大研智造 全球碳中和下IGBT功率模块发展与激光锡焊方案全解

1.  IGBT功率模块行业发展趋势

1.1全球碳中和背景下的产业机遇

2015年12月达成的《巴黎协定》为全球应对气候变化行动做出安排，众多国家和地区出台碳达峰和碳中和政策目标。我国提出2030年碳排放达峰、2060年实现碳中和；日本、韩国和欧盟等也设定了相应目标。碳中和要求减少化石能源消耗，我国在能源供给端需增加可再生能源使用，消费端提升电力消费比例，传输端降低损耗。IGBT作为电力领域的“CPU”，对新能源汽车、轨道交通等战略性新兴产业发展意义重大。国家电网投入推动电网升级，促进能源低碳转型。同时，第三代半导体行业受国家政策和相关产业发展向好的驱动而火爆。

1.2功率半导体市场发展态势

功率半导体在确保电力供应、节能节电中作用关键，在全球碳中和背景下，随着电动汽车普及和可再生能源发电比重增加，市场份额不断扩大。为降低功率损耗，需提升其性能，IGBT在电气设备功率转换器中广泛应用，降低其功率损耗对碳中和意义重大。功率半导体一直平稳发展，近期显著增温，硅MOSFET、IGBT模组是增长亮点。2019-2025年，功率IGBT模组年均增长率为18%，2025年将会达到54亿美元，市场规模将大幅增长。新基建推动国内功率半导体企业加速发展，中国作为最大消费国，市场需求将高速增长，在新基建的产业环境下，无论是 5G、新能源汽车、数据中心、 人工智能还是工业互联网、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通等在内的诸多新兴产业 给功率半导体厂商带来巨大发展空间。以氮化镓为核心的射频半导体，支撑着 5G 基站及工业互联网系统的建设；以碳化硅以及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为核心的功率半导体，支撑着新能源汽车、充电桩、基站/数据中心电源、特高压以及轨道交通系统的建设；以智能芯片为核心的系统级芯片，支撑着数据中心、人工智能系统的建设。

1.3新能源、智能化汽车对功率半导体的推动

新能源、智能化汽车是功率半导体发展新动力。电动汽车因电池能源转换新增大量功率半导体器件（图1），其成本占比高。汽车中功率半导体主要用于动力控制系统、照明系统、燃油喷射、底盘安全系统等多个系统，传统汽车和新能源汽车对其应用场景和需求有所不同，传统汽车中，功率半导体主要应用于启动、发电和安全领域，新能源汽车普遍采用高压电路，当电池输出高压 时，需要频繁进行电压变化，对电压转换电路需求提升，此外还需要大量的 DC-AC 逆变器 (图 2)、变压器、换流器等，这些对 IGBT、MOSFET、二极管等半导体器件的需求量很大。新增充电桩也增加了功率半导体需求。全球汽车行业正经历新四化变革，传统燃油车市场变化，新能源汽车发展对功率半导体提出更高要求。此外，日本开发的新三栅极IGBT和栅极控制技术可大幅降低开关损耗，有望提高电气设备电力转换器效率，应用领域广泛。电动汽车发展也带动功率模块封装技术更新，对IGBT模块的可靠性、功率密度和成本优势有更高要求。同时，以碳化硅、氮化镓为主第三代半导体受市场和资本高度关注，在多个领域有重要应用，其应用领域包括电动 汽车、光伏等功率、5G 射频、手机快充等。

2.  IGBT功率模块国内行业发展状况

2.1 IGBT芯片的重要性及国外垄断情况

IGBT芯片也被称作绝缘栅双极型晶体管，是广泛应用的功率半导体，在日常生活和交通出行等领域都有身影，尤其在新能源领域作用关键，被称为电力电子行业的CPU，在新能源汽车成本中占据了整辆车成本的 5%， 与动力电池电芯一起被称为是双芯。除了应用在新能源汽车上，IGBT 芯片也是高铁(图 3) 不可或缺的零件。高铁最重要的优势就是速度快，IGBT 芯片的性能能够影响高铁的速度。然而，IGBT芯片技术长期被日本、德国垄断，日本三菱（图4）主要垄断的是高铁领域，德国英飞凌垄断的则是汽车领域。我国高铁虽技术领先，但IGBT芯片大量依赖进口，进口价格高昂且存在交付时间长等问题。在新能源汽车领域，我国本土IGBT芯片制造商少，自给率低，进口率高，德国英飞凌占据大部分市场。

2.2国内企业的自主研发与发展挑战

正如芯片断供，近年来我国华为被美国制裁断供芯片。就是因为这样，我国很早就看清了这一点， 知道我们必须要走自主研发的道路。我国企业积极开展自主研发。中车株洲早在2007年开始研发IGBT芯片技术，通过收购英国公司，于2017年研发出领先水平的国产IGBT芯片用于高铁。比亚迪于2005年开始研究IGBT芯片，2009年推出首款IGBT芯片，打破英飞凌在车用IGBT芯片领域的垄断，但目前与英飞凌仍有技术差距，且在品牌效应上处于劣势，市场占有率增速不快。不过，随着技术不断突破，性能提升，我国有打破垄断趋势。之前全球芯片产业产能崩溃，汽车制造业受芯片短缺影响，这为国产IGBT芯片扩大市场份额带来机遇，同时也面临技术和市场竞争的挑战，只有提高产品性价比和性能，才能提升市场占有率。

3.汽车领域的电控技术发展带来锡焊技术地位提升

3.1汽车电控发展对焊接技术的依赖

汽车为提高性能和功能，电控部分占比增大，加速汽车电子技术发展，新能源汽车内电子装置占比尤其高且呈上升趋势。以电动汽车为代表的新能源汽车内电子装置占比目前已达到 47%，未来会越来越大（图 5）。

随着汽车电子操控化深入，焊接组装技术愈发重要。与一般电子装置相比，车载部件焊接要求和质量标准更高，需要特殊技术和经验。汽车中电子零件和技术对于提高汽车性能不可或缺，随着混合动力车和电动汽车发展（图6、7），增长态势比较迅猛。为了提高汽车的 HV 化、降低油耗、提高安全性或舒适 性等性能，以传感器为代表的电子零件、电子技术必不可缺。而且今后这一趋势会愈加明显。其主要部分是“有关 HV 化的动力部分”。

随着 HV 和 EV 的出现，驱动部分增加了马达、马达驱动器、DC-DC变压转换器（电压转换器）（图8、9）和ECU（电子操控单元）等通过焊接组装的电子零件，焊接工作对汽车高性能化和高功能化至关重要。

 

3.2汽车焊接的严格要求与技术挑战

汽车品质和可靠性受严格评估，电子控制零部件和功能增多，车载零部件焊接需更高品质和可信度，如对焊接温度有严格管理。此外，近年来机电一体化零部件增多，模块化虽有利于汽车厂家降低成本等，但对制造方技术要求更高，既要保证品质，又要考虑焊接和搬运方法。而且高级车的功能或零件会逐步应用到小型车，制造方要在保证品质基础上考虑量产技术困难。

4. IGBT功率模块局部锡焊方案的最佳选定

4.1 IGBT在电动汽车中的应用与锡焊需求

IGBT 被称为电力电子行业里的“CPU”，广泛应用于电机节能、轨道交通、智能电网、航 空航天、家用电器、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等领域(图 10)。

在新能源汽车发展下功率半导体迎来成长空间，目前电动车里对功率半导体的应用主要分三类：第一类是主逆变器，主要直接驱动马达，用到大功率 IGBT 模块（图 11、 12）；第二类是和充电相关的应用，如车载充电器（OBC）、直流电压变换器（DC/DC）。第三类是辅助类应用，包括 PTC 加热器、空调压缩机、水泵、油泵等。随着环保指令实施，对焊接无铅无卤化和品质要求提高，我们有必要重新认识电子装置焊接方式的重要性。

4.2案例分析：电动汽车空调压缩机项目

在电动汽车空调压缩机项目中，制造装配工艺包括将电机、接插件、IGBT模块装配到铸铝壳体内，装入SMT驱动电路板（图13、14）后进行锡焊，然后经检测和三防处理，再装上其他外围部件等。因车载部件一般不容许人工焊接，考虑IGBT引脚与PCB机焊方式。

对比压接方式、选择性波峰焊方式、自动焊锡机器人方式、激光锡焊焊接系统方式，由于空调压缩机驱动电路板生产过程中，大部分器件采用 SMT 工艺完成，但还有后插元件如：IGBT 功率驱动模块部件、接插件，大型电解电容等不能直接过炉、耐热性较差的部件。因电动汽车空调压缩机的电路板是后配入铸铝的壳体内（图 14），而且电路板必须焊接面向上，选择性波峰焊方式受限，且其设备成本、占地面积、用锡量、电耗和维护成本高，装配精度低。经客户评估，选用激光锡焊机组成生产线（图15），作为他们的局部无接触锡焊方式，该生产线全程进行智能控制，采用画像定位（图16），透锡度高，良品率达PPM级。

 

4.3案例分析：电动汽车主电控单元项目

在电动汽车主电控单元项目中，制造装配工艺为先将IGBT功率模块和接插件装入铸铝壳体内固定，SMT完成后电路板装配到铸铝的壳体内并将IGBT功率模块盒接插件引脚从电路板引脚孔穿出（图17、18），定位后进行锡焊，再经检测和三防处理等。因电控回路高压，焊接可靠性要求更高。

功率驱动 IGBT 模块部件基板大部分器件采用 SMT 工艺完成，而功率驱动模块元件属后插元件,且不能再过回流炉、而且 IGBT 引出脚多、耐热性较差。而且电路板必须焊接面向上,由于结构原因要焊点加热速度要快，快速完成焊接,否则会损坏器件。工艺要在规定Cycle Time：3 Sec内完成一个焊点。经客户评估，选用高性能激光锡焊系统集成生产线，作为他们的局部焊接方式，该生产线全程进行智能控制，锡焊部分采用全闭环红外温度反馈激光加热系统，画像定位精准无接触焊接，透锡度超过100%。

5.结束语

锡焊历史悠久，PCB板发明和SMT技术发展给装联焊接技术带来变革，近几年无铅化和无卤化焊接要求提高，带来诸多新问题，如基板焊盘、树脂耐热问题等。产品焊接品质在长期使用中的稳定性成为重点话题。期待行业人员紧跟技术趋势，用先进设备和工艺方案解决焊接技术难题。未来工厂自动化包括无人和智能化自动化生产线，激光锡焊符合设备无需日常维护保养且产品质量稳定的要求。

本文由大研智造撰写，专注于提供智能制造精密焊接领域的最新技术资讯和深度分析。大研智造是集研发生产销售服务为一体的高精度激光锡球焊锡机技术厂家，拥有20年+的行业经验。想要了解更多关于激光焊锡机在智能制造精密焊接领域中的应用，或是有特定的技术需求，请通过大研智造官网与我们联系。欢迎来我司参观、试机、免费打样。

审核编辑 黄宇