No entanto, à medida que o desempenho intrínseco dos chips de SiC se aproxima do seu limite teórico, o foco da melhoria desloca-se para outro componente do módulo que historicamente tem recebido menos atenção: a embalagem.
A embalagem não é meramente um recipiente. É a estrutura que liga eletricamente os chips ao substrato isolante, forma os circuitos internos e protege-os das vibrações mecânicas e dos contaminantes ambientais. E é precisamente esta estrutura que representa uma fonte significativa de indutância parasita, perdas adicionais e limitações de vida útil devido à fadiga termomecânica. Para maximizar o desempenho do SiC, são necessárias embalagens mais compactas e com menores perdas de potência.
A solução: interligação tridimensional com PCB e pinos condutores.
A Fuji Electric desenvolveu uma estrutura de cablagem tridimensional (3D) como uma nova tecnologia de encapsulamento, visando alcançar a miniaturização e menores perdas de energia em módulos semicondutores de potência de SiC.
O salto conceptual em comparação com os projetos convencionais é substancial. Tradicionalmente, eram utilizados fios e clipes para ligar os chips no substrato isolante. Na nova estrutura, esta cablagem foi substituída por uma placa de circuito impresso (PCB), que está ligada em três dimensões por pinos condutores prensados na placa.
A utilização de uma PCB como elemento de interligação interna não é trivial. Comparada com os fios de alumínio ou os clipes de cobre que dominaram o encapsulamento de potência durante décadas, uma PCB permite definir os percursos de corrente com muito mais precisão geométrica, redistribuindo a corrente de forma mais uniforme entre os chips paralelos e reduzindo o comprimento efetivo dos loops de corrente que geram indutância parasita. A ligação utilizando pinos condutores prensados — em vez de soldados — acrescenta uma vantagem adicional em termos de reprodutibilidade do processo de fabrico e controlo da deformação termomecânica.
Resultados quantificados: três melhorias simultâneas
- Redução de volume: -50%
A nova estrutura reduziu o volume do produto em aproximadamente 50% em comparação com o produto convencional. Para o sistema de propulsão de um veículo elétrico, em que o variador compete por espaço com a bateria, o motor e os sistemas de refrigeração, uma redução de volume desta magnitude no módulo semicondutor tem implicações diretas para o projeto mecânico do grupo motopropulsor e para a possibilidade de expansão do habitáculo.
- Redução da indutância parasita: -70% → perdas de comutação -50%
A otimização do percurso da corrente utilizando a estrutura de cablagem 3D reduziu a indutância parasita do circuito interno em aproximadamente 70% em comparação com o produto convencional, resultando numa redução das perdas de comutação de aproximadamente 50%.
Este resultado justifica uma análise mais aprofundada. A indutância parasita no circuito de comutação de um módulo MOSFET de potência é diretamente responsável pela sobretensão que ocorre durante o desligamento. Quanto maior for a indutância do circuito, maior será o pico de tensão e maior será a margem de tensão necessária para o chip — o que penaliza tanto a seleção dos componentes como a frequência máxima de comutação que opera em segurança. A redução da indutância parasita em 70% significa que o chip pode comutar mais rapidamente com menos sobretensão, aproveitando melhor a capacidade intrínseca do SiC e reduzindo as perdas em cada ciclo de comutação.
- Aumento da vida útil da junção: ×5.
A estrutura de ligação do pino condutor reduz a área da junção do chip em comparação com a solução convencional e, ao aliviar as tensões geradas pela deformação térmica nessa junção, a vida útil da junção é aumentada em aproximadamente cinco vezes.
A fadiga da junta de soldadura é o principal mecanismo de degradação dos módulos de potência em aplicações de tração, onde o ciclo térmico é contínuo e de elevada amplitude. O facto de a nova geometria do perno condutor — ao reduzir a área de contacto e redistribuir melhor as tensões mecânicas — multiplicar a vida útil da junta por cinco representa um salto qualitativo na fiabilidade do módulo, com impacto direto nos intervalos de manutenção e na taxa de avarias no terreno.
Contexto: A Corrida pela Autonomia dos Veículos Elétricos.
Espera-se que os veículos elétricos se tornem comuns com a mudança de médio a longo prazo para a descarbonização. Os seus sistemas de propulsão são constituídos por um motor e um inversor, que extrai energia da bateria para alimentar o motor. Para superar os desafios de aumentar a autonomia e o espaço interior, é necessário miniaturizar o sistema de propulsão elétrico e melhorar a sua eficiência.
A relação entre as perdas do inversor e a autonomia do veículo é direta: cada watt perdido no módulo semicondutor é energia que não chega à roda. À potência típica de um inversor de tração (dezenas a centenas de quilowatts), uma redução de 50% nas perdas de comutação traduz-se numa melhoria significativa da eficiência global do sistema e, portanto, dos quilómetros por carga.
Roteiro de Comercialização:
Esta tecnologia será aplicada aos módulos semicondutores de potência da empresa ao longo do ano fiscal de 2026. A Fuji Electric tem um longo percurso no desenvolvimento e fabrico de módulos IGBT e SiC para tração, com presença tanto em fabricantes de veículos como em fornecedores de sistemas de propulsão de nível 1.
Conclusão:
A estrutura de cablagem 3D desenvolvida pela Fuji Electric representa um avanço significativo, não só pelos valores numéricos alcançados — metade do volume, redução de 70% na indutância parasita, metade das perdas de comutação e cinco vezes a vida útil da junção — mas também pela coerência da solução: uma única decisão de projeto no encapsulamento melhora simultaneamente a densidade de potência, a eficiência e a fiabilidade, os três parâmetros que determinam a competitividade de um módulo de SiC em aplicações de tração. Com a sua implementação prevista para 2026, a indústria dos veículos elétricos terá acesso a módulos com uma relação desempenho/volume substancialmente melhor do que a geração atual.
