據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，英國(guó)知名研究公司IDTechEx預(yù)測(cè)純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）市場(chǎng)未來(lái)十年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)到15%，這將推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)電力電子產(chǎn)品需求的大幅增長(zhǎng)。目前，全球各地的純電動(dòng)汽車(chē)的加權(quán)平均電池容量都在增加，為電池供應(yīng)鏈帶來(lái)了壓力和不確定性，從而使汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)循環(huán)效率必須成為動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重，這意味著高壓寬帶隙（WBG）電力電子產(chǎn)品的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

在本報(bào)告中，IDTechEx深入研究了電動(dòng)汽車(chē)電力電子產(chǎn)品，剖析了不斷發(fā)展的半導(dǎo)體和封裝材料，包括硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體、芯片貼裝材料、引線(xiàn)鍵合材料和熱管理材料等。IDTechEx按電壓和半導(dǎo)體類(lèi)型提供了逆變器、車(chē)載充電器（OBC）以及DC-DC轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)市場(chǎng)預(yù)測(cè)。

寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體

20年來(lái)，Si IGBT一直在中高功率器件領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位（包括電動(dòng)汽車(chē)電力電子領(lǐng)域），但是正逐漸讓位于新一代WBG材料：SiC和GaN。這將從根本上影響新型功率器件的設(shè)計(jì)（包括封裝材料），更小、更高功率密度，并且能夠在更高溫度下工作的功率模塊應(yīng)運(yùn)而生。

SiC MOSFET的采用是中期展望的主旋律，將迅速增長(zhǎng)并主導(dǎo)市場(chǎng)份額，IDTechEx在報(bào)告中給出了各類(lèi)器件的應(yīng)用時(shí)間表。雖然經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的SiC MOSFET與理論SiC MOSFET之間的性能差距通常小于一個(gè)數(shù)量級(jí)，存在一定的改進(jìn)空間，但是相比之下，GaN功率器件比其理論極限低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，反映了巨大的長(zhǎng)期潛力。

由于技術(shù)還不成熟，GaN功率器件的商業(yè)化目前受到其低功率/電壓操作的限制，這方面的改進(jìn)決定了其在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用前景。如今，結(jié)體塊式（Bulk）GaN的成本令人望而卻步，但隨著第一批600V GaN逆變器開(kāi)始出現(xiàn)，Gan-on-Si將率先被采用。

OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行功率比逆變器低得多，但采用WBG半導(dǎo)體仍將受益。除了提高整體功率密度外，更高的效率還能夠通過(guò)OBC更快地對(duì)電池充電，并在低壓電池充電期間（通過(guò)轉(zhuǎn)換器）減少能量損失，增加電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。IDTechEx報(bào)告預(yù)測(cè)，由于功率和電壓要求較低，OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)向GaN的時(shí)間將略早于逆變器。

封裝材料和熱管理的發(fā)展趨勢(shì)

本報(bào)告對(duì)比分析了新一代緊湊高效的封裝結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)旨在更高的功率密度和工作溫度。其方案包括直接基板冷卻、帶狀鍵合、直接引線(xiàn)鍵合、銅帶鍵合、銀或銅燒結(jié)芯片貼裝、集成散熱片、避免使用熱界面材料（TIM）、油冷卻、雙面冷卻等。

芯片貼裝材料是一個(gè)明顯的痛點(diǎn)，具有較高的結(jié)溫和對(duì)鉛材料的禁令，導(dǎo)致市場(chǎng)轉(zhuǎn)向銀和銅燒結(jié)材料。銀燒結(jié)多年來(lái)一直處于驗(yàn)證階段，IDTechEx認(rèn)為這是一項(xiàng)非常有前途的技術(shù)，現(xiàn)在時(shí)機(jī)已到。事實(shí)上，如今迅速采用的納米銀燒結(jié)已經(jīng)有七年多的開(kāi)發(fā)歷史。銅燒結(jié)材料仍在很大程度上處于預(yù)商業(yè)化階段，但在提供更好通用性的同時(shí)，具有提高銀燒結(jié)性能的潛力。本報(bào)告重點(diǎn)介紹并對(duì)比分析了燒結(jié)材料，提供了對(duì)新興供應(yīng)鏈的洞察。

另一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是引線(xiàn)鍵合材料。第一代電力電子器件封裝采用鋁線(xiàn)鍵合，無(wú)需太大的力或時(shí)間即可輕松應(yīng)用于芯片。然而，鋁的表面積覆蓋率較差（<20%），導(dǎo)熱率低于銅。這導(dǎo)致市場(chǎng)出現(xiàn)不同類(lèi)型的銅線(xiàn)鍵合，這帶來(lái)了新的制造挑戰(zhàn)，要求更高的鍵合功率，而WBG材料會(huì)導(dǎo)致芯片厚度縮小，變得更脆弱。本報(bào)告提供了電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用中各種銅線(xiàn)鍵合類(lèi)型的案例研究。

在熱管理方面，許多逆變器供應(yīng)商現(xiàn)在已經(jīng)消除了散熱器和基板之間的熱界面材料以提高熱阻，但這并不意味著電力電子產(chǎn)品中沒(méi)有熱界面材料機(jī)遇。許多組件仍然需要熱界面材料，通常它們?nèi)员挥糜趯⒛K散熱器連接到水乙二醇冷板。本報(bào)告對(duì)這些趨勢(shì)以及應(yīng)用背后的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了分析。

逆變器IGBT或SiC MOSFET模塊主要使用水乙二醇冷卻。單面和雙面冷卻均有使用，它們各有優(yōu)勢(shì)。此外，使用油來(lái)冷卻電力電子器件也有所增加，以消除電驅(qū)動(dòng)單元中的大部分水乙二醇成分，還將同樣的油應(yīng)用于電機(jī)和逆變器。雖然目前市場(chǎng)尚未采用這種方案，但I(xiàn)DTechEx認(rèn)為這種方案很有前景，并對(duì)采用空氣、水或油冷卻的電動(dòng)汽車(chē)逆變器提供了10年期展望。