В традиционных силовых модулях на основе кремниевых IGBT-транзисторов материалы для фиксации кристалла, такие как Pb95Sn5 и Pb92.5Sn5Ag2.5, с трудом обеспечивают необходимую надежность источников питания в условиях высоких температур из-за ползучести и усталости. Кроме того, материалы для фиксации подложки, такие как Sn96.5Ag3Cu0.5, с температурами плавления ниже, чем у припоя, используемого для фиксации кристалла, еще больше ограничивают надежность силовых модулей на основе карбида кремния (SiC) в условиях высоких температур. Эти проблемы подталкивают рынок к использованию спеченных материалов на основе серебра, с потенциалом распространения на спеченные материалы на основе меди, что позволит снизить затраты.
Несмотря на ценовые преимущества, в отчете IDTechEx «Теплоотведение для силовой электроники электромобилей 2024-2034: прогнозы, технологии, рынки и тенденции» указаны барьеры, препятствующие широкой коммерциализации спекания меди, такие как сложные условия производства из-за окисления меди и затраты, сопоставимые или даже превышающие затраты на спекание серебра в начале 2024 года из-за меньших масштабов коммерциализации.
Традиционные материалы для крепления кристаллов и подложек обычно состоят из припоев, толщина клеевого шва составляет от 50 до 100 мкм для крепления кристаллов и от 100 до 150 мкм для крепления подложек. Несмотря на их удовлетворительные характеристики, IDTechEx отмечает растущую популярность спеченного серебра (Ag), обусловленную ведущими автомобильными производителями, такими как Tesla, BYD и Hyundai. По сравнению с традиционными припоями, спеченное серебро обладает более высокой теплопроводностью (от 200 до 300 Вт/мК), потенциально снижая тепловое сопротивление соединения с корпусом более чем на 40%, а также значительно более высокими температурами плавления и более низким электрическим сопротивлением.
По прогнозам IDTechEx, с внедрением SiC MOSFET-транзисторов, в ближайшем будущем спекание серебра займет почти или более 50% рынка в таких регионах, как Китай, что откроет значительные рыночные возможности для поставщиков тепловых материалов.
Большая часть доступного на рынке спеченного серебра требует применения давления в процессе спекания для улучшения характеристик сцепления и уменьшения пористости, что значительно сокращает время спекания. Однако этот метод имеет недостатки, такие как снижение производительности и эффективности при спекании нескольких микросхем, особенно со сложной архитектурой. Он также требует дополнительных этапов и оборудования, что увеличивает затраты. Поэтому производители, как правило, избегают его и ищут решения, которые легко внедрить в существующую инфраструктуру: спекание без давления. Спекание без давления предлагает более низкие барьеры стоимости и преимущества при спекании нескольких микросхем, но оно надежно только для поверхностей площадью от 4 до 25 мм². Более подробная информация о процессе спекания без давления содержится в отчете IDTechEx «Теплоотведение для силовой электроники электромобилей 2024-2034: прогнозы, технологии, рынки и тенденции».
Стоимость спеченного серебра может значительно варьироваться в зависимости от таких факторов, как отношения с клиентами, объемы заказов и поставщики. Стоимость спеченной серебряной пасты может быть в пять-десять раз выше, чем стоимость припоев. Например, IDTechEx узнала о спеченной серебряной пасте, разработанной японской компанией, которая стоит около 2-3 долларов за грамм, хотя эта цена может значительно снизиться с увеличением объема и улучшением других свойств материала. Другой поставщик утверждает, что его спеченная серебряная паста стоит около 1400 долларов за килограмм. В целом, благодаря крупным игрокам автомобильной промышленности, наблюдается заметная тенденция к замене припоев на спеченные серебряные пасты, что создает рыночные возможности для поставщиков материалов.
В качестве альтернативного подхода к решению проблемы стоимости предлагается спекание меди. По сравнению со спеканием серебра, спекание меди призвано обеспечить аналогичные характеристики при более низкой стоимости. Один из поставщиков сообщил IDTechEx, что технология спекания меди может стоить вдвое дешевле, чем спекание серебра. Однако окисление остается серьезной проблемой при спекании меди. Поэтому сочетание контролируемой атмосферы с уменьшенным количеством растворителей и связующих веществ является ключом к получению надежных материалов. Медные спекаемые пасты доступны как с давлением в атмосфере азота или водорода, так и без него. Однако это создает проблемы в процессе обработки, вызывая опасения по поводу надежности.
По данным IDTechEx, к началу 2024 года ни один автопроизводитель не будет использовать спеченные медные материалы, но, учитывая исторические сроки внедрения спеченного серебра, IDTechEx предполагает, что крупномасштабная коммерциализация произойдет в течение пяти лет, а возможно, и в конце 2024 или начале 2025 года.
Автор: Юлин Ван, старший технологический аналитик IDTechEx
