中國電科與斯達(dá)半導(dǎo)體合作開發(fā)的基于WM1A025120B芯片（1200V/25mΩ）的SiC MOSFET模塊MD63HTO120P6HE（1200V/6.3mΩ），預(yù)計(jì)在2023-2024年，國產(chǎn)SiC芯片在主驅(qū)逆變領(lǐng)域會通過自身產(chǎn)品迭代，達(dá)到量產(chǎn)。
（2）芯片上車進(jìn)度
斯達(dá)半導(dǎo)體自主開發(fā)并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的新能源車用IGBT芯片主要包括：650V、750V以及1200V系列，單芯片電流等級涵蓋：150A、200A及270A，芯片采用國際上最新一代溝槽柵場中止結(jié)構(gòu)（Trench + Field Stop），具有低損耗、高功率密度及高結(jié)溫的優(yōu)點(diǎn)，基于斯達(dá)半導(dǎo)體自主開發(fā)的IGBT芯片，開發(fā)出全系列車用IGBT模塊產(chǎn)品，模塊可滿足功率等級從30kW到200kW的電機(jī)控制器的應(yīng)用要求，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)A00級、A0級、A級及B級車的廣泛應(yīng)用，成功取代國外進(jìn)口產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，公司車規(guī)級IGBT模塊從2012年開始進(jìn)入新能源汽車行業(yè)開始批量應(yīng)用，截至目前公司產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)裝車應(yīng)用超過十年時間，截至2022年底公司車規(guī)級模塊已實(shí)現(xiàn)累計(jì)裝車應(yīng)用超過200萬輛，其中2020年度實(shí)現(xiàn)20萬輛裝車應(yīng)用，2021年裝車應(yīng)用超過60萬輛，預(yù)計(jì)2022全年裝車輛應(yīng)用將超過100萬輛。
斯達(dá)半導(dǎo)體從2015年開始研發(fā)車用碳化硅模塊，經(jīng)過多年研發(fā)攻克了碳化硅模塊封裝的銀漿燒結(jié)、銅線鍵合等關(guān)鍵工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車用碳化硅模塊的小批量生產(chǎn)，目前已獲得多家國內(nèi)外整車廠及Tie1客戶的下一代碳化硅控制器的項(xiàng)目定點(diǎn)，同時公司開發(fā)的碳化硅模塊在車載充電（OBC）等領(lǐng)域也已開始批量應(yīng)用，目前公司已開發(fā)出電壓等級覆蓋750V、900V、1200V，電流等級覆蓋100A-800A的全系列碳化硅模塊產(chǎn)品。
比亞迪半導(dǎo)體公司是比亞迪子公司，是中國最大的車規(guī)級IGBT廠商，公司擁有包含芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測試和下游應(yīng)用在內(nèi)的一體化經(jīng)營全產(chǎn)業(yè)鏈。根據(jù)科創(chuàng)板日報(bào)消息，目前比亞迪車規(guī)級的IGBT已到5代，碳化硅MOSFET已到3代，自有SiC產(chǎn)線正在建設(shè)中。比亞迪旗艦車型漢EV四驅(qū)版是國內(nèi)首款批量搭載SiC MOSFET組件的車型，按照比亞迪公布的計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2023年，其旗下電動車將實(shí)現(xiàn)碳化硅功率半導(dǎo)體全面替代，整車性能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提升10％。
中車時代半導(dǎo)體是中車時代電氣子公司，主要生產(chǎn)大功率晶閘管、IGCT、IGBT及SiC器件及其組件，以IDM模式，聚焦軌道交通、高壓輸配電和新能源市場，著眼于推進(jìn)新能源汽車組件配套建設(shè)項(xiàng)目，包括電控、電機(jī)、IGBT、傳感器在內(nèi)的系統(tǒng)集成。目前，公司功率器件產(chǎn)品要應(yīng)用于軌道交通、新能源汽車、光伏逆變器等領(lǐng)域，IGBT已覆蓋750V-6500V，SiC器件已覆蓋650V-1700V，700V、3300V混合SiC牽引變流器以及3300V全SiC牽引變流器已規(guī)模應(yīng)用。
上海貝嶺股份有限公司功率半導(dǎo)體事業(yè)部主要聚焦于MOSFET和IGBT，中低壓MOS產(chǎn)品覆蓋20V~100V系列,主要應(yīng)用于工業(yè)控制、電機(jī)驅(qū)動、新能源以及汽車周邊等；中高壓MOS系列覆蓋150V~1500V系列，主要應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)控制，通訊電源，電網(wǎng)等；IGBT覆蓋400V~1200V，具備單管和模塊的研發(fā)和生產(chǎn)能力，擁有車規(guī)級點(diǎn)火IGBT（ BLG3040）等特色產(chǎn)品。
4. 汽車SI MOSFET必須通過AEC-Q101認(rèn)證
AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)是用于分立半導(dǎo)體器件的，標(biāo)準(zhǔn)全稱：Failure Mechanism Based Stress Test Qualification For Discrete Semiconductors，基于分立半導(dǎo)體應(yīng)力測試認(rèn)證的失效機(jī)理，名字有點(diǎn)長，所以一般就叫“分立半導(dǎo)體的應(yīng)力測試標(biāo)準(zhǔn)”?，F(xiàn)在的Rev E版本是2021.03.01剛發(fā)布的最新版。
AEC-Q101認(rèn)證包含了分立半導(dǎo)體元件最低應(yīng)力測試要求的定義和參考測試條件，目的是要確定一種器件在應(yīng)用中能夠通過應(yīng)力測試以及被認(rèn)為能夠提供某種級別的品質(zhì)和可靠性。
AEC-Q101按Wafer Fab晶圓制造技術(shù)，分為以下幾種，主要是MOS、IGBT、二極管、三極管、穩(wěn)壓管、TVS、可控硅等。
①AEC-Q101產(chǎn)品驗(yàn)證流程
② AEC-Q101測試項(xiàng)目分組
各項(xiàng)參數(shù)測試：如性能測試、外觀、參數(shù)驗(yàn)證、物理尺寸、熱阻、雪崩耐量、短路可靠性、介質(zhì)完整性等；
環(huán)境應(yīng)力實(shí)驗(yàn)：按照軍用電子器件環(huán)境適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)和汽車電子通用環(huán)境適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行器件的應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，如高溫反偏、高溫柵偏壓、溫度循環(huán)、高壓蒸煮、HAST、高溫高濕反偏、高溫高濕工作、間歇工作壽命、功率溫度循環(huán)、常加速、振動、沖擊、氣密性等；
工藝質(zhì)量評價(jià)：針對封裝、后續(xù)電子組裝工藝，以及使用可靠性進(jìn)行的相應(yīng)元器件工藝質(zhì)量評價(jià)，如ESD、DPA、端子強(qiáng)度、耐溶劑試驗(yàn)、耐焊接熱、可焊性、綁線拉力剪切力、芯片推力、無鉛測試等。
來源：Internet
