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Elektromobilität verändert die Spielregeln beim Packaging

09. Dezember 2020, 14:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Elektromobilität verändert die Spielregeln beim Packaging
© Infineon

In ihrem Bericht »Status of the Power Module Packaging Industry Report 2020« kommen die Analysten von Yole zu dem Schluss, dass sich die Aufbau- und Verbindungstechnik von ihrem Fokus von industriellen hin zu automobilen Anwendungen verändern wird. Das wirkt sich auf viele Bereiche aus.

»Elektro- und Hybridautos treiben das Wachstum bei der Aufbau- und Verbindungstechnik von Power-Modulen. Der Übergang zur Massenfertigung solcher Fahrzeuge verändert die Spielregeln in diesem Marktsegment«, erklärte Shalu Agarwal, Technology & Market Analyst bei Yole Développement (Yole). Solche Leistungsmodule sind eines der Schlüsselelemente in Leistungswandlern und Umrichtern. In diesem Bereich soll dieses Wachstum zwischen 2019 und 2025 bei 10,7 Prozent liegen und bis 2025 einen Gesamtwert von 2,71 Milliarden US-Dollar erreichen. Der Gesamtmarkt soll laut Yole bis 2025 ein Volumen von 7,6 Milliarden US-Dollar erreichen, wobei der Markt zwischen 2019 und 2025 jährlich um 9,1 Prozent wachsen soll.

In der Vergangenheit konzentrierte sich der Bedarf bei der Aufbau- und Verbindungstechnik für Power-Module auf industrielle Anwendungen, doch nun wird er zunehmend von Elektro- und Hybridfahrzeugen bestimmt. Tatsächlich werden Elektro- und Hybridfahrzeuge im Jahr 2025 mit einem Marktvolumen von fast 3,4 Milliarden US-Dollar der größte Markt für Power-Module sein.

Yole Développement, Power Modules, Packaging
© Yole Développement

So soll sich laut Yole der Markt für Aufbau- und Verbindungstechnik, aufgeteilt in die einzelnen Segmente, von 2019 bis 2025 entwickeln.

In diesem so dynamischen Kontext veröffentlicht das Marktforschungs- und Strategieberatungsunternehmen Yole seinen jährlichen Bericht Status of the Power Module Packaging Industry. In Bezug auf Technologie und Marktprognosen soll dieser Bericht einen umfassenden Überblick über die Branche der Aufbau- und Verbindungstechnik mit den Einzelmärkten für Substrate, Baseplate, Chip- und Substratmontage, Verguss, Verbindungstechnik und TIM (Thermal Interface Materials) liefern. Er soll ein Update zu den wichtigsten Trends bei der Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsmodulen bieten und legt einen Schwerpunkt auf SiC- und GaN-Technologien.

Außerdem soll dieser Bericht eine gute Gelegenheit liefern, tief in die Substrate von Power-Modulen, Technologietrends und die Lieferkette einzutauchen. Darüber hinaus weisen die Analysten von Yole auf die Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsmodulen für verschiedene Anwendungen hin. Abschließend enthält dieser Bericht eine relevante Analyse des chinesischen Marktes sowie die Auswirkungen der Covid-19-Krise. Dadurch begann man, sich über die Organisation der Lieferkette Gedanken zu machen.

Im Jahr 2019 war das größte Marktsegment bei Packaging-Materialien der Bereich Baseplates, gefolgt von Substraten. Danach folgten Materialien für die Substratbefestigung, gefolgt von Materialien für die Chipbefestigung. Daher können sich wichtige technologische Weichenstellungen in diesen Segmenten schnell auf den gesamten Packaging-Markt für Leistungsmodule auswirken. So steigt beispielsweise der Marktanteil von Silbernitrid als Substrat, insbesondere bei Elektro- und Hybridfahrzeugen. Diese Technologie ist teurer als konventionelle Substrate aus Aluminiumoxid, und die jährliche Wachstumsrate (CAGR) für den Substratmarkt zwischen 2019 und 2025 liegt bei 12,6 Prozent – also höher als in anderen Marktsegmenten.

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Nicht nur die etablierten Halbleiter- und Modulhersteller sind in dem Bereich Power-Module tätig, sondern zunehmend auch Tier-1-Zulieferer und Automobil-OEMs.

Geschäftsmodelle und Lieferketten ändern sich

Die enorme wirtschaftliche Chance auf dem Markt für Leistungsbauelemente erregt das Interesse verschiedener Akteure in den Lieferketten der Leistungselektronik und der Automobilindustrie. Durch die starke Fokussierung auf Leistungsmodule dürften sich die Geschäftsmodelle ändern und die Lieferkette neu gestalten. Tier-1-Zulieferer im Automobilbereich und OEMs sind zunehmend an der Entwicklung und Fertigung von Power-Modulen beteiligt. Da deren Aufbau- und Verbindungstechnik für Zulieferer und Automobilhersteller relativ neue ist, brauchen sie Zeit, um ein leistungsstarkes Leistungsmodul zu entwickeln, das gleichzeitig kostengünstig zu fertigen ist.

Im Jahr 2019 entfielen rund 31 Prozent der Gesamtkosten für solche Module auf die Materialkosten für die Aufbau- und Verbindungstechnik. Eine kontinuierliche Verbesserung der Materialien und des Gehäusedesigns ist also erforderlich, insbesondere um die Vorteile der SiC- und GaN-Technologie voll nutzen zu können. Doch die Entwicklungen werden derzeit neu ausgerichtet, damit die Leistungsmodule mit ausreichender Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit auch kostengünstiger werden.

Einige Tier-1-Zulieferer und OEMs ziehen es daher vor, sich direkt auf die neuere SiC-MOSFET-Technologie zu konzentrieren, anstatt sich der starken Konkurrenz der Hersteller von Leistungsmodulen zu stellen, die über langjährige Erfahrung mit bereits etablierten IGBT-Leistungsmodulen für die Automobilindustrie verfügen. Dieser Fokus auf die Entwicklung von SiC-Leistungsmodulen verstärkte sich durch die Einführung von SiC-Modulen in den Traktionsumrichtern des Tesla Model 3 und des BYD Han.

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China will eine lokale Lieferkette für Power-Module aufbauen.

China will lokale Lieferkette aufbauen

Chinesische Unternehmen bevorzugen eine möglichst lokale Lieferkette. Um diese Bestrebungen zu unterstützen, gewährt die dortige Regierung Subventionen. Viele chinesische Unternehmen entwickeln Packaging-Lösungen für Leistungsmodule, wobei sie immer noch Leistungshalbleiter-Chips hauptsächlich europäischer, japanischer und US-amerikanischer Anbieter verwenden. Die meisten chinesischen Packaging-Firmen konzentrieren sich auf Leistungsmodule für industrielle Anwendungen, die auf konventionelle Aufbau- und Verbindungstechnik basieren und daher geringere Anforderungen an das Know-how haben. Hier können chinesische Unternehmen, die auf technologischer Basis oft kaum konkurrenzfähig sind, kostengünstige Produkte anbieten.

Doch die chinesischen Akteure agieren sehr schnell. Mit Hilfe führender Materiallieferanten und Anlagenhersteller evaluieren und testen sie verschiedene innovative Lösungen, zum Beispiel gesinterte SiC-Chips, die in erster Linie auf Anwendungen im Bereich Elektro- und Hybridfahrzeuge abzielen.

Die Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsmodulen ist mehr als nur Drahtbonden, Löten und Verkapseln. Insbesondere für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Leistungsdichte, Performance und Zuverlässigkeit sind die Aufbau- und Verbindungstechnologien sehr komplex und erfordern spezifisches Fachwissen. Viele Neueinsteiger in diese Technik haben deren Komplexität unterschätzt und tun sich schwer, ihre Packaging-Konzepte in die Serienfertigung zu überführen. Anfänglich zielten sie auf Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit ab.

Gegenwärtig müssen viele Akteure ihre Entwicklungsanstrengungen auf Fertigungsprozesse und die Materialauswahl konzentrieren, um eine akzeptable Ausbeute und einen akzeptablen Durchsatz bei der Herstellung zu erreichen und die Fertigungskosten zu senken. Externe Partner mit dem erforderlichen Fachwissen sind daher überaus willkommen, um die Entwicklung zu beschleunigen und Produkte früher auf den Markt zu bringen.

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