來源：思瀚產(chǎn)業(yè)研究院

作者：楊朝蓬，張寧，段志宇

（1）行業(yè)概況

1）產(chǎn)品概述

良好的熱管理對于功率模塊穩(wěn)定性和可靠性尤為重要，相較于其他應(yīng)用領(lǐng)域，新能源汽車電機(jī)控制器用功率半導(dǎo)體模塊面臨著更為復(fù)雜的使用環(huán)境和特殊的應(yīng)用工況：一是車載工況功率等級高、循環(huán)波動(dòng)極其復(fù)雜，功率模塊溫度快速變化，經(jīng)常處于“極熱”或“極冷”狀態(tài)，消費(fèi)級半導(dǎo)體溫度可承受區(qū)間一般為-20℃—70℃，而車規(guī)級半導(dǎo)體一般要求溫度可承受區(qū)間達(dá)到-40℃—125℃。

此外，在對抗?jié)穸?、粉塵、鹽堿自然環(huán)境、有害氣體侵蝕等方面，車規(guī)級半導(dǎo)體也有更高要求；二是汽車行駛過程中會(huì)存在振動(dòng)與顛簸，功率模塊長期處于高震動(dòng)的工作環(huán)境，要求功率模塊各組成部分具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能夠在強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境下正常運(yùn)行；三是必須確保超長使用壽命和零容錯(cuò)率，整車設(shè)計(jì)壽命通常在 15 年及以上，遠(yuǎn)高于消費(fèi)電子產(chǎn)品的壽命需求，在失效率方面，整車廠對車規(guī)級半導(dǎo)體的要求通常是零失效；四是裝配體積、重量和制造成本有嚴(yán)格限制。

新能源汽車電機(jī)控制器復(fù)雜嚴(yán)苛的使用工況對功率模塊散熱基板的性能和可靠性提出了很大的挑戰(zhàn)，散熱基板需在熱傳導(dǎo)性能、熱膨脹系數(shù)、硬度、耐用性、體積、成本等諸多方面滿足車規(guī)級使用場景的需求。

發(fā)行人所產(chǎn)銅針式散熱基板，即用于配套電機(jī)控制器用功率模塊。散熱基板作為電控功率模塊的重要組成部件與核心散熱功能結(jié)構(gòu)，通過改善功率模塊散熱性能，進(jìn)而提升電機(jī)控制器功率密度，最終達(dá)到優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的效果。

2）散熱方式與結(jié)構(gòu)

從實(shí)踐看，目前常見的功率模塊熱管理方式主要有空冷散熱和液冷散熱?？绽渖嵋话惴譃樽匀粚α魃岷蛷?qiáng)迫對流散熱，自然對流的散熱路徑主要是芯片將熱量傳遞給散熱器上的翅片，熱量通過翅片自然對流散發(fā)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單可靠，但由于自然對流冷卻的熱交換系數(shù)較低，因此無法滿足大功率模塊的散熱需求。強(qiáng)迫對流是在自然對流的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加散熱風(fēng)扇，通過加速翅片表面的空氣流動(dòng)性提高散熱效率。雖然強(qiáng)迫對流散熱在一定條件下可以滿足部分大功率模塊的散熱要求，但因風(fēng)扇的存在，需要增加額外的通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其體積一般較大，且同時(shí)會(huì)有噪聲，因此空冷散熱并沒有在車規(guī)級功率模塊中得到廣泛使用。

目前，車規(guī)級功率模塊采取的主流散熱方式為液冷散熱，其體積較小且性能穩(wěn)定可靠。而液冷散熱又分為間接液冷與直接液冷，兩者結(jié)構(gòu)區(qū)別如下：

相比間接液冷散熱，直接液冷散熱不需要導(dǎo)熱硅脂，也無需使用液冷板，模塊整體熱阻值可降低 30%左右，因而已成為車規(guī)級功率模塊的主流散熱方式，包括英飛凌、博世、安森美、日立、中車時(shí)代、斯達(dá)半導(dǎo)等在內(nèi)的知名廠商生產(chǎn)的車規(guī)級功率模塊均主要采用直接液冷散熱，搭配針式散熱基板。針式散熱基板與平底散熱基板對比如下所示：

（2）產(chǎn)品發(fā)展歷程

英飛凌作為全球車規(guī)級功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，其對配套的散熱基板要求較高，產(chǎn)品除需在熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、硬度等性能指標(biāo)方面表現(xiàn)優(yōu)異，還需要兼具性價(jià)比和經(jīng)濟(jì)性。英飛凌采用的針式散熱基板產(chǎn)品演化歷程，較為全面地反映了該產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展路徑。

以英飛凌代表性的 HybridPACK?系列功率模塊為例，從基板材料和生產(chǎn)工藝角度，其配套的針式散熱基板已經(jīng)經(jīng)歷了四次演變，具體過程如下：

如上表，從基板材料看，散熱基板經(jīng)歷了從鋁碳化硅到銅粉、銅塊的演進(jìn)；從生產(chǎn)工藝看，散熱基板經(jīng)歷了從粉末冶金到熱精密鍛造，再到冷精密鍛造的演進(jìn)。隨著產(chǎn)品階段的演進(jìn)，散熱基板性能逐漸優(yōu)化，產(chǎn)品性價(jià)比逐步提高。

1）基板材料

散熱基板作為整個(gè)功率模塊的力學(xué)支撐與重要的散熱通道，對其綜合性能有較高要求，需要具備高熱導(dǎo)率、與芯片及覆銅陶瓷基板相近的熱膨脹系數(shù)和一定的硬度，同時(shí)還要兼具性價(jià)比。目前車規(guī)級功率模塊散熱基板材料主要包括銅、鋁碳化硅和鋁等，各材料主要情況如下：

熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)是散熱基板最重要的兩項(xiàng)性能指標(biāo)。熱導(dǎo)率越高，材料導(dǎo)熱性能越好。此外，由于功率模塊由不同材料封裝而成，芯片、覆銅陶瓷基板、散熱基板等具有不同的熱膨脹系數(shù)，高溫條件下具有不同熱膨脹系數(shù)的材料會(huì)在結(jié)合界面產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的極限閾值，將會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)合界面斷裂或損傷，因此散熱基板需要具有與芯片、覆銅陶瓷基板相接近的熱膨脹系數(shù)，以提高模塊熱循環(huán)可靠性。

在早期，由于鋁碳化硅熱膨脹系數(shù)相比銅更接近芯片和覆銅陶瓷基板，可有效避免結(jié)合界面的熱應(yīng)力，減少材料斷裂和損傷，提高功率模塊可靠性，因此在散熱基板發(fā)展早期階段得到了運(yùn)用，但鋁碳化硅制作工藝復(fù)雜、成本較高，熱導(dǎo)率較低。英飛凌等功率模塊廠商通過改進(jìn)封裝設(shè)計(jì)和工藝，提高焊接結(jié)合界面的可靠性，有效解決了銅材基板材料的熱循環(huán)可靠性問題。采用銅材散熱基板封裝的功率模塊，可經(jīng)歷上千次熱循環(huán)后焊接面仍無明顯退化，達(dá)到了車規(guī)級功率模塊的要求，加之銅材熱導(dǎo)率高于鋁碳化硅，工藝成本較低，因此銅材已取代鋁碳化硅成為制作散熱基板的主流材料。

除銅和鋁碳化硅外，亦有少數(shù)廠商使用鋁材制作散熱基板。鋁材相較于銅材價(jià)格更為低廉，但其熱導(dǎo)性能不佳，且熱膨脹系數(shù)與芯片、覆銅陶瓷基板匹配性較差，采用此方案的車規(guī)級半導(dǎo)體廠商較少。

2）生產(chǎn)工藝

針翅結(jié)構(gòu)的銅散熱基板，是一種成形難度高且精度高的精密結(jié)構(gòu)件，對生產(chǎn)工藝要求嚴(yán)格，目前主要包括粉末冶金技術(shù)和精密鍛造技術(shù)，其中精密鍛造又可分為熱精鍛與冷精鍛。

A.粉末冶金技術(shù)

金屬粉末注射成型技術(shù)（以下簡稱“MIM”）是將現(xiàn)代塑料注射成型技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的一門新型粉末冶金近凈成形技術(shù)，其基本工藝過程是：選取符合 MIM 要求的金屬粉末和粘結(jié)劑，在一定溫度下采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒎勰┖驼辰Y(jié)劑混合成均勻的喂料，經(jīng)制粒后注射成型，獲得的成型坯經(jīng)過脫脂處理后燒結(jié)致密化成為最終成品。

MIM 工藝在小型化、高精度、高難度形狀的精密零件制造領(lǐng)域相比較于傳統(tǒng)加工方法具有明顯優(yōu)勢，具備較強(qiáng)的競爭力。但 MIM 工藝也存其自身的局限性：①由于使用了大量的粘結(jié)劑，燒結(jié)過程收縮率較高，一般可達(dá) 13%-25%，內(nèi)部易產(chǎn)生孔隙，存在變形控制和尺寸精度控制的問題，且每批次產(chǎn)品燒結(jié)收縮率會(huì)受各種環(huán)境及原料等因素影響，影響產(chǎn)品合格率；②對原料粉末要求很細(xì)，粉末原料的價(jià)格一般較高，限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用；③制程工序較多，流程較為繁瑣。

B.精密鍛造技術(shù)

精密鍛造成形技術(shù)是指零件成形后，僅需要少量加工或不再加工，就可以用作機(jī)械構(gòu)件的成形技術(shù)，即制造接近零件形狀和尺寸要求的毛坯，目前該技術(shù)廣泛運(yùn)用于大批量生產(chǎn)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的零部件。

熱精鍛成形是指在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行鍛造的精鍛工藝。因?yàn)樽冃螠囟雀撸谶M(jìn)行鍛造時(shí)材料的變形抗力低，塑性好，所以易于成形幾何形狀復(fù)雜的零件。熱精密鍛造的優(yōu)缺點(diǎn)較為明顯，其優(yōu)勢在于高溫可減少金屬的變形抗力，因而減少壞料變形所需的鍛壓力，對處理較硬的金屬時(shí)較為高效，對模具設(shè)計(jì)要求不高。同時(shí)熱鍛使鍛壓設(shè)備噸位大為減少，可節(jié)約設(shè)備購置成本。熱精鍛劣勢在于鍛件冷卻過程存在熱脹冷縮現(xiàn)象，影響鍛件精度；高溫下鍛件表面易產(chǎn)生氧化或燒損缺陷，影響產(chǎn)品表面質(zhì)量；鍛造過程能耗高，增加能耗成本。

冷精鍛成形是指在常溫條件下的鍛造加工，利用安裝在設(shè)備上的模具，在強(qiáng)大壓力和一定速度下使金屬材料從模腔中擠出，從而獲得所需形狀、尺寸以及具有一定力學(xué)性能的鍛造方法。冷精鍛技術(shù)的成形精度比熱精鍛要高，在精密成形領(lǐng)域有著獨(dú)到的優(yōu)勢，具體優(yōu)點(diǎn)包括：①工件精度高，產(chǎn)品尺寸一致性好，形狀和尺寸容易控制；相比熱精鍛可避免高溫導(dǎo)致的外形誤差，產(chǎn)品表面無氧化和燒損等熱加工缺陷；②零件強(qiáng)度性能好，冷鍛產(chǎn)生的加工硬化效果可使產(chǎn)品的硬度顯著增強(qiáng)；③能源消耗小。但冷精鍛技術(shù)對模具的要求以及工藝技術(shù)的要求較高。

結(jié)構(gòu)相匹配才能鍛造出合格的產(chǎn)品，好的模具可以在提高產(chǎn)品良率的同時(shí)維持模具的耐用性。針翅結(jié)構(gòu)的銅散熱基板具有成形難度高且精度高等特點(diǎn)，終端運(yùn)用于新能源汽車，下游客戶對產(chǎn)品精度、硬度、表面粗糙度等指標(biāo)要求較高。散熱基板上分布的銅針極為密集，成百上千的銅針對模具強(qiáng)度的設(shè)計(jì)合理性提出了很大的挑戰(zhàn)。純銅作為一種鍛壓材料需要比鋁高出 2-3 倍的變形壓力，使得模具和鍛壓設(shè)備承受非常高的應(yīng)力。如果模具設(shè)計(jì)不合理或達(dá)不到要求，就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中和應(yīng)力疲勞的問題，從而使得模具壽命得不到保證，并造成成形缺料、脫模變形等一系列問題，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

（3）行業(yè)發(fā)展前景

新能源乘用車持續(xù)高速增長、商用車新能源化進(jìn)程加快、交通工具電動(dòng)化浪 潮全面開啟等多重因素給車規(guī)級功率模塊散熱基板行業(yè)長期發(fā)展帶來重要機(jī)遇， 行業(yè)發(fā)展空間巨大。

1）新能源乘用車持續(xù)高速增長

隨著生活水平的不斷提高，消費(fèi)者越來越重視汽車的駕駛體驗(yàn)和舒適性，相 較于燃油汽車，新能源乘用車在駕駛體驗(yàn)、用車成本、智能化等方面具備先天優(yōu) 勢。駕駛體驗(yàn)方面，新能源乘用車因瞬間輸出扭矩大，動(dòng)力響應(yīng)更加快速平順， 同時(shí)還有更低的噪音和震動(dòng)，駕乘體驗(yàn)更加平穩(wěn)舒適；用車成本方面，充電費(fèi)用 遠(yuǎn)低于燃油成本，且新能源乘用車保養(yǎng)成本較低；智能化方面，燃油車受制于傳 統(tǒng)的電子電氣架構(gòu)系統(tǒng)，加之電池較小儲(chǔ)能能力不足，難以實(shí)現(xiàn)整車智能化。隨 著動(dòng)力電池能量密度和性能的整體提升，新能源乘用車的續(xù)航能力得到顯著增強(qiáng)， 充電樁覆蓋率的穩(wěn)步提升也使得出行更加便捷，因而能夠滿足大部分出行需求。

綜上，由于新能源乘用車在駕駛體驗(yàn)、用車成本、智能化等方面的優(yōu)勢，其 市占率已大幅提升。而隨著全球主流汽車強(qiáng)國對新能源汽車的政策支持、供應(yīng)鏈 及充電樁等配套設(shè)施的日益完善、消費(fèi)者對新能源汽車接受度不斷提高，新能源乘用車銷量仍將在中長期內(nèi)保持高速增長趨勢，市場占有率也將持續(xù)上升。

根據(jù)國際能源署數(shù)據(jù)，2021 年全球新能源乘用車市場占有率為 8.6%，2025年、2030 年有望分別達(dá)到 20%和 36%；銷量方面，2021 年全球新能源乘用車銷量約 660 萬輛，2025 年、2030 年分別有望達(dá)到 1,870 萬輛和 4,100 萬輛，年復(fù)合增長率約 22.50%。

2）商用車新能源化進(jìn)程加快

商用車新能源化，對推進(jìn)綠色交通、降低碳排放有重要意義。目前，新能源商用車的發(fā)展與乘用車相比還存在一定差距。但受技術(shù)進(jìn)步、補(bǔ)貼政策推動(dòng)、配套設(shè)施的建立、用電成本下降等因素影響，商用車正在成為新能源汽車市場的重要組成部分，各級政府部門出臺(tái)了一系列政策措施支持新能源商用車的發(fā)展。

以用途和負(fù)載量劃分，新能源商用車可分為輕卡、重卡、大巴等類型。其中，以城市內(nèi)部物流為主要運(yùn)用場景的輕卡（輕型貨車/物流車），是未來新能源商用車的主要增長點(diǎn)。

公路物流可分為城市物流和城際物流。城市物流以城市內(nèi)部日常生活用品運(yùn)輸、快遞和小件貨運(yùn)為代表，由于成本限制，純電動(dòng)物流車普遍續(xù)航里程不超過300km，加之整車自重大且動(dòng)力系統(tǒng)多為永磁同步電機(jī)，天然利于輕載場景，因此城市物流將成為新能源輕卡的重要應(yīng)用場景。隨著網(wǎng)上購物興起，快遞物流業(yè)發(fā)展迅速，加之精準(zhǔn)送達(dá)等需求影響，衍生了生鮮、代購等新的同城模式，同城貨運(yùn)規(guī)模增長迅速，帶動(dòng)了新能源物流車需求增長。目前，電商物流、快遞配送、城市配送領(lǐng)域已經(jīng)開始逐步用新能源輕卡替代傳統(tǒng)燃油車輛，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>

城際物流以重卡為主，對車輛的安全性、承載力、續(xù)航里程、維修便利性要求較高。隨著國內(nèi)外新能源重型卡車的推出，城際物流的電動(dòng)化進(jìn)程也即將開始。

2022 年 12 月，特斯拉向首批用戶交付了 Tesla Semi 電動(dòng)半掛卡車，該車搭配三電機(jī)系統(tǒng)，滿載質(zhì)量 37 噸，續(xù)航里程可達(dá) 800 公里，該車型的發(fā)布與交付，標(biāo)志著物流電動(dòng)化邁入新的階段，物流電動(dòng)化的替代空間進(jìn)一步擴(kuò)大。

新能源大巴領(lǐng)域，由于政府政策的推動(dòng)，我國主要地區(qū)均出臺(tái)了新能源公交車采購更新計(jì)劃。深圳、廣州、北京、上海等一線城市公交車輛已基本實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化，三四線城市客車電動(dòng)化也在加速推進(jìn)。隨著動(dòng)力電池成本下降和續(xù)航里程增加，未來新能源大巴將由短途客運(yùn)和景區(qū)內(nèi)擺渡逐漸進(jìn)入公路客車領(lǐng)域，將進(jìn)一步成為城市客車主流。新能源大巴符合綠色低碳循環(huán)發(fā)展的時(shí)代背景，從目前大巴市場電動(dòng)化率來看，未來新能源大巴仍有較大的市場空間。

根據(jù)國際能源署預(yù)測數(shù)據(jù)，2021年全球新能源商用車銷量為29.19萬輛，2025年、2030 年分別有望達(dá)到 203 萬輛和 457 萬輛，年復(fù)合增長率約 35.75%。

3）交通工具電動(dòng)化浪潮全面開啟

交通領(lǐng)域的電動(dòng)化是近年來最深刻的技術(shù)變革之一，除新能源汽車和依靠電力牽引的高鐵、地鐵外，電動(dòng)化正逐步向電動(dòng)輪船、電動(dòng)飛機(jī)等領(lǐng)域擴(kuò)展。

船舶是河運(yùn)和海運(yùn)的主要載體，整治船舶污染，推動(dòng)船舶動(dòng)力的電動(dòng)化，是航運(yùn)業(yè)綠色發(fā)展的趨勢，也是雙碳背景下中國內(nèi)河航運(yùn)的必然需求。新能源汽車領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，對促進(jìn)船舶電動(dòng)化起到了非常關(guān)鍵的作用。近年來，我國陸續(xù)出臺(tái)了《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》《純電池動(dòng)力船舶檢驗(yàn)指南》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)電動(dòng)船舶行業(yè)發(fā)展。過去幾年，中國純電動(dòng)船舶實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，目前國內(nèi)中短途運(yùn)輸、中小量運(yùn)輸?shù)膬?nèi)河航運(yùn)船舶上已啟動(dòng)電動(dòng)化，各地推出的短途輪渡及景區(qū)游覽船舶等電動(dòng)化趨勢明顯。

出于減少碳排放和降低燃油成本的需求，以電動(dòng)化推進(jìn)技術(shù)為結(jié)合點(diǎn)，世界各大航空企業(yè)與汽車企業(yè)已經(jīng)開始相互滲透、跨界融合發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界范圍內(nèi)已涌現(xiàn)出上百家電動(dòng)飛行企業(yè)。目前，市場上的電動(dòng)飛行產(chǎn)品速度基本處在120km/h-250km/h 之間，續(xù)航里程多在百公里左右，理論上已能夠滿足短途的航空需要。隨著電池技術(shù)與電機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在短距離商業(yè)化載人領(lǐng)域，電動(dòng)飛機(jī)有望實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)燃油飛機(jī)的取代。

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