Tecnología

Materiales de fijación de pastillas para electrónica de potencia en vehículos eléctricos

Este informe investiga el mercado de diversos materiales de unión de pastillas y sustratos utilizados en electrónica de potencia en varios vehículos eléctricos.

Construye un modelo cuantitativo detallado para pronosticar el tamaño de mercado direccionable para pastillas y materiales de fijación de sustrato en diversas funciones electrónicas de potencia en todas las formas de vehículos eléctricos. También desarrolla pronósticos de mercado a diez años, en valor y en masa, segmentando el mercado por tipo de material. Los materiales considerados en este documento incluyen sinterización de nano plata, sinterización de micro-plata, sinterización de Cu, SAC y otras soldaduras, y materiales de unión de fase líquida transitorios.
 
El informe proporciona una visión integral de las tendencias de la industria, observando las tendencias que impulsan la adopción de materiales de fijación de pastilla de mayor rendimiento; estudia cómo evolucionan las soluciones de encapsulado, incluidos el accesorio de pastilla, la interconexión y los mecanismos de enfriamiento para satisfacer las necesidades más estrictas de la industria; y examinar las diversas implementaciones existentes y pasadas de módulos de potencia en vehículos eléctricos líderes en el mercado. El informe también proporciona una revisión exhaustiva de todas las empresas que ofrecen soluciones de sinterización de metales en todo el mundo.

Gráfico principal: pronóstico de mercado para varios materiales de unión de pastillas utilizados tanto como unión de troquel como de sustrato. Los materiales aquí incluyen, sin ningún orden en particular, SAC y otras soldaduras, sinterización de Cu, TLB y sinterización de micron y nano Ag.

El cambio en la mezcla de materiales afectará el valor de mercado debido a las diferencias de precios. El recuadro izquierdo: pronóstico del mercado direccionable solo para la unión de troqueles en tonos segmentados por categoría de vehículo eléctrico, por ejemplo, híbrido suave, híbrido enchufable, carretilla elevadora, autobús, motocicleta, etc. recuadro derecho: pronóstico del área de troquel agregado segmentado por electrónica de potencia función, por ejemplo, cargador, CC / CC, inversor, etc.


Antecedentes
El mercado de vehículos eléctricos se está expandiendo. Como consecuencia, el mercado de módulos de potencia en todo tipo de vehículos eléctricos se está expandiendo. Esto, a su vez, se traducirá en una creciente demanda de materiales, incluidos los materiales de fijación de troqueles, utilizados en paquetes y módulos electrónicos de potencia.
Nuestro equipo ha estado investigando el mercado de vehículos eléctricos durante los últimos 15 años. Excepcionalmente, esta investigación interna en curso examina una amplia gama de vehículos eléctricos que incluyen vehículos híbridos de 48 V, híbridos enchufables, híbridos, totalmente eléctricos, así como carretillas elevadoras eléctricas, autobuses, motocicletas, scooters, drones, etc. Muchos de estos números apuntalan nuestros modelos de pronóstico.
 
La tecnología electrónica de potencia en sí misma también está cambiando. En este informe, se proporciona una visión general y evaluación comparativa de varias tecnologías de semiconductores (Si, SiC, GaN). Aquí, consideramos los beneficios de cada tecnología de material a nivel de material y dispositivo. Luego describimos sus aplicaciones objetivo clave en términos de voltaje y requisitos de potencia. Destacaremos algunos de los desafíos a los que se enfrentan los semiconductores de banda ancha.
Más específicamente, argumentaremos que estas nuevas tecnologías no son un reemplazo directo para Si MOSFET o Si IGBT. Muchos diseños de encapsulados y esquemas de conducción y circuitos deberán adaptarse para permitir el uso óptimo de estas tecnologías. Luego consideraremos la racionalidad comercial para desplegar SiC en inversores de vehículos totalmente eléctricos de alta autonomía a pesar de que el SiC es, y es probable que siga siendo, más costoso que el Si, incluso si, como está en marcha, su producción cambia a tamaños de obleas más grandes.
 
De particular interés para este estudio es la tendencia al aumento de las densidades de potencia de área, que se traduce en temperaturas de funcionamiento más altas. De hecho, la temperatura ya se ha elevado a 170 ° C desde 70 ° C más o menos a principios de la década de 2000, y la industria desea impulsarla aún más hacia 250 ° C.
 
Esta tendencia se ve parcialmente ayudada por la transición hacia materiales de banda ancha como SiC y GaN que pueden tolerar altas temperaturas de funcionamiento. Estos materiales alejarán el cuello de botella de la temperatura de la temperatura de unión del dispositivo a los materiales de encapsulado. Estos materiales también permitirán que las pastillas más pequeñas controlen grandes niveles de potencia, aumentando así las densidades de potencia de área. La combinación de las tendencias hacia niveles de alta densidad de potencia y un funcionamiento de alta frecuencia más eficiente (que reduce el tamaño del componente pasivo) dará como resultado encapsulados electrónicos de potencia más pequeños y embebidos. Para adaptarse a esta y otras tendencias, la tecnología de encapsulado tendrá que adaptarse y se está adaptando. De hecho, esta tendencia llevará a muchos materiales, incluida la mayoría de las soldaduras, más allá de sus límites de rendimiento, abriendo así la puerta a alternativas.

En el informe se examina cómo la tecnología de interconexión se está alejando de la unión de cables de aluminio clásica, que (a) sufre de baja conductividad térmica, (b) no se presta para el la refrigeración de doble cara, y (c) Es un punto común de fallo. Se revisan muchos enfoques alternativos que incluyen (1) la unión de cables de Cu en las pastillas metalizadas de Cu; (2) cables / clips / clavijas de cobre soldados / sinterizados con / sin separadores; (3) unión de alambre de Cu a placas tampón sinterizadas; (4) fijación de película flexible metalizada con adhesivos; y (5) accesorio de PCB flexible con sinterización de metal. Tenga en cuenta que este tema se relaciona con los materiales porque en algunas implementaciones, por ejemplo, se implementa un metal sinterizado o una soldadura.
 
En otra sección se examinan las limitaciones de la tecnología de soldadura como material de unión de pastilla. Consideramos la temperatura máxima de funcionamiento de varias químicas de soldadura y mostramos cómo la temperatura homóloga de la tecnología de soldadura, especialmente las libres de plomo y oro, es baja, lo que lleva a una alta probabilidad de falla a medida que las temperaturas de funcionamiento se acercan a 175-200C. Luego comparamos la sinterización de metales frente a varias tecnologías de soldadura, lo que demuestra que la sinterización de metales puede ofrecer temperaturas de fusión similares a las del volumen, alta conductividad térmica y un desajuste CTE relativamente bajo con el cobre. También se comparan los niveles de precios de varias opciones.
 
Se revisa como varias empresas, entre ellas ABB, ST Micro, Semikron, Infineon, StarPower, Danfoss, Continental, Siemens, Microsemi, CRRC, Fuji Electronic e Hitachi, han utilizado o demostrado la sinterización de metales. De hecho, está claro que la mayoría de los fabricantes de hoy en día tienen la capacidad de trabajar con tecnología de sinterización de metales.
 
Se hace una descripción general de los módulos de potencia del inversor utilizados en varios vehículos híbridos y totalmente eléctricos. Se examina el módulo de potencia desplegado por varios fabricantes de vehículos, directamente o por extensión. Estas descripciones generales incluirán inversores utilizados por General Motors, Hyundai, Volkswagen, Daimler, Nissan, Honda, BMW, Tesla, etc. El fabricante del módulo también se resalta. Esta sección destaca las diversas opciones de diseño y material realizadas por cada jugador en términos de sustrato, tecnología y diseño de refrigeración, matriz y fijación del sustrato, etc. Las tendencias se harán claras a pesar del hecho de que existen múltiples diseños y se ha demostrado que funcionan con los requisitos actuales. Como se indicó anteriormente, estos diseños evolucionarán para mantenerse en línea con los requisitos futuros y las tecnologías de semiconductores emergentes.
 
Los materiales, el proceso y los proveedores de pastas de unión de pastillas de sinterización de metales. Primero se discuten las características clave de las pastas de sinterización de metal a presión observando las condiciones del proceso de sinterización, la resistencia al corte de las juntas y la relación entre la presión de sinterización y la porosidad de la capa sinterizada. También destacamos algunos equipos utilizados en la sinterización a presión. Discutiremos más a fondo cómo el factor de forma del producto está evolucionando más allá de las pastas previas hacia las preformas y las películas de transferencia en seco para que la sinterización del metal sea lo más reemplazable posible. Finalmente, consideramos la sinterización sin presión. Aquí, se discuten los desafíos típicos que incluyen el tiempo de sinterización convencionalmente largo y la dificultad de sinterizar pastillas de área grande sin formar demasiados canales de secado.
 
Proveedores de pastas de sinterización de Ag y Cu. Aquí, se ofrecen una descripción general completa de compañías que incluyen Heraeus, Alpha Assembly, Namics, Kyocera, Bando Chemical, NBE Tech, Mitsubishi Materials, Indium, Henkel, Nihon Superior, Dowa, Nihon Handa, AmoGreen, Mitsui Mining, Hitachi Chemical y otras .
 
Se construye un modelo de pronóstico detallado. El primer modelo estima los niveles de potencia y el área de matriz utilizada en cada función del módulo de potencia en cada tipo de vehículo considerado. Aquí, consideramos cargadores, inversores, convertidores CC / CC, etc. A continuación, desarrollamos pronósticos del área de la pastilla como un tiempo de función. Esto se basa en estudios de múltiples implementaciones actuales. En general, el área de la pastilla se está reduciendo a medida que las pastillas se vuelven más capaces de manejar niveles de potencia más altos, lo que permite el uso de pastillas más pequeñas. Tenga en cuenta que el aumento de la tecnología SiC ayudará a este proceso. Este paso nos permitirá construir nuestras previsiones de mercado direccionables para materiales de fijación de pastillas en términos de volumen o masa de material. A continuación, estudiamos varias implementaciones para estimar el mercado de volumen direccionable para el accesorio de placa base a sustrato. Aquí, consideramos múltiples factores, incluidas las áreas más grandes, la línea de enlace más gruesa y el hecho de que no todas las implementaciones de módulos de potencia requerirán tal accesorio. Luego desarrollamos nuestra proyección de cuota de mercado mediante la tecnología de fijación de pastillas para usos de troquel a sustrato y de sustrato a placa base. Las tecnologías de unión de pastillas consideradas incluyen sinterización de Ag nano, sinterización de micras de Ag, sinterización de Cu, SAC y otras soldaduras, y materiales de unión de fase líquida transitorios.

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