Sin embargo, a medida que las prestaciones intrínsecas del chip SiC se acercan a su límite teórico, el foco de mejora se desplaza hacia otro componente del módulo que históricamente ha recibido menos atención: el encapsulado.
El encapsulado no es un mero contenedor. Es la estructura que conecta eléctricamente los chips sobre el substrato aislante, forma los circuitos internos y los protege de las vibraciones mecánicas y los contaminantes ambientales. Y es, precisamente, una fuente significativa de inductancia parásita, pérdidas adicionales y limitaciones de vida útil por fatiga termomecánica. Para maximizar el rendimiento del SiC, se requieren encapsulados más compactos y con menores pérdidas de potencia.
La solución: interconexión tridimensional con PCB y pines conductores
Fuji Electric ha desarrollado una estructura de cableado tridimensional (3D) como nueva tecnología de encapsulado, orientada a conseguir miniaturización y menores pérdidas de potencia en los módulos de semiconductores de potencia SiC.
El salto conceptual respecto a los diseños convencionales es sustancial. Convencionalmente, se utilizaban cables y clips para conectar los chips sobre el substrato aislante. En la nueva estructura, ese cableado ha sido reemplazado por una placa de circuito impreso (PCB), que se conecta en tres dimensiones mediante pines conductores prensados en la placa.
El uso de PCB como elemento de interconexión interna no es trivial. Frente a los cables de aluminio o los clips de cobre que dominan el encapsulado de potencia desde hace décadas, una PCB permite definir los caminos de corriente con mucha mayor precisión geométrica, redistribuir la corriente de forma más uniforme entre chips en paralelo y reducir la longitud efectiva de los lazos de corriente que generan inductancia parásita. La conexión mediante pines conductores prensados —en lugar de soldados— añade a esto una ventaja adicional en términos de reproducibilidad del proceso de fabricación y control de la deformación termomecánica.
Resultados cuantificados: tres mejoras simultáneas
- Reducción de volumen: –50 %
La nueva estructura ha reducido el volumen del producto aproximadamente un 50 % respecto al producto convencional. Para el sistema de propulsión de un vehículo eléctrico, donde el inversor compite por espacio con la batería, el motor y los sistemas de refrigeración, una reducción de volumen de esta magnitud en el módulo de semiconductores tiene implicaciones directas en el diseño mecánico del powertrain y en la posibilidad de ampliar el espacio interior del habitáculo.
- Reducción de inductancia parásita: –70 % → pérdidas de conmutación –50 %
La optimización del camino de corriente mediante la estructura de cableado 3D ha conseguido reducir la inductancia parásita del circuito interno aproximadamente un 70 % respecto al producto convencional, lo que se traduce en una reducción de las pérdidas de conmutación de aproximadamente el 50 %.
Este resultado merece detenerse. La inductancia parásita en el lazo de conmutación de un módulo MOSFET de potencia es directamente responsable de los picos de tensión (voltage overshoot) que aparecen en el momento del apagado. Cuanto mayor es la inductancia del lazo, mayor es el pico de tensión y mayor debe ser el margen de tensión del chip —lo que penaliza tanto la elección del componente como la frecuencia de conmutación máxima operable de forma segura. Reducir la inductancia parásita un 70 % significa que el chip puede conmutar más rápido con menor sobretensión, aprovechando mejor la capacidad intrínseca del SiC y reduciendo las pérdidas en cada ciclo de conmutación.
- Mejora de vida útil de la unión: ×5
La estructura de conexión mediante pines conductores reduce el área de la unión del chip respecto a la solución convencional, y al aliviar las tensiones generadas por la deformación térmica en esa unión, se consigue mejorar aproximadamente cinco veces la vida útil de la unión.
La fatiga de la unión (solder joint fatigue) es el principal mecanismo de degradación de los módulos de potencia en aplicaciones de tracción, donde los ciclos térmicos son continuos y de gran amplitud. El hecho de que la nueva geometría de pin conductor —al reducir el área de contacto y redistribuir mejor las tensiones mecánicas— multiplique por cinco la vida de la unión supone un salto cualitativo en la fiabilidad del módulo, con impacto directo sobre los intervalos de mantenimiento y la tasa de fallos en campo.
Contexto: la carrera de la autonomía en el vehículo eléctrico
Se espera que los vehículos electrificados se generalicen con el cambio a medio-largo plazo hacia la descarbonización. Sus trenes de potencia se componen de motor e inversor, que extrae energía de la batería para hacer girar el motor. Para superar los retos de mejorar la autonomía y ampliar el espacio interior, es necesario miniaturizar el tren de potencia electrificado y mejorar su rendimiento.
La relación entre las pérdidas del inversor y la autonomía del vehículo es directa: cada vatio de pérdida en el módulo de semiconductores es energía que no llega a la rueda. A la potencia típica de un inversor de tracción (decenas a cientos de kilovatios), una reducción del 50 % en las pérdidas de conmutación se traduce en una mejora apreciable de la eficiencia global del sistema y, por tanto, de los kilómetros por carga.
Hoja de ruta de comercialización
Esta tecnología se aplicará a los módulos de semiconductores de potencia de la compañía a lo largo del ejercicio fiscal 2026. Fuji Electric dispone de una larga trayectoria en el desarrollo y fabricación de módulos IGBT y SiC para tracción, con presencia tanto en fabricantes de vehículos como en proveedores de sistemas de propulsión de primer nivel.
Conclusión
La estructura de cableado 3D desarrollada por Fuji Electric representa un avance relevante no solo por los valores numéricos que consigue —volumen a la mitad, inductancia parásita reducida un 70 %, pérdidas de conmutación a la mitad, vida de la unión multiplicada por cinco— sino por la coherencia de la solución: una sola decisión de diseño en el encapsulado mejora simultáneamente densidad de potencia, eficiencia y fiabilidad, los tres parámetros que determinan la competitividad de un módulo SiC en aplicaciones de tracción. Con la aplicación prevista en el ejercicio 2026, la industria del vehículo eléctrico tendrá acceso a módulos con una relación prestaciones-volumen sustancialmente mejor que la generación actual.
