Yole：电源模块市场重塑

来源:芯榜发布时间:2023-08-21630浏览

来源：半导体行业观察（ID：icbank）编译自Yole

根据 Yole Intelligence 最近在《2023 年电源模块封装行业现状》报告中的分析，到 2028 年，电源模块市场规模预计将翻一番，达到 140 亿美元。

作为转换器和逆变器的关键组件之一，功率模块市场传统上由工业应用驱动。然而，市场现在正在对电动汽车领域不断增长的需求做出反应，电动汽车领域目前是市场的主要驱动力，而且这种需求将持续下去，因为电动汽车的生产数量每年都在迅速增加。

但随着不断发展的市场导致需求发生变化，模块制造商必须在性能、可靠性和成本之间取得平衡。在本文中，Yole 专家Shalu Agarwal和Amine Allouche分析了电动汽车市场如何影响当今电源模块的发展（使用现实世界的例子），并讨论这如何影响整个供应链。

电动汽车市场对高可靠性的需求

正在影响功率模块的技术发展

电动汽车市场比工业应用有更严格的要求，尤其是在功率、效率、稳健性、可靠性、成本、尺寸和安全性方面，这正在影响整个电源模块市场的技术创新。

足以满足工业用途的传统电源模块封装元件现在正在被更具创新性的元件所取代，这些元件可提供更高的性能和可靠性，但成本更高。

许多模块制造商正在从基于硅 IGBT 的芯片转向碳化硅，特别是随着电动汽车转向更高功率（超快充电为 400V 至 800V）。尽管 SiC MOSFET 系统比 Si IGBT 成本更高，但其效率更高，使电源模块制造商能够提供更高的功率，同时满足电动汽车严格的尺寸限制。

然而，为了最大限度地发挥 SiC 的优势，必须同时使用合适的功率模块封装解决方案，这导致了可用基板、封装、芯片贴装、基板贴装和电气互连解决方案方面的许多创新。

例如，在电气互连方面，业界正在从铝线转向低电感铜线。使用带状键合、顶部引线框架、柔性箔和夹子等定制选项的无线电源模块将出现相当大的增长。

市场还看到铜基平板基板的创新。为了更好地集成冷却系统和电源模块，并最大限度地减少散热路径中不同层的数量，针对高功率密度应用提出了结构化基板解决方案，例如针鳍设计。

在芯片连接材料方面，模块制造商正在从焊接转向兼容高温的银烧结，并且已经在评估铜烧结等其他解决方案。

所使用的基板也从直接键合铜（DBC）（例如氧化铝-DBC陶瓷基板）转向活性金属钎焊（AMB）陶瓷基板（例如氮化硅-AMB）。氮化硅-AMB 具有更好的导热性，因此具有更高的可靠性。

此外，从单侧电源模块冷却转向双面电源模块冷却可改善散热和热管理。

但是，虽然电源模块中的这些创新提高了性能和可靠性，但它们也大大增加了整个模块的成本。由于当今市场上的许多模块已经提供了相当的高性能，因此以高成本集成所有可能的创新可能并不是模块制造商实现差异化的最明智之举。由于成本是一个关键因素（尤其是对于购买电动汽车的消费者而言），模块制造商现在正在从“优秀”设计方法转向“足够好”设计方法，以实现技术创新和成本之间的平衡。

“优秀”与“足够好”：

模块制造商如何平衡成本和性能？

由于 SiC 芯片是功率模块中最昂贵的部分（占功率模块总成本的 70% 以上），一些公司选择保留 Si IGBT 芯片，但使用更先进的基板、电气互连或封装解决方案。通过这种方式，公司可以提供“足够好”的性能，同时降低成本。

例如，捷豹I-Pace车型逆变器中Vitesco Technologies的IGBT模块采用了基于定制图案银夹的创新互连，以及芯片底部和顶部的创新双面银烧结。底板采用铜制冷却头，其为封闭结构，具有外部冷却液的入口和出口。这与市场上常见的开放式针鳍设计非常独特，凸显出越来越多的模块制造商正在对基板进行创新以改善散热。

Yole Group 专家在他们的报告《IM L7 电动汽车逆变器中的赛米控-丹佛斯 IGBT 功率模块》中对当今市场上的许多模块进行了拆解。

与创新组件一起使用的另一个 Si IGBT 模块的例子是集成在中国汽车制造商 IM Motors 的 IM L7 汽车逆变器中的赛米控-丹佛斯 DCM 模块。底板设计采用了该公司专有的“淋浴电源”技术，可提供高效的直接液体冷却，且电源模块组件之间不会出现温度梯度。对于互连，赛米控-丹佛斯采用创新的三步工艺，其中将铜带附着在 DBB 铜箔上，而 DBB 铜箔是银烧结到芯片上的。赛米控-丹佛斯还在基于 SiC 的模块中提供了这项技术，该技术将提供“卓越”的性能，但成本更高。如今，碳化硅更常用于 800V 的车辆，许多公司都在营销 SiC 系统。