來源：思瀚產業研究院

作者：楊朝蓬，張寧，段志宇

（1）行業概況

1）產品概述

良好的熱管理對于功率模塊穩定性和可靠性尤為重要，相較于其他應用領域，新能源汽車電機控制器用功率半導體模塊面臨著更為復雜的使用環境和特殊的應用工況：一是車載工況功率等級高、循環波動極其復雜，功率模塊溫度快速變化，經常處于“極熱”或“極冷”狀態，消費級半導體溫度可承受區間一般為-20℃—70℃，而車規級半導體一般要求溫度可承受區間達到-40℃—125℃。

此外，在對抗濕度、粉塵、鹽堿自然環境、有害氣體侵蝕等方面，車規級半導體也有更高要求；二是汽車行駛過程中會存在振動與顛簸，功率模塊長期處于高震動的工作環境，要求功率模塊各組成部分具有足夠的機械強度，能夠在強震動環境下正常運行；三是必須確保超長使用壽命和零容錯率，整車設計壽命通常在 15 年及以上，遠高于消費電子產品的壽命需求，在失效率方面，整車廠對車規級半導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格限制。

新能源汽車電機控制器復雜嚴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，散熱基板需在熱傳導性能、熱膨脹系數、硬度、耐用性、體積、成本等諸多方面滿足車規級使用場景的需求。

發行人所產銅針式散熱基板，即用于配套電機控制器用功率模塊。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構，通過改善功率模塊散熱性能，進而提升電機控制器功率密度，最終達到優化電驅動系統性能的效果。

2）散熱方式與結構

從實踐看，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。空冷散熱一般分為自然對流散熱和強迫對流散熱，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，其優點是結構簡單可靠，但由于自然對流冷卻的熱交換系數較低，因此無法滿足大功率模塊的散熱需求。強迫對流是在自然對流的結構基礎上增加散熱風扇，通過加速翅片表面的空氣流動性提高散熱效率。雖然強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，但因風扇的存在，需要增加額外的通風結構設計，其體積一般較大，且同時會有噪聲，因此空冷散熱并沒有在車規級功率模塊中得到廣泛使用。

目前，車規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定可靠。而液冷散熱又分為間接液冷與直接液冷，兩者結構區別如下：

相比間接液冷散熱，直接液冷散熱不需要導熱硅脂，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、中車時代、斯達半導等在內的知名廠商生產的車規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）產品發展歷程

英飛凌作為全球車規級功率半導體領域的龍頭企業，其對配套的散熱基板要求較高，產品除需在熱導率、熱膨脹系數、硬度等性能指標方面表現優異，還需要兼具性價比和經濟性。英飛凌采用的針式散熱基板產品演化歷程，較為全面地反映了該產品的技術發展路徑。

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

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

1）基板材料

散熱基板作為整個功率模塊的力學支撐與重要的散熱通道，對其綜合性能有較高要求，需要具備高熱導率、與芯片及覆銅陶瓷基板相近的熱膨脹系數和一定的硬度，同時還要兼具性價比。目前車規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：

熱導率與熱膨脹系數是散熱基板最重要的兩項性能指標。熱導率越高，材料導熱性能越好。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，高溫條件下具有不同熱膨脹系數的材料會在結合界面產生熱應力，當熱應力超過材料的極限閾值，將會導致材料結合界面斷裂或損傷，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，以提高模塊熱循環可靠性。

在早期，由于鋁碳化硅熱膨脹系數相比銅更接近芯片和覆銅陶瓷基板，可有效避免結合界面的熱應力，減少材料斷裂和損傷，提高功率模塊可靠性，因此在散熱基板發展早期階段得到了運用，但鋁碳化硅制作工藝復雜、成本較高，熱導率較低。英飛凌等功率模塊廠商通過改進封裝設計和工藝，提高焊接結合界面的可靠性，有效解決了銅材基板材料的熱循環可靠性問題。采用銅材散熱基板封裝的功率模塊，可經歷上千次熱循環后焊接面仍無明顯退化，達到了車規級功率模塊的要求，加之銅材熱導率高于鋁碳化硅，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，亦有少數廠商使用鋁材制作散熱基板。鋁材相較于銅材價格更為低廉，但其熱導性能不佳，且熱膨脹系數與芯片、覆銅陶瓷基板匹配性較差，采用此方案的車規級半導體廠商較少。

2）生產工藝

針翅結構的銅散熱基板，是一種成形難度高且精度高的精密結構件，對生產工藝要求嚴格，目前主要包括粉末冶金技術和精密鍛造技術，其中精密鍛造又可分為熱精鍛與冷精鍛。

A.粉末冶金技術

金屬粉末注射成型技術（以下簡稱“MIM”）是將現代塑料注射成型技術引入粉末冶金領域而形成的一門新型粉末冶金近凈成形技術，其基本工藝過程是：選取符合 MIM 要求的金屬粉末和粘結劑，在一定溫度下采用適當的方法將粉末和粘結劑混合成均勻的喂料，經制粒后注射成型，獲得的成型坯經過脫脂處理后燒結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域相比較于傳統加工方法具有明顯優勢，具備較強的競爭力。但 MIM 工藝也存其自身的局限性：①由于使用了大量的粘結劑，燒結過程收縮率較高，一般可達 13%-25%，內部易產生孔隙，存在變形控制和尺寸精度控制的問題，且每批次產品燒結收縮率會受各種環境及原料等因素影響，影響產品合格率；②對原料粉末要求很細，粉末原料的價格一般較高，限制了該技術的廣泛應用；③制程工序較多，流程較為繁瑣。

B.精密鍛造技術

精密鍛造成形技術是指零件成形后，僅需要少量加工或不再加工，就可以用作機械構件的成形技術，即制造接近零件形狀和尺寸要求的毛坯，目前該技術廣泛運用于大批量生產結構相對復雜的零部件。

熱精鍛成形是指在再結晶溫度以上進行鍛造的精鍛工藝。因為變形溫度高，在進行鍛造時材料的變形抗力低，塑性好，所以易于成形幾何形狀復雜的零件。熱精密鍛造的優缺點較為明顯，其優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較為高效，對模具設計要求不高。同時熱鍛使鍛壓設備噸位大為減少，可節約設備購置成本。熱精鍛劣勢在于鍛件冷卻過程存在熱脹冷縮現象，影響鍛件精度；高溫下鍛件表面易產生氧化或燒損缺陷，影響產品表面質量；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，利用安裝在設備上的模具，在強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性能的鍛造方法。冷精鍛技術的成形精度比熱精鍛要高，在精密成形領域有著獨到的優勢，具體優點包括：①工件精度高，產品尺寸一致性好，形狀和尺寸容易控制；相比熱精鍛可避免高溫導致的外形誤差，產品表面無氧化和燒損等熱加工缺陷；②零件強度性能好，冷鍛產生的加工硬化效果可使產品的硬度顯著增強；③能源消耗小。但冷精鍛技術對模具的要求以及工藝技術的要求較高。

結構相匹配才能鍛造出合格的產品，好的模具可以在提高產品良率的同時維持模具的耐用性。針翅結構的銅散熱基板具有成形難度高且精度高等特點，終端運用于新能源汽車，下游客戶對產品精度、硬度、表面粗糙度等指標要求較高。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度的設計合理性提出了很大的挑戰。純銅作為一種鍛壓材料需要比鋁高出 2-3 倍的變形壓力，使得模具和鍛壓設備承受非常高的應力。如果模具設計不合理或達不到要求，就會產生應力集中和應力疲勞的問題，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，進而無法實現大批量生產。

（3）行業發展前景

新能源乘用車持續高速增長、商用車新能源化進程加快、交通工具電動化浪 潮全面開啟等多重因素給車規級功率模塊散熱基板行業長期發展帶來重要機遇， 行業發展空間巨大。

1）新能源乘用車持續高速增長

隨著生活水平的不斷提高，消費者越來越重視汽車的駕駛體驗和舒適性，相 較于燃油汽車，新能源乘用車在駕駛體驗、用車成本、智能化等方面具備先天優 勢。駕駛體驗方面，新能源乘用車因瞬間輸出扭矩大，動力響應更加快速平順， 同時還有更低的噪音和震動，駕乘體驗更加平穩舒適；用車成本方面，充電費用 遠低于燃油成本，且新能源乘用車保養成本較低；智能化方面，燃油車受制于傳 統的電子電氣架構系統，加之電池較小儲能能力不足，難以實現整車智能化。隨 著動力電池能量密度和性能的整體提升，新能源乘用車的續航能力得到顯著增強， 充電樁覆蓋率的穩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、用車成本、智能化等方面的優勢，其 市占率已大幅提升。而隨著全球主流汽車強國對新能源汽車的政策支持、供應鏈 及充電樁等配套設施的日益完善、消費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保持高速增長趨勢，市場占有率也將持續上升。

根據國際能源署數據，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 年分別有望達到 1,870 萬輛和 4,100 萬輛，年復合增長率約 22.50%。

2）商用車新能源化進程加快

商用車新能源化，對推進綠色交通、降低碳排放有重要意義。目前，新能源商用車的發展與乘用車相比還存在一定差距。但受技術進步、補貼政策推動、配套設施的建立、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，各級政府部門出臺了一系列政策措施支持新能源商用車的發展。

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

公路物流可分為城市物流和城際物流。城市物流以城市內部日常生活用品運輸、快遞和小件貨運為代表，由于成本限制，純電動物流車普遍續航里程不超過300km，加之整車自重大且動力系統多為永磁同步電機，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用場景。隨著網上購物興起，快遞物流業發展迅速，加之精準送達等需求影響，衍生了生鮮、代購等新的同城模式，同城貨運規模增長迅速，帶動了新能源物流車需求增長。目前，電商物流、快遞配送、城市配送領域已經開始逐步用新能源輕卡替代傳統燃油車輛，發展潛力巨大。

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

2022 年 12 月，特斯拉向首批用戶交付了 Tesla Semi 電動半掛卡車，該車搭配三電機系統，滿載質量 37 噸，續航里程可達 800 公里，該車型的發布與交付，標志著物流電動化邁入新的階段，物流電動化的替代空間進一步擴大。

新能源大巴領域，由于政府政策的推動，我國主要地區均出臺了新能源公交車采購更新計劃。深圳、廣州、北京、上海等一線城市公交車輛已基本實現電動化，三四線城市客車電動化也在加速推進。隨著動力電池成本下降和續航里程增加，未來新能源大巴將由短途客運和景區內擺渡逐漸進入公路客車領域，將進一步成為城市客車主流。新能源大巴符合綠色低碳循環發展的時代背景，從目前大巴市場電動化率來看，未來新能源大巴仍有較大的市場空間。

根據國際能源署預測數據，2021年全球新能源商用車銷量為29.19萬輛，2025年、2030 年分別有望達到 203 萬輛和 457 萬輛，年復合增長率約 35.75%。

3）交通工具電動化浪潮全面開啟

交通領域的電動化是近年來最深刻的技術變革之一，除新能源汽車和依靠電力牽引的高鐵、地鐵外，電動化正逐步向電動輪船、電動飛機等領域擴展。

船舶是河運和海運的主要載體，整治船舶污染，推動船舶動力的電動化，是航運業綠色發展的趨勢，也是雙碳背景下中國內河航運的必然需求。新能源汽車領域的技術發展，對促進船舶電動化起到了非常關鍵的作用。近年來，我國陸續出臺了《內河綠色船舶規范》《純電池動力船舶檢驗指南》等技術標準，推動電動船舶行業發展。過去幾年，中國純電動船舶實現了快速發展，目前國內中短途運輸、中小量運輸的內河航運船舶上已啟動電動化，各地推出的短途輪渡及景區游覽船舶等電動化趨勢明顯。

出于減少碳排放和降低燃油成本的需求，以電動化推進技術為結合點，世界各大航空企業與汽車企業已經開始相互滲透、跨界融合發展。據統計，全世界范圍內已涌現出上百家電動飛行企業。目前，市場上的電動飛行產品速度基本處在120km/h-250km/h 之間，續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。隨著電池技術與電機技術的進一步發展，在短距離商業化載人領域，電動飛機有望實現對傳統燃油飛機的取代。

標簽： 汽車熱管理 點擊： 評論: