半导体功率元器件助焊剂清洗合明科技分享：主流功率器件MOSFET和IGBT对比分析
半导体功率元器件清洗合明科技分享：主流功率器件MOSFET和IGBT对比分析
文章来源于微信公众号：深度行业研究 乐晴智库精选
半导体功率器件广泛应用于汽车、家电、光伏、风电、轨交等领域，渗透进了人们生活的方方面面。
功率半导体器件可以用来控制电路通断，从而实现电力的整流、逆变、变频等变换。
一般将额定电流超过1A的半导体器件归类为功率半导体器件，这类器件的阻断电压分布在几伏到上万伏。
常见的功率半导体器件有金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管芯片(IGBT)及模块等。
电子设备正朝着高频、高效、高可靠、高功率和低成本的发展方向，相应的功率器件也要求高频、高可靠、低损耗和低成本。
目前主流的功率器件主要是MOSFET和IGBT。
日本ROHM公司在中国举办发布会，发布业界最快trr性能的600V超级结MOSFET PrestoMOS系列。罗姆半导体（上海）有限公司设计中心高级经理水原德健对MOSFET和IGBT做了市场优劣势分析：
MOSFET优点是高频，可以工作到几百KHZ，甚至MHZ、10MHZ都没问题；缺点是不耐高压，在高压大电流场合功耗较大，1500W以上就没有优势了。IGBT优点是导通压降小，耐高压．功率可以达到5000W；弱点是开关频率最大40—50KHz，开关损耗大。
MOSFET一般在较低功率应用及较高频应用（即功率）
罗姆的高耐压超级结MOSFET
功率元器件一般是由硅、碳化硅、氮化镓这三种材料做成，碳化硅和氮化镓是相对新的功率器件材料。而本次发布会介绍的产品——超级结MOSFET和PrestoMOS，是硅材料产品。
高压MOS在市场上应用很多，每个厂家对“高压MOS”定义不同，有的说200V以上是高压MOS，但比较普遍的认为是，500-600V以上的是高压MOS。市场上用的最多的高压MOS也是600V，大概占到所有高压MOS的三分之二。
600V里又分为三类：600V标准型，大约占整个市场的三分之一左右；600V高速开关型，占三分之一左右；600V高速trr型，大约在市场上占7%。
从应用上，标准型和高速开关型主要是用在电源变压器上，高速trr产品主要应用在逆变上，600V之上有650V和800V的产品，主要在太阳能、电动汽车使用。再往上还有1200V和1500V的产品。
高压MOS从构造上分为两种，平面高压MOS，和纵向纵沟槽型高压MOS，也就是超级结MOSFET。
从2014年到2020年，MOS的整体需求量变化不大，但在需求结构上变化很大，平面MOS市场越来越变小，超级结MOSFET市场越来越大。
为什么会出现这样的变化呢？原因在于，客户在选择产品时有两个考量：性能和价格。性能上超级结MOS更节能；价格上第0代超级结MOS价格大约是平面MOS的接近2倍；第1代大约是1.5倍；现在超级结MOSFET已经进入第2代，将要与平面MOS的价格持平。
未来，超级结MOSFET还会推出第3代、第4代，芯片可以做的越来越小，比平面MOS来说价格有更大的优势，性能也有更大的增强，这就决定了平面MOS的市场会越来越小。
在这里还要提到罗姆的一个独特产品，HybridMOS。什么是HybridMOS呢？刚刚已经介绍了IGBT和MOSFET的区别，IGBT是在大功率情况下节能，MOSFET是在低功率情况下节能。这就出现了一个问题。比如空调在正常运转的时候功率很低，也就1000W左右。但在刚启动时，要瞬间制冷、瞬间制热，会达到4000到6000W，中央空调会达到8000W。
同样一个产品，在低功率的时候也想让它节能，高功率的时候也想让它节能。但又不可能一个产品中同时用IGBT和MOSFET，如果用MOSFET在低功率时是节能的，但是在瞬间开始进行加热、制冷的时候又不是很节能。IGBT瞬间制冷，加热是很节能，但是正常运转的时候又很浪费能量，这是一个很烦恼的事情。
这个情况下，罗姆开发了HybridMOS。在低功率的时候我们采用了MOSFET的构造，在大功率的时候采用IGBT的优点。不管是瞬间制冷，瞬间制热，还是正常运转的时候，都使能量消耗更低。
由于同时拥有MOSFET构造，又拥有IGBT的特性，所以罗姆为该产品起名HybroidMOS，混合动力的意思。
业界最快trr性能的PrestoMOS
在介绍本次发布会主角之前，罗姆先介绍了MOS有三个最主要的特性，一个是导通电路，第二个是QG参数，这两个参数都是越小产品越节能，第三个特性是体二极管的trr特性，无论怎么开发，MOS都重点要改变这几个特性。
罗姆第一代PrestoMOS主要改变了体二极管的trr特性。 MOSFET是一个半导体，从ON到OFF的时候会出现一个反向特性。正常来说的话，因为是半导体，有一个反向的恢复时间和反向的恢复电流。反向的恢复时间（trr）乘以反向的恢复电路，这就是开关造成的开关损耗，开关的损耗越小，整体就越节能。罗姆在第一代产品最主要改变了trr的特性。
PrestoMOS在电路上最大的应用是开关，解决了两个迫切的节能化需求：第一个特性是高速开关，在ON/OFF时能实现很快的切换；第二个特性是，在ON的时候导通电流更小一些，这样使它在ON的时候更节能。
这张图解释了PrestoMOS在功率器件的位置。功率晶体管里有功率MOS，功率MOS里有超级结MOSFET，超级结里面有PrestoMOS。
罗姆第二代PrestoMOS产品在提高trr速度的情况下，又改变了MOSFET的两个重要特性。
第一个，通过PN结构的微细化使开关速度更快一些，罗姆实现了高速开关。
第二个，把电流浓度变得更高，电流浓度变更高的情况下导通电阻可以降低。首先，把PN结构之间的间距变得更小；其次，把N极的电流浓度变得更大。通过改变了这两个的新的构造，使产品的导通电阻更低，开关速度更快。
从效果上来看，和原有的第一代产品相比，第二代产品的开关速度Qg参数降低了70%，导通电阻降低了40%。体二极管的trr特性降低了20%。
所以第二代的PrestoMOS产品，是个开关损耗、导通损耗和trr损耗都是很小的产品。
PrestoMOS的封装有两大类，贴片式和直插式。
应用领域上，一个是家电的逆变应用，也就是我们说的变频电路上的比较多。中国市场上变频的产品越来越多，包括变频空调、变频冰箱、变频洗衣机；在工业上，包括电机、充电站、充电桩上也会用到很多。PrestoMOS产品将能满足中国市场很大的需求。
高应变能力的设计和生产能力
所有的半导体元器件产品都会有两个主要工程。一个是生产前工程，一个是生产后工程。
同样的产品为什么在两个或两个以上的地方进行生产呢？看起来很浪费资源。其实这是为了应对在遭遇极端灾害时，仍然能保证为客户稳定供货。
在2011年3.11日本地震、泰国水灾，2009年经济危机，2011年又出现洪水，在几年内对半导体市场造成沉重冲击，供应链很不稳定。试想泰国水灾时，只在泰国一地工厂生产的产品，给客户的生产带来很大的麻烦。产品生产不出来；生产出来的产品运不出去。
因为没有替代产品、替代工厂，给客户带来很大的麻烦。在这之后，罗姆为了把风险降到最低，不论任何产品都在两个或两个以上的地方来进行同时生产。无论任何一个地方出现了不可抗拒的事情，罗姆都会在同一时间内，从另外一个工厂生产相同的产品给客户，不会给客户带来生产上的麻烦。
MOSFET 和 IGBT 是目前最常用的两种功率半导体器件。金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，简 称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。
通过在 栅极(G)上施加电压，使得源极(S)和漏极(D)之间导通，当撤去电压或施加负电压，则使得源极(S)和 漏极(D)之间断开。n 基极层是为了防止在关断的情况下元件被高压击穿。因此需要承受的电压越高，n 基极 层就越厚，电阻也就越大。
为了改善 MOSFET 的电压耐受性，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在 MOSFET 的基础上增加一层 P+层，与n 基极层形成了一个 pn 二极管。在关断情况下，形成的 pn 结承受了绝大股份电压，而结构中的 MOSFET 不需 要承受高压，因此提高了元件的耐压性能。因此 IGBT 一般用在高压功率产品上，电压范围一般 600V-6500V;MOSFET 应用电压相对较低，从十几伏到 1000V。
但是 IGBT 的延迟时间要大于 MOSFET，因此 IGBT 应用在 切换频率低于 25kHz 的场景，而 MOSFET 可以应用于切换频率大于 100kHz 的场景。
全球功率 MOSFET 的主要厂商有英飞凌、安森美半导体、瑞萨等国际巨头。
其中英飞凌在功率 MOSFET的市场份额达到 26.4%，是第二位的安森美半导体的两倍，是功率 MOSFET 行业的龙头。
国内的功率 MOSFET市场份额也主要被英飞凌、安森美半导体、瑞萨等国际巨头占据，只有士兰微和华微电子分别占据了 1.9%和 1.1%的市场份额，进口替代的空间巨大。
IGBT
IGBT 应用领域极其广泛，小到家电、数码产品，大到轨道交通、航空航天，以及清洁发电、新能源汽车、 智能电网等战略性新兴产业都会用到 IGBT。
按电压分布来看，消费电子领域的所用的 IGBT 一般在 600V 以下;太阳能逆变器和新能源汽车通常在 1200V 左右;轨道交通所使用的 IGBT 电压在 3300V-6500V 之间。
根据中国产业信息网数据，截至 2015 年，我国 IGBT 市场规模 94.8 亿元，2008-2015 年复合增长率达到13.65%;但我国 IGBT 起步晚，国产化率仅为 10%，其余 90%的 IGBT 仍依赖进口。
我国大功率 IGBT 在轨交领域的率先实现了自主研发生产和进口替代，新能源汽车领域相对薄弱，进口替 代进行时。在新能源汽车领域，IGBT 主要运用于电力驱动系统、车载空调系统和充电桩。
1. IGBT 主要用于电 机控制器中，在电机控制器的成本占比约为 30%，IGBT 将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电机。
2. 充电桩中，IGBT 主要运用于直流快充电桩，直流电桩通过三相电网输入交流电，经过三相桥式不可控整流电路 整流变成直流电，滤波后提供给高频 DC-DC 功率变换器，进而输出需要的直流，为电动汽车动力蓄电池充电。
3. 车载空调系统中也会用到 IGBT，实现小功率的 DC/AC 逆变，从而驱动空调系统运行。
根据行业研究数据，新能源汽车所用的 IGBT 一般约占电动汽车总成本的 10%。
截至 2016 年年底，我国新 能源汽车产量达到 51.7 万辆;2016 年 11 月国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划的通知》: 到 2020 年，新能源汽车实现当年产销 200 万辆以上，累计产销超过 500 万辆。
根据测算，2017-2020 年 我国新能源汽车年均增速约为 40%，2017-2020 年新增新能源汽车产量约为 516 万辆，按照平均每辆车 10 万生 产成本，IGBT 占比 10%计算，2017-2020 年，新能源汽车所带动的 IGBT 市场规模将达到 516 亿元。
【阅读提示】
以上为本公司一些经验的累积，因工艺问题内容广泛，没有面面俱到，只对常见问题作分析，随着电子产业的不断更新换代，新的工艺问题也不断出现，本公司自成立以来不断的追求产品的创新，做到与时俱进，熟悉各种生产复杂工艺，能为各种客户提供全方位的工艺、设备、材料的清洗解决方案支持。
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