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Sinterización de Ag y Cu

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La gestión térmica de la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos lleva mucho tiempo planteando importantes retos. El actual cambio de los IGBT de Si y los MOSFET de SiC a los HEMT de GaN en el futuro se traduce en temperaturas de unión más elevadas y una mayor demanda de materiales de fijación en los módulos de alimentación de los vehículos eléctricos.

En los módulos de alimentación tradicionales de Si IGBT, los materiales de fijación a la matriz, como Pb95Sn5 y Pb92,5Sn5Ag2,5, tienen dificultades para cumplir los requisitos de fiabilidad de los dispositivos de alimentación en aplicaciones de alta temperatura debido a la fatiga por fluencia. Además, los materiales de fijación al sustrato como el Sn96,5Ag3Cu0,5, con temperaturas de fusión inferiores a las de la soldadura utilizada para la fijación de la matriz, limitan aún más la fiabilidad de los módulos de potencia de SiC para aplicaciones de alta temperatura. Estos retos impulsan el mercado hacia materiales sinterizados de plata, con potencial para extenderse a materiales sinterizados de cobre, ofreciendo reducciones de costes.

A pesar de las ventajas de coste, el informe de IDTechEx «Thermal Management for EV Power Electronics 2024-2034: Forecasts, Technologies, Markets, and Trends» (Gestión térmica para la electrónica de potencia de vehículos eléctricos 2024-2034: previsiones, tecnologías, mercados y tendencias) identifica barreras que dificultan la comercialización generalizada del sinterizado de cobre, como entornos de fabricación difíciles debido a la oxidación del cobre y costes comparables o incluso superiores a los del sinterizado de plata a principios de 2024 debido a escalas de comercialización más reducidas.

Los materiales convencionales de fijación de matrices y sustratos suelen consistir en aleaciones de soldadura, con espesores de línea de unión que oscilan entre 50 y 100 µm para la fijación de matrices y entre 100 y 150 µm para la fijación de sustratos. A pesar de su satisfactorio rendimiento, IDTechEx observa una creciente preferencia por la sinterización de Ag, impulsada por los principales OEM de automoción, como Tesla, BYD y Hyundai. En comparación con las aleaciones de soldadura tradicionales, el sinterizado de Ag ofrece una mayor conductividad térmica (entre 200 y 300 W/mK), lo que reduce potencialmente la resistencia térmica de la unión a la carcasa en más de un 40%, junto con puntos de fusión significativamente más altos y una menor resistividad eléctrica.

Con la adopción de los MOSFET de SiC, IDTechEx prevé que el sinterizado de Ag acaparará casi o más del 50% de la cuota de mercado en regiones como China en un futuro próximo, lo que presenta importantes oportunidades de mercado para los proveedores de materiales térmicos.

Gran parte de la Ag sinterizada disponible en el mercado requiere presión durante la sinterización para mejorar las características de unión y reducir la porosidad, lo que reduce significativamente el tiempo de sinterización. Sin embargo, este método tiene inconvenientes, como la disminución del rendimiento y la eficacia de la unión de varios chips, especialmente con una arquitectura compleja. Además, requiere pasos y máquinas adicionales, lo que aumenta los costes. Por ello, los fabricantes tienden a evitarlo y esperan soluciones fáciles de implantar en su infraestructura ya existente: el sinterizado sin presión. El sinterizado sin presión ofrece menores barreras de costes y ventajas en la unión por sinterización de múltiples virutas, pero sólo es fiable para superficies con áreas de entre 4 y 25 mm2. En el informe de IDTechEx «Thermal Management for EV Power Electronics 2024-2034: Forecasts, Technologies, Markets, and Trends» se incluyen más detalles sobre el proceso de sinterización sin presión.

El coste del sinterizado de Ag puede variar significativamente en función de factores como las relaciones con los clientes, el volumen de los pedidos y los proveedores. Los costes de la pasta sinterizada de Ag pueden ser fácilmente entre cinco y diez veces superiores a los de las aleaciones de soldadura. Por ejemplo, IDTechEx tuvo conocimiento de una pasta sinterizada de Ag desarrollada por una empresa japonesa que cuesta alrededor de 2-3 dólares por gramo, aunque este precio tiene el potencial de disminuir significativamente con el aumento del volumen y otras propiedades del material. Otro proveedor sugiere que su pasta de plata sinterizada cuesta unos 1.400 dólares/kg. En general, impulsada por los principales actores del sector de la automoción, existe una tendencia perceptible a sustituir las aleaciones de soldadura por pastas de sinterización de Ag, lo que crea oportunidades de mercado para los proveedores de materiales.

El sinterizado de Cu se propone como un enfoque alternativo para abordar el factor coste. Comparado con el sinterizado de Ag, el sinterizado de Cu pretende ofrecer un rendimiento similar a un coste inferior. Un proveedor informó a IDTechEx de que la tecnología de sinterizado de Cu puede costar la mitad que la de Ag. Sin embargo, la oxidación sigue siendo un reto importante para el sinterizado de Cu. Por lo tanto, la combinación de una atmósfera controlada y la reducción de disolventes/aglutinantes es el objetivo de la producción de materiales fiables. Las pastas de sinterización de Cu tienen variantes con y sin presión bajo N2 o H2. Sin embargo, esto plantea retos durante el procesamiento, lo que suscita preocupaciones en torno a la fiabilidad.

IDTechEx no tiene conocimiento de ningún fabricante de automóviles que utilice materiales sinterizados de Cu a principios de 2024, pero dado el calendario histórico para la adopción del sinterizado de Ag, IDTechEx prevé que la comercialización a gran escala se producirá dentro de cinco años y potencialmente tan pronto como a finales de 2024 o principios de 2025.

Autor: Yulin Wang, analista tecnológico senior de IDTechEx

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