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​国产MOSFET,实力几何?

最新更新时间:2021-09-08
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据Yole 最新发布的的硅MOSFET报告,中国厂商占硅MOSFET销售额的38%。除了IGBT、SiC、GaN等大火大热的功率器件之外,硅MOSFET也是我们不容忽视的领域,那么国内MOSFET企业的实力如何呢?

占据功率半导体40%份额,MOSFET凭啥?


MOSFET于1980年左右问世,是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效应晶体管,用于将输入电压的变化转化为输出电流的变化,起到开关或放大等作用。1990年左右沟槽结构MOSFET逐步研发成功。2008 年,英飞凌率先推出屏蔽栅功率MOSFET。现在市场主流的MOSFET主要分为四大类:超结MOSFET、平面型MOSFET、屏蔽栅沟槽 MOSFET和沟槽型 MOSFET。

MOSFET是功率半导体的一种,在日常生活中,凡涉及发电、输电、变电、配电、用电、储电等环节的,均离不开功率半导体。功率半导体器件作为不可替代的基础性产品,广泛应用于国民经济建设的各个领域。

功率半导体主要可以分为功率器件和功率 IC。功率器件属于分立器件,可进一步分为二极管、晶体管、晶闸管等,其中二极管主要包括TVS二极管、肖特基二极管、整流二极管等,晶体管则主要包括 MOSFET、IGBT、双极性晶体管Bipolar(也叫三极管)等;功率IC属于集成电路中的模拟IC,可进一步分为AC/DC、DC/DC、电源管理IC、驱动IC等。

在这三种晶体管的市场竞争格局方面,三极管的市场相对比较分散,因其价格低,在少数价格敏感、感性负载驱动等应用中还有一定需求,但由于三极管存在功耗偏大等问题,在全球节能减排的大环境下,其市场规模总体趋于衰退,正在被MOSFET所取代。所以MOSFET和IGBT市场集中度较高。行业人士指出,MOSFET大约占据整个功率器件市场40%左右的份额。

那么MOSFET为何会占据如此大市场占比?诺芯半导体的负责人徐吉程告诉笔者,主要系MOSFET的结构决定的:首先,MOSFET器件是电压控制型器件,即由电压控制电流的大小,在应用中容易控制;其次,MOSFET工作频率高,相比于IGBT和三极管器件,更符合高频化发展的需求;再次,MOSFET是单一载流子导电(电子),而IGBT和三极管都是多子导电(电子和空穴),所以MOSFET不存在载流子复合效应,因此无电流拖尾等现象发生,更好用。

不同功率器件的功率、频率范围及各自的应用领域(来源:应用材料《Nanochip Fab Solutions》)

虽然在MOSFET大的市场格局中,主要由欧美日企业把控,2020年MOSFET前十大企业分别为英飞凌、Onsemi、ST、Vishay、Renesas、东芝、Alpha and Omega以及被闻泰科技收购的安世半导体,他们大约占据我国高端功率器件约90%的市场份额。而我国功率器件在中低端产品层次竞争较为充分,国产器件在中低端的占比相对较高。不过国内的MOSFET企业这几年已经开始向高端迈进,相信会逐渐占据一席之地。

图源:Yole

来势汹汹的国内MOSFET玩家


这几年国内MOSFET厂商发展的不错,有很多新兴起的Fabless设计公司和晶圆厂。而且他们的设计和工艺上提升很快,在锂电保护,电源和电机等领域拿下不少市场。半导体功率器件行业的特点是市场化程度较高,行业集中度低,而且其价值链较短,前段晶圆制造能力和后端封装能力是构成产品附加值的核心,但国内真正具备芯片研发、设计、制造全方位综合竞争实力的国内本土公司只有少数。

国内MOSFET的IDM企业主要有华润微、士兰微、扬杰科技以及吉林华微,MOSFET的Fabless企业主要有新洁能、捷捷微电、富满电子、龙腾半导体、韦尔股份、东微、尚阳通、芯派、芯导科技、诺芯半导体等。

国内部分MOSFET厂商及其经营模式一览(数据来源:公司官网公开信息)

领先的功率半导体企业主要依靠长期的技术积累形成丰富的产品结构,涵盖各大应用领域,且能够为具体应用领域提供综合解决方案,因而占据了较高的市场份额。如英飞凌的功率半导体产品划分了15个大类,其中仅功率MOSFET便有超 2,500种细分型号。国内功率半导体厂商由于起步较晚,在技术储备与产品结构上仍存在一定不足。由上图我们也可以看出,国内的MOSFET厂商在产品型号数量上还有差距。

华润微是以IDM模式为主的半导体企业,是中国规模最大的功率器件企业之一,也是国内营业收入最大、产品系列最全的 MOSFET 厂商。是目前国内少数能够提供-100V至1500V 范围内低、中、高压全系列 MOSFET 产品的企业,也是目前国内拥有全部主流MOSFET器件结构研发和制造能力的主要企业,生产的器件包括沟槽栅MOS、平面栅 VDMOS 及超结MOS等。2020年度,华润微实现营业收入69.77亿元,其中MOSFET收入超过20亿元。2020年华润微MOSFET产品与服务板块产品销售了271.46亿颗。

士兰微主要MOSFET产品为超结 MOSFET 和高密度沟槽栅 MOSFET这两种,也有一些屏蔽栅SGT MOSFET。工艺技术平台方面,士兰微目前已稳定运行有5、6、8 英寸芯片生产线,12英寸芯片生产线已经建设完成,并开始量产。

扬杰科技的屏蔽栅沟槽MOS SGT YG1代产品已经陆续研发成功,正在为国产替代做准备。同时第二代产品已接近或达到国际同行公司最相近的5代技术水平。其晶圆工厂主要是硅基4寸和6寸,并在进一步规划8寸晶圆厂。

华微电子主要是中低压 CCT MOS、超结 MOS。公司拥有4英寸、5英寸、6英寸与8英寸等多条功率半导体晶圆生产线。

而在Fabless一众厂商中,新洁能的实力不菲,MOSFET也是其专攻的产品。据新洁能的说法,新洁能是国内率先掌握超结理论技术,量产屏蔽栅功率MOSFET 及超结功率 MOSFET的企业之一,并且是国内最早在12 英寸工艺平台实现沟槽型MOSFET、屏蔽栅MOSFET量产的企业之一。公司的MOSFET产品电压已经覆盖了12V~1350V 的全系列产品,达1300余种,公司是国内 8 英寸和 12 英寸工艺平台芯片投片量最大的半导体功率器件设计公司之一。新洁能的董事长兼总经理朱袁正先生,是国内最早一批专注于 8 英寸和12 英寸芯片工艺平台对MOSFET、IGBT等先进的半导体功率器件进行技术研发和产品设计的先行者之一。

捷捷微电的MOSFET主要采用Fabless+封测的业务模式,目前,芯片(8英寸)全部为委外流片,部分器件封测代工。公司MOSFET系列产品主要包括中低压沟槽MOSFET产品、中低压分离栅MOSFET产品、中高压平面VDMOS 产品以及超结MOS等产品。

富满电子也采用 Fabless+封装测试的经营模式,2020 年度,富满电子实现营业收入 8.36 亿元,归母净利润 1.00 亿元,其中MOSFET产品的收入为5470万元,占总营收的6.54%。据官网的产品信息显示,富满电子约有60余种MOSFET产品系列。

2020年韦尔股份销售了12.6亿颗MOSFET,超过了实际生产量12.5亿颗。韦尔股份的MOSFET产品主要围绕着锂电保护、手机主板以及快充等领域进行开发。他们的MOSFET产品最小 pitch(特征尺寸)小于1μm,最小设计线宽小于0.2μm。在锂电保护领域,公司有超低阻抗1mohm、CSP封装的双N型单节锂电池保护MOSFET。DFN2x2小型封装产品,阻抗业界最低,应用于充电管理和端口保护。在快充领域正在开发高压和中压产品。

据招股书显示,龙腾半导体是国内少数拥有超结MOSFET、平面型MOSFET、屏蔽栅沟槽 MOSFET和沟槽型 MOSFET四大主流功率MOSFET产品类别的公司,产品型号超过500种。早在2016年公司的超结L1、L2平台部分产品便被英飞凌列入同类产品竞品参照列表。还是行业中较早掌握超结理论,并量产超结 MOSFET 的公司之一。2020年其共计销售了8600多万只MOSFET封装成品。龙腾半导体正在逐渐向FAB-lite模式发展,今年6月24日,其发布招股书欲募资11.8亿元,拟通过自建 8 英寸功率半导体外延片产线的方式,实现由Fabless 模式向 Fab-Lite 模式的转变。公司的一部分核心产品超结 MOSFET 的生产模式将由向晶圆代工厂定制化采购转变为采购硅片后自主制造特色工艺外延片,再通过外协方式完成后续的 MOSFET制造工序。

芯导电子主要生产功率器件和功率 IC,不过MOSFET收入在2020年只占10.8%。据了解,芯导电子的MOSFET的沟槽优化技术使得产品在1mm*0.6mm的小封装尺寸下的导通阻抗可低至62毫欧。目前行业在相同封装尺寸的 MOSFET产品导通阻抗为120毫欧左右。

绍兴诺芯半导体也是一家专注在MOSFET领域的Fabless企业,主要做Trench MOS和低功耗高频SGT MOS,采用8英寸工艺制程。据了解,公司的100V SGT产品性能可直接对标国际公司,打破了国外垄断。

在MOSFET高端技术领域,其实国内厂商与国外厂商差距不大,主要是在制造技术上差距比较大,高端的MOSFET我们是有能力设计和制造生产出来的。据徐吉程的观点,与国外厂商比,国内厂商的差距有如下几点:1. 对应用市场理解的深度,2. MOSFET与方案的配合度,方案需要哪些特性的产品很重要,3. 制造工艺的管控度,比如trench的角度和一致性等,4. 封装工艺的管控程度,5. 测试时的严格的程度,6. 先进技术的探索和研发的程度,7.原材料的研究与提升,6. 市场给国内厂商试错的程度,等等。

徐吉程还指出:“相比英飞凌和安森美等国际大公司,我们与之的差距正在逐渐缩小,在器件pitch size,工艺技术等方面可以相互媲美,关键的差距在于细节控制,包括细节管控和对高端技术理解的深度。同时还有对终端环境的理解。在终端方案中,一般终端方案在design in时以国外厂商的产品为基础,等国内器件去替代时,就会有难度,因为不可能制造出与国外厂商完全match的产品来,因此在核心参数上,就会有偏差,甚至引起失效,而如果以国内产品直接design in就会好很多。并且产品出问题时,不要一棍子打死,要给国内厂商解决问题的机会,不断改善和优化性能,一定能满足客户要求,同时国内厂商一定要控制好优化和改进的时间,不能拖得太久。”

晶圆代工厂是MOSFET的坚强后盾


“如硅基MOSFET这样的功率半导体属于模拟器件范畴,对于模拟器件来说,要设计与工艺完美结合才能制造出好的产品来,器件的形貌,参数,特殊要求的工艺技术等等,都需要设计厂商与代工厂的共同努力,才能实现,并且在产品研发确定后,产能更是王道,这些足以看出代工厂的重要性。”徐吉程告诉半导体行业观察记者。所以国际一线企业大多数采用IDM模式。

目前国内MOSFET的晶圆代工厂主要有华虹宏力、华润上华、上海先进、中芯集成、四川广义,广州粤芯等。得益于国内 FAB 厂的技术沉淀与发展,结合国内设计公司的设计优势,目前部分国产功率器件的性能基本与国际大厂相当。不少公司的部分MOSFET等功率器件产品在技术上处于国内前列,与国际大厂的技术相当。例如龙腾半导体的650V超结MOSFET 产品的Rsp达到了16.45mΩ*cm2,而英飞凌先进的CoolMOSTM P7系列产品Rsp为8.80mΩ*cm2

国内主要纯MOSFET晶圆代工厂(数据来源:公司官网公开信息)

华虹宏力作为国内第一家提供功率器件代工服务的8英寸纯晶圆代工厂,2002年公司成立了国内第一条8英寸Trench MOSFET代工生产线。华虹无锡12英寸晶圆厂(华虹七厂)于2019年落成。目前华虹宏力已成功开发了沟槽类型的600V MOSFET和超级结结构的600-700V MOSFET。

华润上华科技有限公司是华润微电子有限公司的全资附属公司,于1997年开始在大陆开放晶圆代工。华润上华拥有两条六英寸代工线和一条八英寸代工线,总部和生产线设于无锡。六英寸月产能逾11万片,工艺线宽在0.5微米以上;八英寸生产线目前月产能已达4万片,工艺线宽在0.5~0.13微米。MOS型场效应晶体管有200V以下系列、400-500V系列和600V系列三个系列有80多个品种。

上海先进半导体制造有限公司有5英寸、6英寸、8英寸晶圆生产线,专注于模拟电路、功率器件的制造,8英寸等值晶圆年产能66.4万片。现已形成包括平面MOSFET、Trench MOSFET和Super-Junction MOSFET等在内的多种类MOSFET工艺平台。具备完整的MOSFET正面/背面工艺解决方案。

绍兴中芯集成主要为MOSFET、IGBT以及MEMS等提供特色工艺代工服务,基于8英寸工艺技术。它提供完整的MOSFET工艺平台,包括沟槽式MOSFET、分栅式MOSFET以及超结MOSFET,包括先进的手机工艺以及特殊金属沉积工艺等。

四川广义微电子是遂宁市引进的第一家半导体芯片制造项目,现有一条月产能5万片6英寸集成电路生产线,产品领域涉及高压VDMOS、双极IC、COOL MOS工艺平台、TRENCH MOS、IGBT、肖特基等6大门类,最小线宽0.25μm。

广州粤芯是广东省目前唯一进入量产的12 英寸芯片生产平台,其主打“定制化代工”策略,粤芯半导体项目计划分为三期进行,一期主要技术节点为180-90nm制程,二期技术节点延伸至 90-55nm 制程,三期技术节点进一步延伸至55-40nm,22nm制程,三期建设全部完成投产后,将实现月产近8万片12 英寸晶圆的高端模拟芯片制造产能规模,将为功率分立器件、电源管理芯片、混合信号芯片、图像传感器、射频芯片、微控制单元等芯片需求。

由晶圆厂的主要产线布局也可以看出,国内的硅基MOSFET主流的尺寸主要集中在8英寸,并且逐渐向12英寸过渡。向12英寸硅晶圆的过渡,硅MOSFET 的成本将进一步降低,这将使它们的成本更具竞争力。

写在最后


如MOSFET这样的模拟器件,想较于数字集成电路,其对工艺制程的要求较小,投资规模也小很多,不像数字电路建厂动辄要花费百亿美金,且模拟产品性能与应用场景密切相关,下游的应用领域广泛,所以功率半导体行业较难形成垄断性企业,即使是功率半导体龙头在功率器件市场的占比也仅为19%,前十大企业的市场份额也不足60%。所以功率半导体可以说是中国半导体产业发展和崛起的一个突破口。

Yole Developpement预估,到2026年,MOSFET市场规模将达到94亿美元,2020~2026年的复合年增长率将达到3.8%。国内企业要争的蛋糕很大。


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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