1. IGBT功率模塊行業(yè)發(fā)展趨勢

1.1全球碳中和背景下的產(chǎn)業(yè)機遇

2015年12月達成的《巴黎協(xié)定》為全球應對氣候變化行動做出安排，眾多國家和地區(qū)出臺碳達峰和碳中和政策目標。我國提出2030年碳排放達峰、2060年實現(xiàn)碳中和；日本、韓國和歐盟等也設定了相應目標。碳中和要求減少化石能源消耗，我國在能源供給端需增加可再生能源使用，消費端提升電力消費比例，傳輸端降低損耗。IGBT作為電力領域的“CPU”，對新能源汽車、軌道交通等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大。國家電網(wǎng)投入推動電網(wǎng)升級，促進能源低碳轉型。同時，第三代半導體行業(yè)受國家政策和相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展向好的驅動而火爆。

1.2功率半導體市場發(fā)展態(tài)勢

功率半導體在確保電力供應、節(jié)能節(jié)電中作用關鍵，在全球碳中和背景下，隨著電動汽車普及和可再生能源發(fā)電比重增加，市場份額不斷擴大。為降低功率損耗，需提升其性能，IGBT在電氣設備功率轉換器中廣泛應用，降低其功率損耗對碳中和意義重大。功率半導體一直平穩(wěn)發(fā)展，近期顯著增溫，硅MOSFET、IGBT模組是增長亮點。2019-2025年，功率IGBT模組年均增長率為18%，2025年將會達到54億美元，市場規(guī)模將大幅增長。新基建推動國內功率半導體企業(yè)加速發(fā)展，中國作為最大消費國，市場需求將高速增長，在新基建的產(chǎn)業(yè)環(huán)境下，無論是 5G、新能源汽車、數(shù)據(jù)中心、 人工智能還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、特高壓、城際高速鐵路和城際軌道交通等在內的諸多新興產(chǎn)業(yè) 給功率半導體廠商帶來巨大發(fā)展空間。以氮化鎵為核心的射頻半導體，支撐著 5G 基站及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設；以碳化硅以及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為核心的功率半導體，支撐著新能源汽車、充電樁、基站/數(shù)據(jù)中心電源、特高壓以及軌道交通系統(tǒng)的建設；以智能芯片為核心的系統(tǒng)級芯片，支撐著數(shù)據(jù)中心、人工智能系統(tǒng)的建設。

1.3新能源、智能化汽車對功率半導體的推動

新能源、智能化汽車是功率半導體發(fā)展新動力。電動汽車因電池能源轉換新增大量功率半導體器件（圖1），其成本占比高。汽車中功率半導體主要用于動力控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、燃油噴射、底盤安全系統(tǒng)等多個系統(tǒng)，傳統(tǒng)汽車和新能源汽車對其應用場景和需求有所不同，傳統(tǒng)汽車中，功率半導體主要應用于啟動、發(fā)電和安全領域，新能源汽車普遍采用高壓電路，當電池輸出高壓 時，需要頻繁進行電壓變化，對電壓轉換電路需求提升，此外還需要大量的 DC-AC 逆變器 (圖 2)、變壓器、換流器等，這些對 IGBT、MOSFET、二極管等半導體器件的需求量很大。新增充電樁也增加了功率半導體需求。全球汽車行業(yè)正經(jīng)歷新四化變革，傳統(tǒng)燃油車市場變化，新能源汽車發(fā)展對功率半導體提出更高要求。此外，日本開發(fā)的新三柵極IGBT和柵極控制技術可大幅降低開關損耗，有望提高電氣設備電力轉換器效率，應用領域廣泛。電動汽車發(fā)展也帶動功率模塊封裝技術更新，對IGBT模塊的可靠性、功率密度和成本優(yōu)勢有更高要求。同時，以碳化硅、氮化鎵為主第三代半導體受市場和資本高度關注，在多個領域有重要應用，其應用領域包括電動 汽車、光伏等功率、5G 射頻、手機快充等。

2. IGBT功率模塊國內行業(yè)發(fā)展狀況

2.1 IGBT芯片的重要性及國外壟斷情況

IGBT芯片也被稱作絕緣柵雙極型晶體管，是廣泛應用的功率半導體，在日常生活和交通出行等領域都有身影，尤其在新能源領域作用關鍵，被稱為電力電子行業(yè)的CPU，在新能源汽車成本中占據(jù)了整輛車成本的 5%， 與動力電池電芯一起被稱為是雙芯。除了應用在新能源汽車上，IGBT 芯片也是高鐵(圖 3) 不可或缺的零件。高鐵最重要的優(yōu)勢就是速度快，IGBT 芯片的性能能夠影響高鐵的速度。然而，IGBT芯片技術長期被日本、德國壟斷，日本三菱（圖4）主要壟斷的是高鐵領域，德國英飛凌壟斷的則是汽車領域。我國高鐵雖技術領先，但IGBT芯片大量依賴進口，進口價格高昂且存在交付時間長等問題。在新能源汽車領域，我國本土IGBT芯片制造商少，自給率低，進口率高，德國英飛凌占據(jù)大部分市場。

2.2國內企業(yè)的自主研發(fā)與發(fā)展挑戰(zhàn)

正如芯片斷供，近年來我國華為被美國制裁斷供芯片。就是因為這樣，我國很早就看清了這一點， 知道我們必須要走自主研發(fā)的道路。我國企業(yè)積極開展自主研發(fā)。中車株洲早在2007年開始研發(fā)IGBT芯片技術，通過收購英國公司，于2017年研發(fā)出領先水平的國產(chǎn)IGBT芯片用于高鐵。比亞迪于2005年開始研究IGBT芯片，2009年推出首款IGBT芯片，打破英飛凌在車用IGBT芯片領域的壟斷，但目前與英飛凌仍有技術差距，且在品牌效應上處于劣勢，市場占有率增速不快。不過，隨著技術不斷突破，性能提升，我國有打破壟斷趨勢。之前全球芯片產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能崩潰，汽車制造業(yè)受芯片短缺影響，這為國產(chǎn)IGBT芯片擴大市場份額帶來機遇，同時也面臨技術和市場競爭的挑戰(zhàn)，只有提高產(chǎn)品性價比和性能，才能提升市場占有率。

3.汽車領域的電控技術發(fā)展帶來錫焊技術地位提升

3.1汽車電控發(fā)展對焊接技術的依賴

汽車為提高性能和功能，電控部分占比增大，加速汽車電子技術發(fā)展，新能源汽車內電子裝置占比尤其高且呈上升趨勢。以電動汽車為代表的新能源汽車內電子裝置占比目前已達到 47%，未來會越來越大（圖 5）。

隨著汽車電子操控化深入，焊接組裝技術愈發(fā)重要。與一般電子裝置相比，車載部件焊接要求和質量標準更高，需要特殊技術和經(jīng)驗。汽車中電子零件和技術對于提高汽車性能不可或缺，隨著混合動力車和電動汽車發(fā)展（圖6、7），增長態(tài)勢比較迅猛。為了提高汽車的 HV 化、降低油耗、提高安全性或舒適 性等性能，以傳感器為代表的電子零件、電子技術必不可缺。而且今后這一趨勢會愈加明顯。其主要部分是“有關 HV 化的動力部分”。

隨著 HV 和 EV 的出現(xiàn)，驅動部分增加了馬達、馬達驅動器、DC-DC變壓轉換器（電壓轉換器）（圖8、9）和ECU（電子操控單元）等通過焊接組裝的電子零件，焊接工作對汽車高性能化和高功能化至關重要。

3.2汽車焊接的嚴格要求與技術挑戰(zhàn)

汽車品質和可靠性受嚴格評估，電子控制零部件和功能增多，車載零部件焊接需更高品質和可信度，如對焊接溫度有嚴格管理。此外，近年來機電一體化零部件增多，模塊化雖有利于汽車廠家降低成本等，但對制造方技術要求更高，既要保證品質，又要考慮焊接和搬運方法。而且高級車的功能或零件會逐步應用到小型車，制造方要在保證品質基礎上考慮量產(chǎn)技術困難。

4. IGBT功率模塊局部錫焊方案的最佳選定

4.1 IGBT在電動汽車中的應用與錫焊需求

IGBT 被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”，廣泛應用于電機節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航 空航天、家用電器、汽車電子、新能源發(fā)電、新能源汽車等領域(圖 10)。

在新能源汽車發(fā)展下功率半導體迎來成長空間，目前電動車里對功率半導體的應用主要分三類：第一類是主逆變器，主要直接驅動馬達，用到大功率 IGBT 模塊（圖 11、 12）；第二類是和充電相關的應用，如車載充電器（OBC）、直流電壓變換器（DC/DC）。第三類是輔助類應用，包括 PTC 加熱器、空調壓縮機、水泵、油泵等。隨著環(huán)保指令實施，對焊接無鉛無鹵化和品質要求提高，我們有必要重新認識電子裝置焊接方式的重要性。

4.2案例分析：電動汽車空調壓縮機項目

在電動汽車空調壓縮機項目中，制造裝配工藝包括將電機、接插件、IGBT模塊裝配到鑄鋁殼體內，裝入SMT驅動電路板（圖13、14）后進行錫焊，然后經(jīng)檢測和三防處理，再裝上其他外圍部件等。因車載部件一般不容許人工焊接，考慮IGBT引腳與PCB機焊方式。

對比壓接方式、選擇性波峰焊方式、自動焊錫機器人方式、激光錫焊焊接系統(tǒng)方式，由于空調壓縮機驅動電路板生產(chǎn)過程中，大部分器件采用 SMT 工藝完成，但還有后插元件如：IGBT 功率驅動模塊部件、接插件，大型電解電容等不能直接過爐、耐熱性較差的部件。因電動汽車空調壓縮機的電路板是后配入鑄鋁的殼體內（圖 14），而且電路板必須焊接面向上，選擇性波峰焊方式受限，且其設備成本、占地面積、用錫量、電耗和維護成本高，裝配精度低。經(jīng)客戶評估，選用激光錫焊機組成生產(chǎn)線（圖15），作為他們的局部無接觸錫焊方式，該生產(chǎn)線全程進行智能控制，采用畫像定位（圖16），透錫度高，良品率達PPM級。

4.3案例分析：電動汽車主電控單元項目

在電動汽車主電控單元項目中，制造裝配工藝為先將IGBT功率模塊和接插件裝入鑄鋁殼體內固定，SMT完成后電路板裝配到鑄鋁的殼體內并將IGBT功率模塊盒接插件引腳從電路板引腳孔穿出（圖17、18），定位后進行錫焊，再經(jīng)檢測和三防處理等。因電控回路高壓，焊接可靠性要求更高。

功率驅動 IGBT 模塊部件基板大部分器件采用 SMT 工藝完成，而功率驅動模塊元件屬后插元件,且不能再過回流爐、而且 IGBT 引出腳多、耐熱性較差。而且電路板必須焊接面向上,由于結構原因要焊點加熱速度要快，快速完成焊接,否則會損壞器件。工藝要在規(guī)定CycleTime：3 Sec內完成一個焊點。經(jīng)客戶評估，選用高性能激光錫焊系統(tǒng)集成生產(chǎn)線，作為他們的局部焊接方式，該生產(chǎn)線全程進行智能控制，錫焊部分采用全閉環(huán)紅外溫度反饋激光加熱系統(tǒng)，畫像定位精準無接觸焊接，透錫度超過100%。

5.結束語

錫焊歷史悠久，PCB板發(fā)明和SMT技術發(fā)展給裝聯(lián)焊接技術帶來變革，近幾年無鉛化和無鹵化焊接要求提高，帶來諸多新問題，如基板焊盤、樹脂耐熱問題等。產(chǎn)品焊接品質在長期使用中的穩(wěn)定性成為重點話題。期待行業(yè)人員緊跟技術趨勢，用先進設備和工藝方案解決焊接技術難題。未來工廠自動化包括無人和智能化自動化生產(chǎn)線，激光錫焊符合設備無需日常維護保養(yǎng)且產(chǎn)品質量穩(wěn)定的要求。

本文由大研智造撰寫，專注于提供智能制造精密焊接領域的最新技術資訊和深度分析。大研智造是集研發(fā)生產(chǎn)銷售服務為一體的高精度激光錫球焊錫機技術廠家，擁有20年+的行業(yè)經(jīng)驗。想要了解更多關于激光焊錫機在智能制造精密焊接領域中的應用，或是有特定的技術需求，請通過大研智造官網(wǎng)與我們聯(lián)系。歡迎來我司參觀、試機、免費打樣。

審核編輯 黃宇