Der Hüter des „Herzens“ von Fahrzeugen mit neuer Energie – Wie unterstützen Keramiksubstrate die Bordstrommodule?

Im Zuge der Entwicklung der neuen Energiefahrzeugindustrie hin zu einer qualitativ hochwertigen Entwicklung bestimmen die Leistung und Zuverlässigkeit des Bordstrommoduls als „Kernknoten“ des Fahrzeugstromsystems direkt die Leistungsabgabe, die Energieverbrauchskontrolle und das Sicherheitsbetriebsniveau des gesamten Fahrzeugs. Und das Keramiksubstrat als zentraler Grundbestandteil des Bordnetzmoduls mit seinen hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften wird zum zentralen Träger für den stabilen Betrieb des Moduls. Angesichts der kontinuierlichen Durchbrüche in der Industrietechnologie und der Beschleunigung der inländischen Substitution steht eine Branchenveranstaltung mit Schwerpunkt auf der Entwicklung der Keramiksubstratindustrie kurz bevor – am 7. November 2025 findet im Jinling Yada Hotel in Suzhou das 6. Forum zur Anwendungsentwicklung von Keramiksubstraten und Industrieketten 2025 statt.

I. Technische Anforderungen und Leistungsvorteile von Keramiksubstraten für Fahrzeugleistungsmodule

Das Bordnetzmodul ähnelt dem „Kraftzentrum“ eines Elektrofahrzeugs. Es ist für die Umwandlung des Gleichstroms aus der Batterie in den vom Antriebsmotor benötigten Wechselstrom verantwortlich und steuert gleichzeitig die Geschwindigkeit und das Drehmoment des Motors, wodurch die Leistungsleistung und der Energieverbrauch des Fahrzeugs direkt bestimmt werden. Bei diesem Vorgang erzeugt das Leistungsmodul eine große Wärmemenge. Branchentestdaten zufolge kann die Temperatur gängiger IGBT-Leistungschips im Betrieb sofort auf über 150 °C ansteigen. Wenn die Wärme nicht sofort abgeleitet und abgeleitet werden kann, führt dies zu einem Leistungsabfall des Moduls und kann in schwerwiegenden Fällen zu Sicherheitsrisiken wie Kurzschlüssen im Schaltkreis und Durchbrennen von Komponenten führen. Daher werden extrem hohe Anforderungen an die Wärmeableitungsleistung des Substrats und die Umweltanpassungsfähigkeit gestellt. Im Vergleich zu herkömmlichen organischen Substraten weisen Keramiksubstrate im fahrzeugmontierten Szenario unersetzliche technische Vorteile auf, die sich hauptsächlich in den folgenden drei Aspekten widerspiegeln:

1. Ultrahohe Wärmeleitfähigkeit

Nehmen Sie als Beispiel das häufig verwendete Siliziumnitrid-Keramiksubstrat. Seine Wärmeleitfähigkeit kann 90–120 W/(m・K) erreichen, was dem 2–3-fachen der von Aluminiumoxidkeramiken entspricht. Es kann die vom Chip erzeugte Wärme schnell an die Wärmeableitungsstruktur übertragen und so sicherstellen, dass das Leistungsmodul immer im sicheren Arbeitstemperaturbereich arbeitet und Leistungsverluste durch Überhitzung effektiv vermieden werden.

2. Hervorragende Hochtemperaturstabilität

Keramische Substrate (wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid) können niedrigen Temperaturen von -100℃ bis 1000℃ und hohen Temperaturen standhalten und erfüllen so die Einsatzanforderungen von Fahrzeugen mit neuer Energie auf jedem Gelände vollständig.

3. Starke Isolierung und Korrosionsbeständigkeit

Die Durchbruchspannung des Keramiksubstrats kann über 10 kV erreichen. Es kann die Hochspannungskreise innerhalb des Leistungsmoduls wirksam isolieren und der Öl- und Wasserdampferosion in der Fahrzeugumgebung standhalten, wodurch ein langfristig zuverlässiger Betrieb des Moduls gewährleistet wird.

II. Technische Barrieren und Industriestandardanforderungen für fahrzeugmontierte Keramiksubstrate

Angesichts der strengen Anforderungen der fahrzeugmontierten Anwendung müssen die Keramiksubstrate für Fahrzeuge technische Standards erfüllen, die weit über die von Industrieprodukten hinausgehen. Die Kernschwellenwerte liegen in drei Dimensionen: der Ausgewogenheit der Leistungsparameter, der Präzision des Vorbereitungsprozesses und der Überprüfung der Zuverlässigkeit.

(1) Präzise Abstimmung der Leistungsparameter

Das am Fahrzeug montierte Keramiksubstrat muss ein Gleichgewicht zwischen Wärmeleitfähigkeit, mechanischer Festigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

(2) Hochpräzise Steuerung des Vorbereitungsprozesses

Die Vorbereitung eines fahrzeugmontierten Keramiksubstrats umfasst mehrere Schritte wie Pulversynthese, Formen, Sintern und Metallisierung. Jeder Schritt erfordert eine präzise Kontrolle auf Millimeter- oder sogar Mikrometerebene.

(3) Strenges System zur Zuverlässigkeitsüberprüfung

Gemäß Industriestandards müssen die im Fahrzeug montierten Keramiksubstrate mehrere Runden von Zuverlässigkeitstests durchlaufen, bevor sie das Werk verlassen. Zu den Kerntestaufgaben gehören:

Kalt- und Heißwechseltest: Bei mehr als 1.000 Zyklen von -40 °C bis 150 °C muss das Substrat frei von Rissen und Delaminationen bleiben.

Vibrations- und Aufpralltest: Simulieren Sie Fahrstöße und Kollisionen von Fahrzeugen mit einer Aufprallbeschleunigung von über 1000 G. Die Leistung sollte nicht beeinträchtigt werden.

Alterungstest bei Luftfeuchtigkeit und Temperatur: Bei kontinuierlichem Betrieb in einer Umgebung mit 125 °C hoher Temperatur und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit über einen Zeitraum von 5000 Stunden muss die Isolationsleistung den Standardanforderungen entsprechen.

Die oben genannten Prüfnormen haben für inländische Unternehmen strenge Zugangsvoraussetzungen für den Einstieg in den Bereich der Keramiksubstrate für die Automobilindustrie festgelegt. Um die Einhaltung der Vorschriften zu erreichen, sind eine langfristige technologische Anhäufung und Investitionen in die Ausrüstung erforderlich. Darüber hinaus wird die Frage, wie die technische Schwelle weiter optimiert werden kann, auch im Mittelpunkt des intensiven Austauschs zwischen Unternehmen, Forschungseinrichtungen und Branchenexperten auf dem Sechsten Forum zur Anwendungsentwicklung von Keramiksubstraten und Industrieketten stehen.

III. Beschleunigung des heimischen Ersatzes: Der „Durchbruchskampf“ bei Keramiksubstraten für die Automobilindustrie

In der Vergangenheit wurde der Weltmarkt für Keramiksubstrate für die Automobilindustrie nahezu von japanischen Unternehmen wie Kyocera und NGK monopolisiert. Inländische Hersteller neuer Energiefahrzeuge mussten nicht nur hohe Beschaffungskosten tragen, sondern waren auch mit langen Lieferzyklen und verzögertem technischem Support konfrontiert, was die Autonomie und Kontrolle der Industriekette vor Herausforderungen stellte. In den letzten Jahren hat sich der Prozess der inländischen Substitution von Keramiksubstraten für die Automobilindustrie mit den verstärkten Anstrengungen inländischer Unternehmen in der technologischen Forschung und Entwicklung erheblich beschleunigt und schrittweise Durchbrüche erzielt. Nehmen Sie als Beispiel die Tochtergesellschaft von Guocelam Materials, Guocelam SaiChuang. Die von ihm entwickelten Siliziumnitrid-Keramiksubstrate haben die strenge Prüfung durch einen führenden Hersteller von Fahrzeugen mit neuer Energie bestanden. In Tests wie Kälte- und Wärmezyklen sowie Vibrationseinwirkung liegt ihre Leistung auf Augenhöhe mit der von Kyocera-Produkten und die Kosten wurden um 20 bis 30 % gesenkt. Derzeit haben sie eine Chargenlieferung mit monatlichen Lieferungen von über 100.000 Stück erreicht.

Der Durchbruch bei den in Privatfahrzeugen montierten Keramiksubstraten hat einen erheblichen industriellen Wert. Dadurch werden nicht nur die Herstellungskosten von Fahrzeugen mit neuer Energie gesenkt, sondern auch das Sicherheitsniveau der Industrie- und Lieferkette erheblich verbessert, wodurch die Auswirkungen internationaler Situationsänderungen auf die Lieferung von Kernkomponenten vermieden werden und eine Garantie für die qualitativ hochwertige Entwicklung der chinesischen Fahrzeugindustrie für neue Energieträger geschaffen wird.

IV. Entwicklungstrends und zukünftige Richtungen der fahrzeugmontierten Keramiksubstrattechnologie

Da sich Fahrzeuge mit neuer Energie hin zu höheren Spannungen, höherer Leistung und geringerem Gewicht entwickeln, wird die fahrzeugmontierte Keramiksubstrattechnologie schrittweise in den folgenden drei Hauptrichtungen optimiert:

Größenminiaturisierung: Durch die Reduzierung der Dicke des Substrats wird das Volumen des Leistungsmoduls komprimiert, wodurch mehr Einbauraum für das Batteriepaket entsteht und die Leichtbauweise des gesamten Fahrzeugs erleichtert wird.

Funktionsintegration: Förderung des integrierten Designs von Keramiksubstraten mit Wärmeableitungsrippen und Schaltkreisverdrahtung, Bildung einer integrierten Komponente „Substrat – Wärmeableitung – Schaltkreis“, Reduzierung der Montageschritte des Leistungsmoduls und Verbesserung der Systemzuverlässigkeit und Produktionseffizienz.

Ökologische Materialien: Entwickeln Sie bleifreie Lötmaterialien und recycelbare Keramikpulver, optimieren Sie Produktionsprozesse, um den Energieverbrauch und die Schadstoffemissionen zu reduzieren, fördern Sie die Entwicklung der Keramiksubstratindustrie für die Automobilindustrie hin zu einer umweltfreundlichen Fertigung und orientieren Sie sich an den Umweltschutzkonzepten der neuen Energiefahrzeugindustrie.

Die Verwirklichung dieser bahnbrechenden Trends kann ohne die gemeinschaftliche Innovation zwischen den vor- und nachgelagerten Akteuren der Industriekette nicht erreicht werden. Und am 7. November 2025 bringt das 6. Anwendungsentwicklungsforum für Keramiksubstrate und Industrieketten Ressourcen aus der gesamten Industriekette zusammen, darunter Materiallieferanten, Gerätehersteller und Fahrzeugunternehmen. Durch Aktivitäten wie technische Diskussionen und die Abstimmung von Angebot und Nachfrage wird es die Industrialisierung von Spitzentechnologien beschleunigen und die Bildung eines positiven Kreislaufs „Technologie – Produkt – Anwendung“ in der Automobilkeramiksubstratindustrie fördern.

Als zentrale unterstützende Komponente des „Kraftzentrums“ von Fahrzeugen mit neuer Energie sind der technologische Durchbruch und die inländische Substitution von Bordkeramiksubstraten ein wichtiger Teil der autonomen Steuerung der chinesischen Industriekette für Fahrzeuge mit neuer Energie. Derzeit haben inländische Unternehmen erhebliche Fortschritte bei der technologischen Forschung und Entwicklung sowie bei Industrialisierungsanwendungen erzielt. Die Einberufung des 6. Anwendungsentwicklungsforums für Keramiksubstrate und Industrieketten wird der Branche weitere Entwicklungsimpulse verleihen und Unternehmen dabei helfen, wichtige Prozessengpässe zu überwinden sowie die Produktleistung und Qualitätsstabilität zu verbessern.