Nos módulos de potência IGBT de silício tradicionais, os materiais de fixação do chip, como o Pb95Sn5 e o Pb92,5Sn5Ag2,5, apresentam dificuldades em satisfazer os requisitos de fiabilidade das fontes de alimentação em aplicações de alta temperatura devido à fadiga por fluência. Além disso, os materiais de fixação do substrato, como o Sn96,5Ag3Cu0,5, com temperaturas de fusão inferiores à da solda utilizada para a fixação do chip, limitam ainda mais a fiabilidade dos módulos de potência de SiC para aplicações a altas temperaturas. Estes desafios estão a impulsionar o mercado para materiais sinterizados com prata, com potencial para se estender aos materiais sinterizados com cobre, oferecendo reduções de custos.
Apesar das vantagens de custo, o relatório da IDTechEx "Gestão Térmica para a Eletrónica de Potência de Veículos Elétricos 2024-2034: Previsões, Tecnologias, Mercados e Tendências" identifica barreiras que dificultam a comercialização em larga escala da sinterização de cobre, como ambientes de fabrico desafiantes devido à oxidação do cobre e custos comparáveis ou mesmo superiores aos da sinterização de prata no início de 2024 devido às menores escalas de comercialização.
Os materiais convencionais para a fixação de chips e substratos consistem normalmente em ligas de solda, com espessuras de linha de ligação que variam entre 50 a 100 µm para a fixação de chips e de 100 a 150 µm para a fixação de substratos. Apesar do desempenho satisfatório, a IDTechEx observa uma crescente preferência pela prata sinterizada (Ag), impulsionada por importantes fabricantes de equipamento original (OEM) automóvel, como a Tesla, a BYD e a Hyundai. Comparativamente às ligas de solda tradicionais, a prata sinterizada oferece uma maior condutividade térmica (entre 200 e 300 W/mK), reduzindo potencialmente a resistência térmica da ligação à carcaça em mais de 40%, bem como pontos de fusão significativamente mais elevados e menor resistividade elétrica.
Com a adoção dos MOSFETs de SiC, a IDTechEx prevê que a sinterização da prata irá captar quase ou mais de 50% da quota de mercado em regiões como a China num futuro próximo, apresentando oportunidades de mercado significativas para os fornecedores de materiais térmicos.
Grande parte da prata sinterizada disponível no mercado requer pressão durante a sinterização para melhorar as características de ligação e reduzir a porosidade, diminuindo significativamente o tempo de sinterização. No entanto, este método apresenta desvantagens, como a redução da produtividade e da eficiência na ligação de múltiplos chips, especialmente com arquiteturas complexas. Também requer etapas e maquinaria adicionais, aumentando os custos. Por isso, os fabricantes tendem a evitá-lo e procuram soluções fáceis de implementar na sua infraestrutura existente: a sinterização sem pressão. A sinterização sem pressão oferece custos mais baixos e vantagens na sinterização com múltiplos chips, mas só é fiável para superfícies com áreas entre 4 e 25 mm². Mais detalhes sobre o processo de sinterização sem pressão podem ser encontrados no relatório da IDTechEx, "Thermal Management for EV Power Electronics 2024-2034: Forecasts, Technologies, Markets, and Trends".
O custo da prata sinterizada pode variar significativamente, dependendo de fatores como a relação com o cliente, o volume de encomendas e os fornecedores. O custo da pasta de prata sinterizada pode ser facilmente cinco a dez vezes superior ao das ligas de soldadura. Por exemplo, a IDTechEx descobriu uma pasta de prata sinterizada desenvolvida por uma empresa japonesa que custa cerca de 2 a 3 dólares por grama, embora este preço tenha o potencial de diminuir significativamente com o aumento do volume e de outras propriedades do material. Outro fornecedor sugere que a sua pasta de prata sinterizada custa cerca de 1.400 dólares/kg. No geral, impulsionada pelas grandes empresas do setor automóvel, existe uma tendência notável para a substituição das ligas de solda por pastas de prata sinterizada, criando oportunidades de mercado para os fornecedores de materiais.
A sinterização do cobre está a ser proposta como uma abordagem alternativa para lidar com o factor custo. Comparada com a sinterização de prata, a sinterização de cobre visa oferecer um desempenho semelhante a um custo mais baixo. Um fornecedor informou a IDTechEx que a tecnologia de sinterização de cobre pode custar metade do preço da sinterização de prata. No entanto, a oxidação continua a ser um desafio significativo para a sinterização do cobre. Portanto, combinar uma atmosfera controlada com solventes e aglutinantes reduzidos é fundamental para a produção de materiais fiáveis. As pastas de sinterização de cobre estão disponíveis com e sem pressão sob azoto ou hidrogénio. Contudo, isto apresenta desafios durante o processamento, levantando preocupações quanto à fiabilidade.
A IDTechEx não tem conhecimento de nenhum construtor automóvel que utilize materiais de cobre sinterizado até ao início de 2024, mas, considerando o histórico de adoção da prata sinterizada, a IDTechEx prevê que a comercialização em grande escala ocorra dentro de cinco anos e, potencialmente, já no final de 2024 ou início de 2025.
Autora: Yulin Wang, Analista de Tecnologia Sénior da IDTechEx
