Yole Développement

Elektromobilität befeuert das Packaging von Power-Modulen

25. November 2021, 15:00 Uhr | Ralf Higgelke

Das Design von Power-Modulen und insbesondere der Packaging-Ansatz sind das Herzstück von Innovationen in der Leistungselektronik, getrieben vor allem von der Elektromobilität. Dies wirkt sich laut den Analysten von Yole Développement positiv auf den Packaging-Markt aus.

»Im Jahr 2020 stellten industrielle Antriebe mit 1,6 Milliarden US-Dollar den bedeutendsten Markt für Power-Module dar«, erklärte Dr. Shalu Agarwal, Power Electronics & Materials Analyst bei Yole Développement. »Bis 2026 werden jedoch Elektro- und Hybridfahrzeuge mit einem Umsatz von fast 3,6 Milliarden US-Dollar der bedeutendste Markt sein, wobei der Markt bis dahin jährlich um 10,5 Prozent wachsen dürfte. Stärker – nämlich um jährlich 12,5 Prozent – dürfte der Markt für Ausgangsmaterialien für das Packaging von Power-Modulen wachsen und könnte bis 2026 ein Marktvolumen von 3,5 Milliarden US-Dollar erreichen.«

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Dies sind die Ergebnisse der neuen Studie Status of the Power Module Packaging Industry des Marktforschungsunternehmens. Der Bericht konzentriert sich auch auf SiC- und GaN-Leistungsbauelemente und deren Packaging-Technologien. Er bietet Einblicke in die Substrate für Power-Module, technologische Trends und die Lieferkette. Auch geht er detailliert auf die Anforderungen an das Packaging von Power-Modulen für verschiedene Anwendungen ein und legt einen besonderen Schwerpunkt auf den chinesischen Markt. 800-V-Batterien und ihr Einfluss auf den Verpackungsmarkt für Power-Module werden darin ebenfalls ausführlich beschrieben.

»Das Design von Power-Modulen und insbesondere der Packaging-Ansatz sind das Herzstück von Innovationen in der Leistungselektronik«, erklärt Amine Allouche, Technology & Cost Analyst, Leistungselektronik bei System Plus Consulting. Weiter führt er aus: »Das Ziel der führenden Halbleiterunternehmen ist es, die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Heute finden wir bedeutende Neuerungen auf allen Ebenen der Struktur eines Leistungsmoduls, von der Bodenplatte und der Montage des Substrats bis hin zur Chipmontage und der elektrischen Verbindung. Bei der Lösung von Vitesco Technologies im Antriebsumrichter des Jaguar I-Pace basiert das Modul auf einem innovativen Chip-Montageprozess, zu dem auch ein doppelseitiges Sintern gehört. Um die elektrische Leistung zu verbessern, sind die Clip-Verbindungen und Substrate für das Silbersintern optimiert. Darüber hinaus ist die Bodenplatte speziell für die strikten Leistungsanforderungen in der Automobilindustrie ausgelegt.«

Weiterentwicklung von Substrat-, Verbindungs- und Chipmontagetechnologien

In der Vergangenheit richtete sich der Bedarf an Packaging-Technologie für Power-Module hauptsächlich an industriellen Anwendungen aus. Heute bestimmen zunehmend Anwendungen im Bereich Elektro- und Hybridfahrzeuge die technologischen Trends im Bereich des Packaging von Power-Modulen. Die Anforderungen an Leistung, Frequenz, Effizienz, Robustheit, Zuverlässigkeit, Gewicht, Bauraum und Kosten von Power-Modulen für den Automobilbereich sind aufgrund der hohen Sicherheitsstandards im Fahrzeug und der rauen Umgebung oft strenger als bei Produkten für die Industrie.

»Heute sind siliziumbasierte Power-Module der Standard im Bereich Elektro- und Hybridfahrzeuge«, fügt Shalu Agarwal hinzu, ergänzt jedoch: »Halbleiter aus Siluzuimkarbid bieten allerdings einen höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu siliziumbasierten Chips. Daher werden SiC-basierte Power-Module auch auf dem Automobilmarkt immer beliebter. Die Einführung der SiC-Technologie treibt die Entwicklung neuer Packaging-Lösungen voran, da jene Bauteile bei höheren Sperrschichttemperaturen und höheren Schaltfrequenzen arbeiten können als siliziumbasierte MOSFETs und IGBTs – und das bei kleineren Chipabmessungen.«

Demzufolge entwickeln sich die Packaging-Lösungen für Power-Module hin zu besonders leistungsfähigen Materialien, wobei die Anzahl der Schichten, die Größe und die Schnittstellen reduziert werden, ohne dabei die elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen.

Lieferketten verändern sich

Die enormen Geschäftsmöglichkeiten auf dem Markt für das Packaging von Power-Modulen ziehen die Aufmerksamkeit verschiedener Akteure in den Lieferketten der Leistungselektronik an. Allerdings umfasst das mehr als nur das Drahtbonden, Löten und Verkapseln. Packaging-Technologien – insbesondere für Anwendungen mit einer hohen Nachfrage nach Leistungsdichte, Performance und Zuverlässigkeit – sind sehr komplex und erfordern spezifisches Fachwissen.

Viele Markteinsteiger im Bereich des Packaging von Power-Modulen haben unterschätzt, wie komplex das Gehäuse ist, und tun sich schwer, ihre Packaging-Konzepte serienreif zu bekommen. Ursprünglich ging es ihnen um Performance und Zuverlässigkeit. Heute müssen viele Marktteilnehmer ihre Entwicklungsanstrengungen auf Fertigungsprozesse und Werkstoffauswahl ausrichten, um eine akzeptable Fertigungsausbeute und einen akzeptablen Durchsatz zu erreichen und die Produktionskosten zu senken. Daher sind externe Partner mit dem erforderlichen Know-how mehr als willkommen, um die Entwicklung zu beschleunigen und Produkte früher auf den Markt zu bringen.