《电动汽车电力电子器件的芯片贴装材料-2019版》
2019-12-11 10:45:06   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

Die Attach Materials for Power Electronics in Electric Vehicles 2020-2030

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本报告调研了各种电动汽车电力电子器件使用的芯片和基板贴装材料市场，构建了详细的量化模型，以预测各种贴装材料的潜在市场规模。本报告还按材料类型对市场进行了细分，提供了市场规模和出货量的十年期市场预测。报告涉及的材料包括纳米银烧结、微米银烧结、铜烧结、SAC和其他焊料以及瞬间液相键合材料等。

本报告全面总览了行业趋势，聚焦了推动更高性能芯片贴装材料应用的趋势；评估了包括芯片贴装、互连和冷却机制在内的封装解决方案的发展，以满足产业更严格的需求；还研究了市场上领先的电动汽车功率模块的各种部署方案。此外，报告还全面分析了全球提供金属烧结解决方案的公司。

芯片贴装技术趋势（样刊模糊化）

报告背景

据麦姆斯咨询介绍，电动汽车市场正在不断扩大，推动了电动汽车功率模块市场的持续增长，进而拉高了电力电子封装和模块中所使用材料（包括芯片贴装材料）的需求增长。英国知名研究机构IDTechEx过去15年来，一直在跟踪研究电动汽车市场。

同时，电力电子技术本身也在发展变化。在本报告中，IDTechEx首先提供了各种半导体技术（Si、SiC、GaN）的概述和对比分析，考量了每种材料技术在材料和器件层面的优势。然后，IDTechEx根据电压和功率要求概述了它们的关键目标应用。其中，IDTechEx重点介绍了宽带隙半导体技术所面临的一些挑战。

IDTechEx认为这些新技术并不能拿来直接替代Si MOSFET或Si IGBT。许多封装设计、驱动方案和电路必须进行相应调整，以实现这些技术的最佳利用。IDTechEx考量了SiC在高续航里程纯电动汽车逆变器中部署的商业合理性，虽然SiC仍然比Si昂贵，即便SiC的生产正转向更大尺寸的晶圆发展，也会继续比Si昂贵。

这项研究特别令人感兴趣的是面域功率密度的上升趋势，这意味着更高的工作温度。实际上，工作温度已经从2000年代初期的70℃左右升至170℃，业界希望将其进一步推高至250℃。这种趋势在一定程度上得益于向宽带隙材料（例如SiC和GaN）的过渡，这类材料可以承受较高的工作温度。

这些材料可使温度瓶颈从器件结温转移到封装材料。这些材料还能够使更小的芯片处理更高的功率水平，从而提高面域功率密度。朝着更高功率密度水平和更高频率运行的趋势（缩小了无源组件尺寸），将推动尺寸更小、集成度更高的电力电子封装。

为了顺应这些趋势，封装技术需要并且正在调整应对。事实上，这种趋势将使包括大多数焊料在内的许多材料超出其性能极限，从而为其他选择打开了大门。

在本报告中，IDTechEx首先研究了互连技术如何舍弃传统的铝线键合技术，传统技术（a）导热系数低、（b）不利于双面冷却、（c）且为常见的故障点。IDTechEx综述了多种替代方案，包括：（1）在铜金属化芯片焊盘上进行铜线键合；（2）带或不带焊垫的焊接/烧结铜引线/跳线/引脚；（3）铜引线键合到烧结的缓冲板上；（4）利用粘合剂的金属化柔性（例如PI）薄膜贴装；（5）利用金属烧结进行柔性PCB贴装。此主题与本报告的贴装材料有关，因为在某些应用中，烧结金属或焊料已经在应用。

IDTechEx还在报告中探讨了焊料技术作为芯片贴装材料的局限性，考量了各种焊料的最高工作温度，并说明了焊料（尤其是无铅和无金焊料技术）的低同系温度如何在工作温度接近175~200℃时可能导致故障。然后，IDTechEx比较了金属烧结和各种焊料技术，表明金属烧结可以提供类块体的熔化温度、高导热率，以及相对铜较低的热膨胀系数（CTE）失配。IDTechEx还对比了各种材料选择的价格。

向银烧结过渡，以意法半导体SiC功率模块为例（样刊模糊化）

参考逆向分析报告：《特斯拉Model 3逆变器：意法半导体SiC功率模块》

IDTechEx总览了ABB、意法半导体（STMicroelectronics）、赛米控（Semikron）、英飞凌（Infineon）、斯达（StarPower）、丹佛斯（Danfoss）、大陆（Continental）、西门子（Siemens）、美高森美（Microsemi）、中国中车（CRRC）、富士电气（Fuji Electronic）和日立（Hitachi）等多家公司的金属烧结应用或展示。事实上，很明显目前大多数制造商都有能力使用金属烧结技术。

然后，IDTechEx概述了各种混合动力和纯电动汽车中使用的逆变器功率模块，直接或扩展考察了各个车辆制造商应用的功率模块，包括通用汽车、现代、大众、戴姆勒、日产、本田、宝马、特斯拉等厂商所使用的逆变器。此外，还重点关注了模块制造商。

IDTechEx还重点介绍了厂商在基板，冷却技术和设计，芯片和基板贴装等方面做出的各种设计和材料选择。尽管存在多种设计，并且事实证明可以满足当前要求，但趋势仍在变得越来越清晰。如前所述，这些设计将不断发展以适应未来的需求和新兴的半导体技术。

本报告介绍了金属烧结芯片贴装焊膏的材料、工艺和供应商。IDTechEx从烧结工艺条件，接头的剪切强度以及烧结压力与烧结层孔隙率之间的关系出发，讨论了加压金属烧结焊膏的关键特性。本报告还重点介绍了一些用于加压烧结的设备。

芯片贴装设备市场按技术细分

参考报告：《芯片贴装设备市场-2019版》

本报告还构建了一个详细的预测模型。IDTechEx的模型首先估算了每种车型中每个功率模块功能所采用的功率水平和芯片面积。在此，IDTechEx考量了充电器、逆变器、DC/DC转换器等。然后，基于多个当前应用的研究，IDTechEx将芯片面积预测作为函数时间进行研究。通常，芯片的发展使其可以不断处理更高的功率水平，因此芯片的面积正在缩小，从而可以采用更小或更少的芯片。值得关注的是，SiC技术的兴起将推动这一进程。由此，IDTechEx就材料市场规模或出货量对芯片贴装材料市场进行了目标预测。接下来，IDTechEx还研究了各种部署应用，以估算基板到底板贴装的潜在市场规模。

在这里，IDTechEx考虑了多个因素，包括更大的面积、更厚的键合线，以及事实上并非所有功率模块都需要这种贴装。然后，IDTechEx对芯片贴装技术（包括从芯片到基板和基板到底板的应用）进行了市场份额预测，所考量的芯片贴装技术包括纳米银烧结、微米银烧结、铜烧结、SAC及其他焊料，以及瞬间液相结合材料。然后，IDTechEx利用模型针对材料的数量和价值进行了十年期预测。

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