Il guardiano del 'cuore' dei veicoli a nuova energia - In che modo i substrati ceramici supportano i moduli di potenza di bordo?

Nel processo in cui l'industria dei veicoli a nuova energia si sta muovendo verso uno sviluppo di alta qualità, il modulo di potenza di bordo, come 'hub principale' del sistema di potenza del veicolo, le sue prestazioni e affidabilità determinano direttamente la potenza in uscita, il controllo del consumo di energia e il livello di funzionamento di sicurezza dell'intero veicolo. E il substrato ceramico, in quanto componente base chiave del modulo di potenza di bordo, con le sue eccellenti proprietà fisiche e chimiche, diventa il supporto principale per garantire il funzionamento stabile del modulo. Con i continui progressi nella tecnologia industriale e l'accelerazione della sostituzione domestica, sta per arrivare un evento di settore incentrato sullo sviluppo dell'industria dei substrati ceramici: il 7 novembre 2025, il 6° Forum 2025 per lo sviluppo delle applicazioni dei substrati ceramici e della catena industriale si terrà presso il Jinling Yada Hotel di Suzhou, fornendo un'importante piattaforma per gli scambi tecnici, la condivisione dei risultati e la connessione di cooperazione per l'industria e aiutando l'industria dei substrati ceramici di bordo a raggiungere nuovi traguardi.

I. Requisiti tecnici e vantaggi prestazionali dei substrati ceramici per i moduli di potenza dei veicoli

Il modulo di potenza di bordo è simile al 'centro di potenza' di un veicolo elettrico, responsabile della conversione dell'elettricità CC dalla batteria nell'elettricità CA richiesta dal motore di azionamento, controllando anche la velocità e la coppia del motore, determinando direttamente le prestazioni di potenza del veicolo e il livello di consumo energetico. Durante questo processo, il modulo di potenza genera una grande quantità di calore. Secondo i dati dei test di settore, la temperatura dei chip di potenza IGBT tradizionali può superare istantaneamente i 150 ℃ durante il funzionamento. Se il calore non può essere condotto e dissipato tempestivamente, ciò porterà a un calo delle prestazioni del modulo e, in casi gravi, potrebbe causare rischi per la sicurezza come cortocircuiti e bruciature dei componenti. Pertanto, vengono posti requisiti estremamente elevati alle prestazioni di dissipazione del calore del substrato e all'adattabilità ambientale. Rispetto ai substrati organici tradizionali, i substrati ceramici dimostrano vantaggi tecnici insostituibili nello scenario montato su veicolo, che si riflettono principalmente nei seguenti tre aspetti:

1. Conduttività termica ultraelevata

Prendiamo come esempio il substrato ceramico comunemente usato in nitruro di silicio. La sua conduttività termica può raggiungere 90-120 W/(m・K), ovvero 2-3 volte quella della ceramica di allumina. Può trasferire rapidamente il calore generato dal chip alla struttura di dissipazione del calore, garantendo che il modulo di potenza funzioni sempre entro l'intervallo di temperature di lavoro sicure ed evitando efficacemente la perdita di prestazioni causata dal surriscaldamento.

2. Eccellente stabilità alle alte temperature

I substrati ceramici (come allumina, nitruro di alluminio, nitruro di silicio) possono resistere a basse temperature che vanno da -100 ℃ a 1000 ℃ e ad alte temperature, soddisfacendo pienamente i requisiti di utilizzo di tutti i terreni per i veicoli a nuova energia.

3. Forte isolamento e resistenza alla corrosione

La tensione di rottura del substrato ceramico può raggiungere oltre 10 kV. Può isolare efficacemente i circuiti ad alta tensione all'interno del modulo di potenza e resistere all'erosione dell'olio e del vapore acqueo nell'ambiente del veicolo, garantendo il funzionamento affidabile a lungo termine del modulo.

II. Barriere tecniche e requisiti degli standard di settore per i substrati ceramici montati su veicoli

Considerati i severi requisiti dell’applicazione montata su veicoli, i substrati ceramici per veicoli devono soddisfare standard tecnici che superano di gran lunga quelli dei prodotti di livello industriale. Le soglie fondamentali risiedono in tre dimensioni: l'equilibrio dei parametri prestazionali, la precisione del processo di preparazione e la verifica dell'affidabilità.

(1) Corrispondenza precisa dei parametri di prestazione

Il substrato ceramico montato sul veicolo deve bilanciare conduttività termica, resistenza meccanica e coefficiente di dilatazione termica.

(2) Controllo ad alta precisione del processo di preparazione

La preparazione del substrato ceramico montato su veicolo prevede più fasi come sintesi della polvere, stampaggio, sinterizzazione e metallizzazione. Ogni passaggio richiede un controllo di precisione a livello millimetrico o addirittura micrometrico.

(3) Rigoroso sistema di verifica dell'affidabilità

Secondo gli standard del settore, prima di lasciare la fabbrica, i substrati ceramici montati sui veicoli devono essere sottoposti a molteplici cicli di test di affidabilità. Gli elementi principali del test includono:

Test di ciclismo a freddo e caldo: sottoposto a cicli da -40 ℃ a 150 ℃ per più di 1.000 volte, il substrato deve rimanere esente da fessurazioni e delaminazioni;

Test di vibrazione e impatto: simulando urti e collisioni durante la guida di veicoli, con un'accelerazione dell'impatto superiore a 1000 G, le prestazioni non dovrebbero essere ridotte;

Test di invecchiamento dell'umidità e della temperatura: funzionando continuamente in un ambiente ad alta temperatura di 125 ℃ e con un'umidità relativa dell'85% per 5000 ore, le prestazioni di isolamento devono soddisfare i requisiti standard.

Gli standard di test di cui sopra hanno stabilito severi requisiti di accesso affinché le imprese nazionali possano entrare nel campo dei substrati ceramici per autoveicoli. Il raggiungimento della conformità richiede accumulo tecnologico a lungo termine e investimenti in attrezzature. Inoltre, come ottimizzare ulteriormente la soglia tecnica diventerà anche il focus principale degli scambi approfonditi tra imprese, istituti di ricerca ed esperti del settore in occasione del Sesto Forum per lo sviluppo di applicazioni per substrati ceramici e filiere industriali.

III. Accelerazione della sostituzione domestica: la 'battaglia rivoluzionaria' dei substrati ceramici per autoveicoli

In passato, il mercato globale dei substrati ceramici per il settore automobilistico era quasi monopolizzato da aziende giapponesi come Kyocera e NGK. I produttori nazionali di veicoli a nuova energia non solo hanno dovuto sostenere elevati costi di approvvigionamento, ma hanno anche dovuto affrontare cicli di consegna lunghi e un supporto tecnico in ritardo, ponendo sfide all’autonomia e al controllo della catena industriale. Negli ultimi anni, con i maggiori sforzi nella ricerca e nello sviluppo tecnologico da parte delle imprese nazionali, il processo di sostituzione nazionale dei substrati ceramici automobilistici ha accelerato in modo significativo e ha raggiunto progressi graduali. Prendiamo come esempio Guocelam SaiChuang, la filiale di Guocelam Materials. I substrati ceramici in nitruro di silicio sviluppati hanno superato la rigorosa verifica di un produttore leader di veicoli a nuova energia. Nei test come i cicli di freddo e caldo e l'impatto delle vibrazioni, le loro prestazioni sono alla pari con quelle dei prodotti Kyocera e il costo è stato ridotto dal 20% al 30%. Attualmente hanno raggiunto la fornitura in lotti, con spedizioni mensili superiori a 100.000 pezzi.

La svolta dei substrati ceramici domestici montati su veicoli ha un valore industriale significativo. Non solo riduce i costi di produzione dei veicoli a nuova energia, ma migliora anche significativamente il livello di sicurezza della catena industriale e della catena di fornitura, evitando l’impatto dei cambiamenti della situazione internazionale sulla fornitura di componenti fondamentali e fornendo una garanzia per lo sviluppo di alta qualità dell’industria cinese dei veicoli a nuova energia.

IV. Tendenze di sviluppo e direzioni future della tecnologia dei substrati ceramici montati su veicoli

Man mano che i veicoli a nuova energia si evolvono verso tensioni più elevate, potenza più elevata e pesi più leggeri, la tecnologia del substrato ceramico montato sul veicolo sarà ottimizzata in modo iterativo lungo le seguenti tre direzioni principali:

Miniaturizzazione delle dimensioni: riducendo lo spessore del substrato, il volume del modulo di potenza viene compresso, fornendo più spazio di installazione per il pacco batteria e facilitando la progettazione leggera dell'intero veicolo.

Integrazione delle funzioni: promozione della progettazione integrata di substrati ceramici con alette di dissipazione del calore e cablaggio del circuito, formando un componente integrato 'substrato - dissipazione del calore - circuito', riducendo le fasi di assemblaggio del modulo di potenza e migliorando l'affidabilità del sistema e l'efficienza della produzione.

Ecologia dei materiali: sviluppare materiali di saldatura senza piombo e polveri ceramiche riciclabili, ottimizzare i processi di produzione per ridurre il consumo energetico e le emissioni inquinanti, promuovere lo sviluppo dell’industria dei substrati ceramici automobilistici verso una produzione ecologica e allinearsi ai concetti di protezione ambientale dell’industria dei veicoli a nuova energia.

La realizzazione di queste tendenze all’avanguardia non può essere raggiunta senza l’innovazione collaborativa tra le parti a monte e a valle della catena industriale. E il 7 novembre 2025, il sesto Forum per lo sviluppo di substrati ceramici e applicazioni per la catena industriale riunirà risorse dell’intera catena industriale, compresi fornitori di materiali, produttori di apparecchiature e imprese di veicoli. Attraverso attività quali discussioni tecniche e incontro tra domanda e offerta, accelererà l'industrializzazione di tecnologie all'avanguardia e promuoverà la formazione di un ciclo virtuoso 'tecnologia - prodotto - applicazione' nel settore dei substrati ceramici automobilistici.

Essendo il principale componente di supporto del 'centro di potere' dei veicoli a nuova energia, la svolta tecnologica e la sostituzione interna dei substrati ceramici di bordo sono una parte importante del controllo autonomo della catena industriale cinese dei veicoli a nuova energia. Attualmente, le imprese nazionali hanno compiuto progressi significativi nella ricerca tecnologica, nello sviluppo e nelle applicazioni di industrializzazione. La convocazione del 6° Forum per lo sviluppo di applicazioni per substrati ceramici e catene industriali darà ulteriore slancio allo sviluppo del settore e aiuterà le imprese a superare i principali colli di bottiglia dei processi, a migliorare le prestazioni dei prodotti e la stabilità della qualità.