1. IGBT功率模塊行業發展趨勢

1.1全球碳中和背景下的產業機遇

2015年12月達成的《巴黎協定》為全球應對氣候變化行動做出安排，眾多國家和地區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、軌道交通等戰略性新興產業發展意義重大。國家電網投入推動電網升級，促進能源低碳轉型。同時，第三代半導體行業受國家政策和相關產業發展向好的驅動而火爆。

1.2功率半導體市場發展態勢

功率半導體在確保電力供應、節能節電中作用關鍵，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發展，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，市場規模將大幅增長。新基建推動國內功率半導體企業加速發展，中國作為最大消費國，市場需求將高速增長，在新基建的產業環境下，無論是 5G、新能源汽車、數據中心、 人工智能還是工業互聯網、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業 給功率半導體廠商帶來巨大發展空間。以氮化鎵為核心的射頻半導體，支撐著 5G 基站及工業互聯網系統的建設；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/數據中心電源、特高壓以及軌道交通系統的建設；以智能芯片為核心的系統級芯片，支撐著數據中心、人工智能系統的建設。

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、照明系統、燃油噴射、底盤安全系統等多個系統，傳統汽車和新能源汽車對其應用場景和需求有所不同，傳統汽車中，功率半導體主要應用于啟動、發電和安全領域，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。全球汽車行業正經歷新四化變革，傳統燃油車市場變化，新能源汽車發展對功率半導體提出更高要求。此外，日本開發的新三柵極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功率模塊國內行業發展狀況

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的CPU，在新能源汽車成本中占據了整輛車成本的 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，德國英飛凌占據大部分市場。

2.2國內企業的自主研發與發展挑戰

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的道路。我國企業積極開展自主研發。中車株洲早在2007年開始研發IGBT芯片技術，通過收購英國公司，于2017年研發出領先水平的國產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。之前全球芯片產業產能崩潰，汽車制造業受芯片短缺影響，這為國產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，只有提高產品性價比和性能，才能提升市場占有率。

3.汽車領域的電控技術發展帶來錫焊技術地位提升

3.1汽車電控發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展（圖6、7），增長態勢比較迅猛。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，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

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里的“CPU”，廣泛應用于電機節能、軌道交通、智能電網、航 空航天、家用電器、汽車電子、新能源發電、新能源汽車等領域(圖 10)。

在新能源汽車發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、激光錫焊焊接系統方式，由于空調壓縮機驅動電路板生產過程中，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。經客戶評估，選用激光錫焊機組成生產線（圖15），作為他們的局部無接觸錫焊方式，該生產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。工藝要在規定CycleTime：3 Sec內完成一個焊點。經客戶評估，選用高性能激光錫焊系統集成生產線，作為他們的局部焊接方式，該生產線全程進行智能控制，錫焊部分采用全閉環紅外溫度反饋激光加熱系統，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板發明和SMT技術發展給裝聯焊接技術帶來變革，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。產品焊接品質在長期使用中的穩定性成為重點話題。期待行業人員緊跟技術趨勢，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線，激光錫焊符合設備無需日常維護保養且產品質量穩定的要求。

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。大研智造是集研發生產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+的行業經驗。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與我們聯系。歡迎來我司參觀、試機、免費打樣。

審核編輯 黃宇