Ce rapport présente un modèle quantitatif détaillé permettant de prévoir la taille du marché potentiel des puces et des matériaux de fixation de substrat pour diverses applications d'électronique de puissance dans tous les types de véhicules électriques. Il propose également des prévisions de marché sur dix ans, en valeur et en volume, segmentées par type de matériau. Les matériaux étudiés comprennent le frittage de nano-argent, le frittage de micro-argent, le frittage de cuivre, les brasures SAC et autres, ainsi que les matériaux de liaison en phase liquide transitoire.
Le rapport offre une vision globale des tendances du secteur, en analysant celles qui favorisent l'adoption de matériaux de fixation de puces plus performants ; en étudiant l'évolution des solutions d'encapsulation, notamment la fixation des puces, l'interconnexion et les mécanismes de refroidissement, afin de répondre aux exigences industrielles de plus en plus strictes ; et en examinant les différentes applications actuelles et passées des modules de puissance dans les principaux véhicules électriques. Le rapport propose également un panorama complet de toutes les entreprises proposant des solutions de frittage de métaux à travers le monde.
Graphique principal : Prévisions du marché pour divers matériaux de collage de pastilles utilisés pour le collage de puces et de substrats. Les matériaux inclus ici comprennent, entre autres, les brasures SAC et autres, le frittage du cuivre, le TLB et le frittage d’argent micronisé et nanométrique.
La modification de la composition des matériaux aura un impact sur la valeur marchande en raison des variations de prix. Encadré de gauche : prévisions du marché potentiel pour le collage de puces, segmenté par catégorie de véhicule électrique (hybride léger, hybride rechargeable, chariot élévateur, bus, moto, etc.). Encadré de droite : prévisions de la surface totale des puces, segmentée par fonction d’électronique de puissance (chargeur, convertisseur CC/CC, onduleur, etc.).
Contexte :
Le marché des véhicules électriques est en pleine expansion. Par conséquent, le marché des modules de puissance pour tous les types de véhicules électriques est également en croissance. Ceci entraînera une demande croissante de matériaux, notamment de matériaux de fixation de puces, utilisés dans les boîtiers et modules d'électronique de puissance.
Notre équipe étudie le marché des véhicules électriques depuis 15 ans. Cette étude interne continue examine de manière unique une large gamme de véhicules électriques, incluant les véhicules hybrides 48 V, hybrides rechargeables, hybrides et entièrement électriques, ainsi que les chariots élévateurs électriques, les bus, les motos, les scooters, les drones, etc. Une grande partie de ces données alimente nos modèles prévisionnels.
La technologie de l'électronique de puissance elle-même évolue également. Ce rapport présente une vue d'ensemble et une analyse comparative de différentes technologies de semi-conducteurs (Si, SiC, GaN). Nous y examinons les avantages de chaque technologie de matériau, tant au niveau du matériau que du dispositif. Nous décrivons ensuite leurs principales applications cibles en termes d'exigences de tension et de puissance. Nous mettrons en lumière certains des défis auxquels sont confrontés les semi-conducteurs à large bande.
Plus précisément, nous démontrerons que ces nouvelles technologies ne remplacent pas directement les MOSFET en silicium ou les IGBT en silicium. De nombreuses conceptions de boîtiers, schémas de commande et circuits devront être adaptés pour permettre une utilisation optimale de ces technologies. Nous examinerons ensuite la justification commerciale du déploiement du SiC dans les onduleurs pour véhicules tout électriques à grande autonomie, malgré le fait que le SiC soit, et restera probablement, plus cher que le Si, même si, comme c'est déjà le cas, sa production évolue vers des plaquettes de plus grande taille.
Cette étude s'intéresse particulièrement à la tendance à l'augmentation des densités de puissance surfacique, qui se traduit par des températures de fonctionnement plus élevées. En effet, la température a déjà atteint 170 °C, contre environ 70 °C au début des années 2000, et l'industrie souhaite la porter encore davantage vers 250 °C.
Cette tendance est en partie favorisée par la transition vers des matériaux à large bande passante tels que le SiC et le GaN, qui peuvent tolérer des températures de fonctionnement élevées. Ces matériaux déplaceront le goulot d'étranglement thermique de la température de jonction du dispositif vers les matériaux du boîtier. Ils permettront également à des puces plus petites de gérer des niveaux de puissance élevés, augmentant ainsi les densités de puissance surfacique. La combinaison des tendances à la haute densité de puissance et à un fonctionnement haute fréquence plus efficace (qui réduit la taille des composants passifs) aboutira à des boîtiers électroniques de puissance intégrés plus petits. Pour répondre à cette tendance et à d'autres, la technologie des boîtiers devra s'adapter et s'adapte déjà. De fait, cette tendance poussera de nombreux matériaux, notamment la plupart des soudures, au-delà de leurs limites de performance, ouvrant ainsi la voie à des alternatives.
Le rapport examine comment la technologie d'interconnexion s'éloigne du câblage classique par fils d'aluminium, qui (a) souffre d'une faible conductivité thermique, (b) n'est pas adapté au refroidissement double face et (c) constitue un point de défaillance fréquent. De nombreuses approches alternatives sont passées en revue, notamment : (1) le collage de fils de cuivre sur des puces métallisées au cuivre ; (2) les fils/clips/broches de cuivre soudés/frittés avec ou sans entretoises ; (3) le collage de fils de cuivre sur des cartes tampons frittées ; (4) le collage de films flexibles métallisés avec des adhésifs ; et (5) l'intégration de circuits imprimés flexibles frittés en métal. Il convient de noter que ce sujet est lié aux matériaux, car certaines applications font appel, par exemple, à un métal fritté ou à une brasure.
Les limites de la brasure comme matériau de liaison des pastilles sont examinées dans une autre section. Nous étudions la température maximale de fonctionnement de différentes compositions chimiques de brasure et montrons que la température homologue de la brasure, en particulier des brasures sans plomb ni or, est basse, ce qui entraîne une forte probabilité de défaillance lorsque les températures de fonctionnement approchent 175–200 °C. Nous comparons ensuite le frittage métallique à diverses technologies de brasure, en démontrant que le frittage métallique peut offrir des températures de fusion volumiques similaires, une conductivité thermique élevée et un coefficient de dilatation thermique (CTE) relativement faible par rapport au cuivre. Les prix des différentes options sont également comparés.
Nous passons en revue la manière dont plusieurs entreprises, dont ABB, ST Micro, Semikron, Infineon, StarPower, Danfoss, Continental, Siemens, Microsemi, CRRC, Fuji Electronic et Hitachi, ont utilisé ou démontré le frittage métallique. En réalité, il est clair que la plupart des fabricants actuels maîtrisent la technologie de frittage des métaux.
Cet article présente un aperçu des modules de puissance pour onduleurs utilisés dans divers véhicules hybrides et électriques. Les modules de puissance déployés par différents constructeurs automobiles, directement ou indirectement, sont analysés. Cet aperçu inclut les onduleurs utilisés par General Motors, Hyundai, Volkswagen, Daimler, Nissan, Honda, BMW, Tesla et d'autres. Le fabricant du module est également mis en avant. Cette section souligne la diversité des choix de conception et de matériaux opérés par chaque acteur en matière de substrat, de technologie et de conception de refroidissement, de fixation de la puce et du substrat, etc. Des tendances se dégageront malgré la multiplicité des conceptions existantes et éprouvées pour répondre aux exigences actuelles. Comme indiqué précédemment, ces conceptions évolueront pour s'adapter aux exigences futures et aux nouvelles technologies de semi-conducteurs. Les
matériaux, les procédés et les fournisseurs de pâtes de liaison pour pastilles de frittage métallique sont abordés. Dans un premier temps, les caractéristiques clés des pâtes de frittage métallique sous pression sont examinées, en considérant les conditions du processus de frittage, la résistance au cisaillement de la liaison et la relation entre la pression de frittage et la porosité de la couche frittée. Certains équipements utilisés en frittage sous pression sont également présentés. L'évolution des formats de produits, passant des pâtes traditionnelles aux préformes et films de transfert à sec, est ensuite abordée afin de rendre le frittage des métaux aussi interchangeable que possible. Enfin, le frittage sans pression est examiné. Les difficultés typiques, telles que la durée de frittage conventionnellement longue et la complexité du frittage de pastilles de grande surface sans créer de canaux de séchage excessifs, sont discutées.
Les fournisseurs de pâtes de frittage d'argent et de cuivre sont également présentés. Un aperçu complet des entreprises, notamment Heraeus, Alpha Assembly, Namics, Kyocera, Bando Chemical, NBE Tech, Mitsubishi Materials, Indium, Henkel, Nihon Superior, Dowa, Nihon Handa, AmoGreen, Mitsui Mining et Hitachi Chemical, est fourni.
Un modèle de prévision détaillé est ensuite élaboré. Ce premier modèle estime les niveaux de puissance et la surface des panneaux utilisés pour chaque fonction de module de puissance et pour chaque type de véhicule considéré. Nous considérons ici les chargeurs, les onduleurs, les convertisseurs CC/CC, etc. Nous établissons ensuite des prévisions de la surface des pastilles en fonction de la puissance. Ces prévisions s'appuient sur l'étude de plusieurs applications actuelles. De manière générale, la surface des pastilles diminue à mesure qu'elles supportent des niveaux de puissance plus élevés, permettant ainsi l'utilisation de pastilles plus petites. Il est à noter que la disponibilité croissante de la technologie SiC contribuera à ce processus. Cette étape nous permettra d'établir nos prévisions de marché potentiel pour les matériaux de fixation des pastilles, en termes de volume ou de masse. Nous avons ensuite étudié plusieurs applications afin d'estimer le volume de marché potentiel pour la fixation de la carte mère au substrat. Nous avons pris en compte de nombreux facteurs, notamment les surfaces plus importantes, les lignes de liaison plus épaisses et le fait que toutes les applications de modules d'alimentation ne nécessitent pas une telle fixation. Nous avons ensuite élaboré nos projections de parts de marché en utilisant la technologie de fixation des pastilles pour les applications puce-substrat et substrat-carte. Les technologies de fixation des pastilles considérées incluent le frittage de nano-Ag, le frittage de micro-Ag, le frittage de Cu, le brasage SAC et d'autres techniques, ainsi que les matériaux de liaison en phase liquide transitoire.
