刘新宽教授:电动汽车IGBT铜铝复合散热器市场、工艺、技术突破等解析

来源:SMM

上海理工大学材料科学与工程学院教授刘新宽在《中国工博会新材料论坛—2019中国汽车新材料应用高峰论坛》上详细阐释了运用于新能源汽车上的IGBT铜铝复合散热器,内容涵盖产品市场、产品材料特性、存在的问题与挑战,以及问题解决方案。

SMM 9月19日讯:上海理工大学材料科学与工程学院教授刘新宽在《中国工博会新材料论坛—2019中国汽车新材料应用高峰论坛》上详细阐释了运用于新能源汽车上的IGBT铜铝复合散热器,内容涵盖产品市场、产品材料特性、存在的问题与挑战,以及问题解决方案。

新能源汽车核心--IGBT


IGBT占整车成本的7-10%,是除电池之外成本第二高的元件,决定整车的能源效率。

电机驱动要用IGBT

发电机和空调部分需要IGBT

直流充电桩的核心也是IGBT管,直流充电桩30%的原材料成本就是IGBT。

2016年全球电动车销量大约200万辆,消耗了大约9亿美元的IGBT管,平均每辆车大约450美元,是电动车里除电池外最昂贵的部件。

其中,混合动力和PHEV大约77万辆,每辆车需要大约300美元的IGBT,纯电动车大约123万辆,平均每辆车使用540美元的IGBT,大功率的纯电公交车用的IGBT可能超过1000美元。

IGBT市场

IGBT的关键:散热和背板工艺


自第六代以后,IGBT自身的潜力已经挖掘的差不多了,大家都把精力转移到IGBT的封装上,也就是散热。

车用IGBT的散热效率要求比工业级要高得多,同时还要考虑强振动条件。

散热的关键是材料


电动车中的电池电压在200V以上,电机功率也较大,要求IGBT的额定电压600V~1200V,额定电流300A以上,如此大的功率致发热多,加之IGBT的结温不能超过125℃,如果热量不能及时散掉,造成的危害是IGBT损坏以致影响到整机的运作

散热解决方案


第一,提高 IGBT模块内部的导热导电性能、耐受功率循环的能力, IGBT模块

内部引线技术经历了粗铝线键合、铝带键合再到铜线键合的过程,提高了载流密度

第二,新的焊接工艺,传统焊料为锡铅合金,成本低廉、工艺简单,但存在环境污染问题。新技术主要有:低温银烧结技术和瞬态液相扩散焊接

第三,改进DBC和模块底板,降低散热热阻,提高热可靠性,减小体积,降低成本等

第四,扩大模块与散热底板间的连接面积,如端子压接技术

铜铝焊接技术困难


①铝化学活泼,易被氧化生成高熔点的金属氧化物

②铜和铝的导热率高,结晶速度快,易产生气孔

③铜铝物理性能存在较大差异,焊接时易形成脆且硬的金属间化合物,易产生裂纹

铜铝散热器焊接现状

1. 散热器形状复杂,铝表面存在致密氧化膜

2. 热管的使用温度限制在250℃以下,只能低温钎焊

3. 目前的方法是在铝表面先电镀Ni,再进行热管与铝钎焊。成本高、污染环境、工艺复杂

4. 胶粘热阻大,不牢靠

铜铝低温焊接技术突破


1. 铜铝低温钎焊技术无需电镀Ni,绿色环保,成本大幅降低

2. 生产工艺简单

3. 可以完全利用原有钎焊生产线及设备

铜铝散热器高温熔化焊接技术


突破了电阻焊、摩擦焊在焊接面积大小方面的局限性

焊接强度高,结合面剪切强度大于40MPa

可对复杂形状的铜铝件进行焊接

无钎焊料,无需真空气氛,无需惰性气体保护

焊接速度快,工艺简单,成本低,易实现过程自动化

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