大研智造 全球碳中和下IGBT功率模塊發(fā)展與激光錫焊方案全解

1. IGBT功率模塊行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

1.1全球碳中和背景下的產(chǎn)業(yè)機(jī)遇

2015年12月達(dá)成的《巴黎協(xié)定》為全球應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)做出安排，眾多國(guó)家和地區(qū)出臺(tái)碳達(dá)峰和碳中和政策目標(biāo)。我國(guó)提出2030年碳排放達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和；日本、韓國(guó)和歐盟等也設(shè)定了相應(yīng)目標(biāo)。碳中和要求減少化石能源消耗，我國(guó)在能源供給端需增加可再生能源使用，消費(fèi)端提升電力消費(fèi)比例，傳輸端降低損耗。IGBT作為電力領(lǐng)域的“CPU”，對(duì)新能源汽車(chē)、軌道交通等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大。國(guó)家電網(wǎng)投入推動(dòng)電網(wǎng)升級(jí)，促進(jìn)能源低碳轉(zhuǎn)型。同時(shí)，第三代半導(dǎo)體行業(yè)受?chē)?guó)家政策和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展向好的驅(qū)動(dòng)而火爆。

1.2功率半導(dǎo)體市場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)

功率半導(dǎo)體在確保電力供應(yīng)、節(jié)能節(jié)電中作用關(guān)鍵，在全球碳中和背景下，隨著電動(dòng)汽車(chē)普及和可再生能源發(fā)電比重增加，市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)大。為降低功率損耗，需提升其性能，IGBT在電氣設(shè)備功率轉(zhuǎn)換器中廣泛應(yīng)用，降低其功率損耗對(duì)碳中和意義重大。功率半導(dǎo)體一直平穩(wěn)發(fā)展，近期顯著增溫，硅MOSFET、IGBT模組是增長(zhǎng)亮點(diǎn)。2019-2025年，功率IGBT模組年均增長(zhǎng)率為18%，2025年將會(huì)達(dá)到54億美元，市場(chǎng)規(guī)模將大幅增長(zhǎng)。新基建推動(dòng)國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體企業(yè)加速發(fā)展，中國(guó)作為最大消費(fèi)國(guó)，市場(chǎng)需求將高速增長(zhǎng)，在新基建的產(chǎn)業(yè)環(huán)境下，無(wú)論是 5G、新能源汽車(chē)、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(nèi)的諸多新興產(chǎn)業(yè) 給功率半導(dǎo)體廠(chǎng)商帶來(lái)巨大發(fā)展空間。以氮化鎵為核心的射頻半導(dǎo)體，支撐著 5G 基站及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)；以碳化硅以及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為核心的功率半導(dǎo)體，支撐著新能源汽車(chē)、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(shè)；以智能芯片為核心的系統(tǒng)級(jí)芯片，支撐著數(shù)據(jù)中心、人工智能系統(tǒng)的建設(shè)。

1.3新能源、智能化汽車(chē)對(duì)功率半導(dǎo)體的推動(dòng)

新能源、智能化汽車(chē)是功率半導(dǎo)體發(fā)展新動(dòng)力。電動(dòng)汽車(chē)因電池能源轉(zhuǎn)換新增大量功率半導(dǎo)體器件（圖1），其成本占比高。汽車(chē)中功率半導(dǎo)體主要用于動(dòng)力控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、燃油噴射、底盤(pán)安全系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)，傳統(tǒng)汽車(chē)和新能源汽車(chē)對(duì)其應(yīng)用場(chǎng)景和需求有所不同，傳統(tǒng)汽車(chē)中，功率半導(dǎo)體主要應(yīng)用于啟動(dòng)、發(fā)電和安全領(lǐng)域，新能源汽車(chē)普遍采用高壓電路，當(dāng)電池輸出高壓 時(shí)，需要頻繁進(jìn)行電壓變化，對(duì)電壓轉(zhuǎn)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(duì) IGBT、MOSFET、二極管等半導(dǎo)體器件的需求量很大。新增充電樁也增加了功率半導(dǎo)體需求。全球汽車(chē)行業(yè)正經(jīng)歷新四化變革，傳統(tǒng)燃油車(chē)市場(chǎng)變化，新能源汽車(chē)發(fā)展對(duì)功率半導(dǎo)體提出更高要求。此外，日本開(kāi)發(fā)的新三柵極IGBT和柵極控制技術(shù)可大幅降低開(kāi)關(guān)損耗，有望提高電氣設(shè)備電力轉(zhuǎn)換器效率，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展也帶動(dòng)功率模塊封裝技術(shù)更新，對(duì)IGBT模塊的可靠性、功率密度和成本優(yōu)勢(shì)有更高要求。同時(shí)，以碳化硅、氮化鎵為主第三代半導(dǎo)體受市場(chǎng)和資本高度關(guān)注，在多個(gè)領(lǐng)域有重要應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域包括電動(dòng) 汽車(chē)、光伏等功率、5G 射頻、手機(jī)快充等。

2. IGBT功率模塊國(guó)內(nèi)行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

2.1 IGBT芯片的重要性及國(guó)外壟斷情況

IGBT芯片也被稱(chēng)作絕緣柵雙極型晶體管，是廣泛應(yīng)用的功率半導(dǎo)體，在日常生活和交通出行等領(lǐng)域都有身影，尤其在新能源領(lǐng)域作用關(guān)鍵，被稱(chēng)為電力電子行業(yè)的CPU，在新能源汽車(chē)成本中占據(jù)了整輛車(chē)成本的 5%， 與動(dòng)力電池電芯一起被稱(chēng)為是雙芯。除了應(yīng)用在新能源汽車(chē)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(shì)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(shù)長(zhǎng)期被日本、德國(guó)壟斷，日本三菱（圖4）主要壟斷的是高鐵領(lǐng)域，德國(guó)英飛凌壟斷的則是汽車(chē)領(lǐng)域。我國(guó)高鐵雖技術(shù)領(lǐng)先，但I(xiàn)GBT芯片大量依賴(lài)進(jìn)口，進(jìn)口價(jià)格高昂且存在交付時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，我國(guó)本土IGBT芯片制造商少，自給率低，進(jìn)口率高，德國(guó)英飛凌占據(jù)大部分市場(chǎng)。

2.2國(guó)內(nèi)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(lái)我國(guó)華為被美國(guó)制裁斷供芯片。就是因?yàn)檫@樣，我國(guó)很早就看清了這一點(diǎn)， 知道我們必須要走自主研發(fā)的道路。我國(guó)企業(yè)積極開(kāi)展自主研發(fā)。中車(chē)株洲早在2007年開(kāi)始研發(fā)IGBT芯片技術(shù)，通過(guò)收購(gòu)英國(guó)公司，于2017年研發(fā)出領(lǐng)先水平的國(guó)產(chǎn)IGBT芯片用于高鐵。比亞迪于2005年開(kāi)始研究IGBT芯片，2009年推出首款I(lǐng)GBT芯片，打破英飛凌在車(chē)用IGBT芯片領(lǐng)域的壟斷，但目前與英飛凌仍有技術(shù)差距，且在品牌效應(yīng)上處于劣勢(shì)，市場(chǎng)占有率增速不快。不過(guò)，隨著技術(shù)不斷突破，性能提升，我國(guó)有打破壟斷趨勢(shì)。之前全球芯片產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能崩潰，汽車(chē)制造業(yè)受芯片短缺影響，這為國(guó)產(chǎn)IGBT芯片擴(kuò)大市場(chǎng)份額帶來(lái)機(jī)遇，同時(shí)也面臨技術(shù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)，只有提高產(chǎn)品性?xún)r(jià)比和性能，才能提升市場(chǎng)占有率。

3.汽車(chē)領(lǐng)域的電控技術(shù)發(fā)展帶來(lái)錫焊技術(shù)地位提升

3.1汽車(chē)電控發(fā)展對(duì)焊接技術(shù)的依賴(lài)

汽車(chē)為提高性能和功能，電控部分占比增大，加速汽車(chē)電子技術(shù)發(fā)展，新能源汽車(chē)內(nèi)電子裝置占比尤其高且呈上升趨勢(shì)。以電動(dòng)汽車(chē)為代表的新能源汽車(chē)內(nèi)電子裝置占比目前已達(dá)到 47%，未來(lái)會(huì)越來(lái)越大（圖 5）。

隨著汽車(chē)電子操控化深入，焊接組裝技術(shù)愈發(fā)重要。與一般電子裝置相比，車(chē)載部件焊接要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)更高，需要特殊技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。汽車(chē)中電子零件和技術(shù)對(duì)于提高汽車(chē)性能不可或缺，隨著混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展（圖6、7），增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)比較迅猛。為了提高汽車(chē)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(shù)必不可缺。而且今后這一趨勢(shì)會(huì)愈加明顯。其主要部分是“有關(guān) HV 化的動(dòng)力部分”。

隨著 HV 和 EV 的出現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)部分增加了馬達(dá)、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、DC-DC變壓轉(zhuǎn)換器（電壓轉(zhuǎn)換器）（圖8、9）和ECU（電子操控單元）等通過(guò)焊接組裝的電子零件，焊接工作對(duì)汽車(chē)高性能化和高功能化至關(guān)重要。

3.2汽車(chē)焊接的嚴(yán)格要求與技術(shù)挑戰(zhàn)

汽車(chē)品質(zhì)和可靠性受?chē)?yán)格評(píng)估，電子控制零部件和功能增多，車(chē)載零部件焊接需更高品質(zhì)和可信度，如對(duì)焊接溫度有嚴(yán)格管理。此外，近年來(lái)機(jī)電一體化零部件增多，模塊化雖有利于汽車(chē)廠(chǎng)家降低成本等，但對(duì)制造方技術(shù)要求更高，既要保證品質(zhì)，又要考慮焊接和搬運(yùn)方法。而且高級(jí)車(chē)的功能或零件會(huì)逐步應(yīng)用到小型車(chē)，制造方要在保證品質(zhì)基礎(chǔ)上考慮量產(chǎn)技術(shù)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(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用與錫焊需求

IGBT 被稱(chēng)為電力電子行業(yè)里的“CPU”，廣泛應(yīng)用于電機(jī)節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航 空航天、家用電器、汽車(chē)電子、新能源發(fā)電、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域(圖 10)。

在新能源汽車(chē)發(fā)展下功率半導(dǎo)體迎來(lái)成長(zhǎng)空間，目前電動(dòng)車(chē)?yán)飳?duì)功率半導(dǎo)體的應(yīng)用主要分三類(lèi)：第一類(lèi)是主逆變器，主要直接驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，用到大功率 IGBT 模塊（圖 11、 12）；第二類(lèi)是和充電相關(guān)的應(yīng)用，如車(chē)載充電器（OBC）、直流電壓變換器（DC/DC）。第三類(lèi)是輔助類(lèi)應(yīng)用，包括 PTC 加熱器、空調(diào)壓縮機(jī)、水泵、油泵等。隨著環(huán)保指令實(shí)施，對(duì)焊接無(wú)鉛無(wú)鹵化和品質(zhì)要求提高，我們有必要重新認(rèn)識(shí)電子裝置焊接方式的重要性。

4.2案例分析：電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)項(xiàng)目

在電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)項(xiàng)目中，制造裝配工藝包括將電機(jī)、接插件、IGBT模塊裝配到鑄鋁殼體內(nèi)，裝入SMT驅(qū)動(dòng)電路板（圖13、14）后進(jìn)行錫焊，然后經(jīng)檢測(cè)和三防處理，再裝上其他外圍部件等。因車(chē)載部件一般不容許人工焊接，考慮IGBT引腳與PCB機(jī)焊方式。

對(duì)比壓接方式、選擇性波峰焊方式、自動(dòng)焊錫機(jī)器人方式、激光錫焊焊接系統(tǒng)方式，由于空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板生產(chǎn)過(guò)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(qū)動(dòng)模塊部件、接插件，大型電解電容等不能直接過(guò)爐、耐熱性較差的部件。因電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的電路板是后配入鑄鋁的殼體內(nèi)（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(shè)備成本、占地面積、用錫量、電耗和維護(hù)成本高，裝配精度低。經(jīng)客戶(hù)評(píng)估，選用激光錫焊機(jī)組成生產(chǎn)線(xiàn)（圖15），作為他們的局部無(wú)接觸錫焊方式，該生產(chǎn)線(xiàn)全程進(jìn)行智能控制，采用畫(huà)像定位（圖16），透錫度高，良品率達(dá)PPM級(jí)。

4.3案例分析：電動(dòng)汽車(chē)主電控單元項(xiàng)目

在電動(dòng)汽車(chē)主電控單元項(xiàng)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(nèi)固定，SMT完成后電路板裝配到鑄鋁的殼體內(nèi)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(jìn)行錫焊，再經(jīng)檢測(cè)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(qū)動(dòng) IGBT 模塊部件基板大部分器件采用 SMT 工藝完成，而功率驅(qū)動(dòng)模塊元件屬后插元件,且不能再過(guò)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(jié)構(gòu)原因要焊點(diǎn)加熱速度要快，快速完成焊接,否則會(huì)損壞器件。工藝要在規(guī)定CycleTime：3 Sec內(nèi)完成一個(gè)焊點(diǎn)。經(jīng)客戶(hù)評(píng)估，選用高性能激光錫焊系統(tǒng)集成生產(chǎn)線(xiàn)，作為他們的局部焊接方式，該生產(chǎn)線(xiàn)全程進(jìn)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(huà)像定位精準(zhǔn)無(wú)接觸焊接，透錫度超過(guò)100%。

5.結(jié)束語(yǔ)

錫焊歷史悠久，PCB板發(fā)明和SMT技術(shù)發(fā)展給裝聯(lián)焊接技術(shù)帶來(lái)變革，近幾年無(wú)鉛化和無(wú)鹵化焊接要求提高，帶來(lái)諸多新問(wèn)題，如基板焊盤(pán)、樹(shù)脂耐熱問(wèn)題等。產(chǎn)品焊接品質(zhì)在長(zhǎng)期使用中的穩(wěn)定性成為重點(diǎn)話(huà)題。期待行業(yè)人員緊跟技術(shù)趨勢(shì)，用先進(jìn)設(shè)備和工藝方案解決焊接技術(shù)難題。未來(lái)工廠(chǎng)自動(dòng)化包括無(wú)人和智能化自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，激光錫焊符合設(shè)備無(wú)需日常維護(hù)保養(yǎng)且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的要求。

本文由大研智造撰寫(xiě)，專(zhuān)注于提供智能制造精密焊接領(lǐng)域的最新技術(shù)資訊和深度分析。大研智造是集研發(fā)生產(chǎn)銷(xiāo)售服務(wù)為一體的高精度激光錫球焊錫機(jī)技術(shù)廠(chǎng)家，擁有20年+的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。想要了解更多關(guān)于激光焊錫機(jī)在智能制造精密焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用，或是有特定的技術(shù)需求，請(qǐng)通過(guò)大研智造官網(wǎng)與我們聯(lián)系。歡迎來(lái)我司參觀(guān)、試機(jī)、免費(fèi)打樣。

審核編輯 黃宇