ظهور زینترینگ Ag و پخت مس

با روند Si IGBT به SiC MOSFET در وسایل الکترونیکی قدرت وسایل نقلیه الکتریکی (EV)، انتظار می‌رود دمای محل اتصال از 150 درجه سانتی‌گراد به 175 درجه سانتی‌گراد افزایش یابد و احتمالاً حتی از 200 درجه سانتی‌گراد نیز فراتر رود. این امر چالش های مهمی را برای مدیریت حرارتی ایجاد می کند.

مواد چسباننده و چسباندن بستر نقش مهمی در مدیریت حرارتی موثر دارند. IDTechEx متوجه انتقال از آلیاژهای لحیم کاری سنتی به تف جوشی Ag در میان بسیاری از تولید کنندگان تجهیزات اصلی (OEM) شده است.

گزارش IDTechEx، “مدیریت حرارتی برای EV Power Electronics 2024-2034: پیش بینی ها، فناوری ها، بازارها، و روندها”، پیشرفت های عمده فناوری های اتصال قالب و اتصال بستر، و همچنین نقشه راه تجاری این فناوری ها را خلاصه می کند.

چالش های مواد Die-Attach

مواد چسباننده سنتی و چسباندن بستر عبارتند از آلیاژهای لحیم کاری (لحیم کاری یوتکتیک و نرم)، چسب های رسانای الکتریکی (ECA) بر پایه پلیمرها (معمولا سیلیکون یا اکریلیک) و بسیاری دیگر. یک پکیج الکترونیکی یا نیمه هادی برق الکتریکی معمولی از مواد مختلف با خواص مکانیکی متفاوت تشکیل شده است.

از منظر قابلیت اطمینان بلندمدت، تفاوت ضریب انبساط حرارتی (CTE) بین مواد مجاور مانند قالب، دای-اتچ و زیرلایه یکی از محدودکننده‌ترین عوامل است زیرا باعث ایجاد تنش‌های ترمو مکانیکی در حین قدرت می‌شود. رانندگی. تولید بسته بندی یا تحت شرایط عملیاتی که منجر به سایش و پارگی بسته بندی می شود.

تنش ترمومکانیکی ممکن است با تغییر شکل ها و تنش های مکانیکی ناشی از آن در طول تغییرات دمای محلی یا جهانی همراه باشد. تغییرات دما در طول ساخت یا بسته بندی دستگاه، مانند عملیات رسوب بخار و لحیم کاری، و در شرایط عملیاتی، مانند عملیات سوئیچینگ و تغییرات دمای محیط جهانی، رایج است.

ظهور زینترینگ Ag

به دلیل افزایش دمای محل اتصال، چندین OEM پیشرو، از جمله تسلا، فولکس‌واگن و BYD، از آلیاژهای لحیم کاری به فن‌آوری‌های زینترینگ Ag روی آورده‌اند. تف جوشی Ag مزایای متعددی از جمله رفتار به عنوان یک ماده حجیم و ایجاد دمای ذوب بالا را ارائه می دهد. همچنین دارای CTE مشابه مس است (17.5).

خط باند Ag متخلخل متخلخل، رسانایی حرارتی بالایی (200-300 W/mK) را فراهم می کند در حالی که یک خط پیوند نازک (20-30 میکرومتر و گاهی اوقات حتی 10 میکرومتر) را حفظ می کند. در نتیجه، این فناوری به طور موثر مقاومت حرارتی کلی را کاهش می دهد.

با این حال، تف جوشی Ag نیز با چالش هایی همراه است. یک چالش مهم تضمین مقاومت برشی بالا است. نسخه‌های اولیه تف جوشی Ag بر روی سطوح متالیز شده نقره عملکرد بهینه داشتند، در حالی که بسیاری از بسترهای مس با پیوند مستقیم (DBC) از مس به عنوان لایه متالیزاسیون استفاده می‌کنند.

اما پیشرفت در فرمولاسیون و روش های پخت (به عنوان مثال در N₂ محیط ها) سازگاری با سطوح مسی را بهبود بخشیده اند.

زمان پخت معمولا طولانی است، حتی زمانی که فشار اعمال می شود. پیشرفت‌های اخیر، مانند جوهرهای نانو و تکنیک‌های انتقال فیلم خشک، زمان پخت را به دو تا پنج دقیقه و زمان‌های پیش خشک شدن را کاهش داده است. این بهبودها همچنین فقط به فشار ملایم نیاز دارند (به طور قابل توجهی کمتر از 30 مگاپاسکال) که آنها را برای استفاده با قالب های فوق نازک مناسب می کند.

علیرغم محبوبیت فزاینده فناوری تف جوشی Ag، IDTechEx از یکی از تامین کنندگان پیشرو نیمه هادی دریافته است که قصد دارد از آلیاژهای لحیم کاری سنتی به جای پخت برای برخی از محصولات خود استفاده کند.

با توجه به هزینه بالاتر تف جوشی Ag در مقایسه با آلیاژهای لحیم کاری، IDTechEx بر این باور است که تف جوشی Ag در خودروهای سگمنت متوسط ​​به بالاتر از OEM های پیشرو خودرو استفاده خواهد شد. از سوی دیگر، خودروهای ارزان قیمت همچنان از لحیم کاری سنتی استفاده خواهند کرد.

هزینه پخت Ag می تواند به میزان قابل توجهی بسته به تامین کنندگان، حجم، ارتباط با مشتری و سایر عوامل متفاوت باشد. یک تامین کننده گزارش داد که هزینه مواد تقریباً 2 دلار در هر گرم است. گزارش IDTechEx، «مدیریت حرارتی برای EV Power Electronics 2024-2034: پیش‌بینی‌ها، فناوری‌ها، بازارها و روندها» جزئیات هزینه بیشتری را ارائه می‌دهد.

پخت مس در حال ظهور

خمیرهای مس زینتر مانند Ag، در انواع مختلف، چه تحت فشار و چه بدون فشار، در محیط های گازی مختلف موجود است. انواع فشار و بدون فشار در زیر N وجود دارد₂ یا اچ₂. تف جوشی مس از نظر تئوری می تواند هزینه بالای پخت Ag را کاهش دهد. یک تامین کننده پیشرو گزارش داد که تف جوشی مس تنها نیمی از پخت Ag را هزینه می کند.

از سال 2024، IDTechEx هیچ کاربرد گسترده‌ای از فناوری‌های تف جوشی مس در الکترونیک قدرت EV ندیده است، زیرا پخت مس فرآیند بسیار دشوارتری است که عمدتاً به دلیل اکسیداسیون مس است که اثربخشی پیوند را کاهش می‌دهد.

اگرچه مس پتانسیل ارائه هزینه های پایین تری را در دراز مدت دارد زیرا در حال حاضر در مراحل اولیه توسعه است، خمیرهای زینتر مس قیمتی قابل مقایسه یا حتی بالاتر از خمیرهای زینتر نقره دارند. با این حال، چند شرکت (به عنوان مثال VW) در حال آزمایش پخت مس هستند. با وجود جدول زمانی مبهم، IDTechEx بر این باور است که تف جوشی مس می تواند تا اواخر سال 2024 یا اوایل تا اواسط سال 2025 انجام شود.

از سرگیری

IDTechEx ادعا می‌کند که نوآوری‌ها در فن‌آوری‌های Die-attach برای تضمین مدیریت حرارتی مؤثر در الکترونیک قدرت EV بسیار مهم است. با این حال، با توجه به ماهیت حساس به هزینه صنعت خودرو، نرخ پذیرش فناوری‌های تف جوشی نقره و مس به طور قابل‌توجهی تحت‌تاثیر هزینه‌های آن‌ها قرار دارد.

از سال 2024، تولیدکنندگان پیشرو در صنعت خودرو مانند تسلا، هیوندای، فولکس‌واگن و بی‌ای‌دی شروع به استفاده از زینترینگ Ag کرده‌اند. با پیشرفت در فناوری‌های پخت مس، IDTechEx چندین پروژه آزمایشی در حال انجام را مشاهده کرده است، که نشان می‌دهد پذیرش تجاری پخت مس می‌تواند از اواخر سال 2024 آغاز شود.

IDTechEx پیش‌بینی می‌کند که تف جوشی نقره تا سال 2034 حدود نیمی از بازار را تصاحب خواهد کرد، اگرچه آلیاژهای لحیم کاری سنتی همچنان وجود خواهند داشت.