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Patentlandschaft bei Power-Modulen entwickelt sich dynamisch

29. Januar 2021, 09:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Patentlandschaft bei Power-Modulen entwickelt sich dynamisch
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Durch den Aufschwung bei Elektro- und Hybridautos (EV/HEV) ist die Zahl der Patentanmeldungen für Leistungsmodule seit 2010 stark gestiegen. Knowmade hat nun untersucht, wer die wichtigsten Akteure im Bereich geistigen Eigentums sind und welche Allianzen geschlossen worden sind.

In den letzten zehn Jahren haben Elektro- und Hybridfahrzeuge (EV/HEV) die Innovation im Bereich Aufbau- und Verbindungstechnik (Packaging) von Leistungselektronik vorangetrieben. Die treibenden Kräfte dafür sind neue Anforderungen an die Modulhersteller insbesondere hinsichtlich weiterer Miniaturisierung, höherer Leistungsdichte, höherer Zuverlässigkeit und niedrigeren Kosten bzw. besserer Fertigbarkeit. Hinzu kommt, dass die Automobil-OEMs hoch standardisierte Leistungsmodule fordern, während sich die meisten Modulhersteller auf proprietäre Moduldesigns konzentrieren, durch die sie einen differenzierenden Mehrwert bieten können. In diesem Zusammenhang ist zu erwarten, dass die Automobil-OEMs und die Tier-1-Zulieferer immer stärker in den Bereich der Leistungsmodule drängen werden.

Darüber hinaus treiben Anwendungen im Bereich Elektro- und Hybridfahrzeuge die Einführung neuer Wide-Bandgap-Halbleitertechnologien voran. Dies gilt insbesondere für SiC-MOSFETs, deren kommerzielle Verfügbarkeit kontinuierlich gestiegen ist. Um den vollen Nutzen aus dem Einsatz dieser Technologie zu ziehen, ist es jedoch entscheidend, den Betrieb bei hohen Temperaturen in SiC-Modulen (+200 °C bis +300 °C) zu ermöglichen. Dies lässt sich beispielsweise durch neue Gehäusematerialien erreichen ebenso wie der Betrieb mit hohen Frequenzen durch die Minimierung der parasitären Induktivität.

Infolgedessen war das letzte Jahrzehnt von umfangreichen Innovationen im Bereich des Designs und des Packaging von Leistungsmodulen geprägt. Dies hat zu einer sehr hohen Anzahl von Patentveröffentlichungen geführt: Mehr als 7000 Erfindungen wurden veröffentlicht und mehr als 16.000 Patentanmeldungen eingereicht. In diesem Zusammenhang hat Knowmade die jüngsten Patentaktivitäten analysiert, um die wichtigsten Akteure im Bereich geistigen Eigentums zu identifizieren, die in diesem Bereich aktiv sind, sowie deren IP-Dynamik.

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So sieht laut Knowmade die Patentlandschaft bei Power-Modulen aus sowie die Patentdynamik der einzelnen Akteure.

Der Wettbewerb um das geistige Eigentum wird globaler

»Der Wettbewerb um geistiges Eigentum wird immer globaler und zu den Modulherstellern gesellen sich nach und nach Wettbewerber aus der EV/HEV-Lieferkette", bestätigt Dr. Rémi Comyn, Technology and Patent Analyst Compound Semiconductors and Electronics bei Knowmade. Die führenden Modulhersteller in Europa wie Infineon oder Semikron und in Japan wie Mitsubishi Electric, Fuji Electric und Hitachi sind seit 2010 sehr aktiv, um ihre Führungsposition in der Patentlandschaft für Leistungsmodule zu halten.

Interessanterweise konkurrieren große ausländische Modulhersteller zunehmend mit ihren Kollegen in Europa, indem sie mehr und mehr Patente in Europa anmelden. Bestimmte Automobil-OEMs wie Toyota und Hyundai und Tier-1-Zulieferer wie Denso und Bosch haben sich als Patentanmelder mittlerweile fest etabliert. Darüber hinaus beteiligen sich mehrere namhafte Akteure aus der EV/HEV-Lieferkette am Wettbewerb um geistiges Eigentum. Darunter fallen Halbleiterhersteller wie Cree/Wolfspeed, OEMs wie Ford und BYD sowie und Tier-1-Zulieferer wie Valeo, Continental und ZF.

Für EV/HEV-Anwendungen haben die komplexen Herausforderungen zu mehreren Kooperationen im IP-Bereich zwischen Modulherstellern bzw. Tier-1-Zulieferern und Automobil-OEMs geführt; Beispiele dafür sind Hyundai und Infineon, ABB und Audi, Toyota  und Denso sowie Valeo und Siemens). In China haben die großen Modulhersteller CRRC, MacMic und StarPower ab 2020 eine moderate Patentaktivität entwickelt, während neue Akteure im IP-Bereich hinzugekommen sind, beispielsweise CETC.

SiC-MOSFET-Anbieter dominieren

Die Patentlandschaft bei Leistungsmodule mit Wide-Bandgap-Halbleitern wird von führenden SiC-MOSFET-Playern dominiert. »Zahlreiche Akteure im IP-Bereich für Leistungsmodule haben ein bedeutendes Patentportfolio in Bezug auf SiC-MOSFET-Technologien aufgebaut. Dies gilt insbesondere für die Trench-MOSFET-Technologie (Rohm, Infineon, Fuji Electric, Toyota Motor usw.), die auf Automobilanwendungen abzielt. Entsprechend entwickeln sie nun ihre eigene Technologie für Voll-SiC-Leistungsmodule«, bemerkt Rémi Comyn. »Die meisten von ihnen hatten bereits Erfahrung im Bereich der Leistungsmodule, mit Ausnahme von Cree/Wolfspeed, die seit der Übernahme von APEI speziell für SiC-Leistungsmodule Patente angemeldet haben.« Die Analysten von Knowmade erwarten, dass die Anzahl der Patente für SiC-Leistungsmodule in den nächsten fünf Jahren weiter steigen wird, da die Entwicklung bei vielen Modulherstellern (auf Die- und Modulebene) noch nicht abgeschlossen ist.

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An den Patenten kann man ablesen, an welchen Themen rund um Power-Module die Unternehmen gerade forschen.

Gemäß der aktuellen Marktaufteilung entwickeln auch Akteure wie Hitachi, Mitsubishi Electric und Toyota Schlüsseltechnologien (Reduzierung der Streuinduktivität, Silber- und Kupfersintern, TLP für Chipbefestigung), um die Herausforderungen im Zusammenhang mit Wide-Bandgap-Halbleitern anzugehen. In letzter Zeit hat Knowmade mehrere Neueinsteiger in der Patentlandschaft für Wide-Bandgap-Leistungsmodule identifiziert, darunter Audi, ON Semiconductor, Danfoss und Shindengen Electric Manufacturing.

Neuer Bericht von Kowmade

In diesem Bericht Next-Generation Power Modules IP wird der Bestand an Patenten in vier Hauptherausforderungen segmentiert, die für sowohl IGBT- als auch SiC-Module gelten: Parasitäten, Wärmeableitung, thermomechanische Probleme, thermische Zuverlässigkeit und Miniaturisierung. " Diese Herausforderungen zu überwinden wird für SiC-Leistungsmodule noch erfolgskritischer sein, um sich durchzusetzen, da der Mehrwert der Technologie von ihrer Fähigkeit abhängt, bei höheren Schaltgeschwindigkeiten und höheren Temperaturen als IGBT-Module zu arbeiten", sagt Rémi Comyn.

Der Patentbestand wird außerdem nach Schlüsseltechnologien untergliedert, die für Leistungsmodule der nächsten Generation entwickelt werden, z. B. beim Die-Attach (Kupfer- und Silbersintern, TLP-Bonden), bei der Verkapselung (Transfer Molding) und der doppelseitigen Kühlstruktur. Darüber hinaus enthält der Bericht zusätzliche Segmente für Patente im Zusammenhang mit intelligenten Leistungsmodulen (IPM), Hybridmodulen (Si-IGBT/SiC-Dioden oder MOSFETs und GaN/Si-Kaskode) und EV/HEV-Anwendungen.

In ihrem Report hat Knowmade das Patentportfolio von fast 40 führenden Marktteilnehmern wird statistisch, um einen Überblick über dessen Stärke (Anzahl der erteilten Patente pro Segment), sein Verstärkungspotenzial (laufende Anmeldungen pro Segment) und die IP-Dynamik des Marktteilnehmers (Anzahl der neuen Erfindungen pro Jahr für Wide-Bandgap und für generische Leistungsmodule) zu erhalten. Die IP-Aktivität des Akteurs im Zeitraum 2010 bis 2020 wird dann vor dem Hintergrund der jüngsten Ankündigungen in Bezug auf Wide-Bandgap, Elektro- und Hybridfahrzeuge sowie damit verbundene Herausforderungen (neues Produkt, neues Package, neue Technologie, neue Partnerschaft, neues Projekt etc.) bewertet. Am Schluss konzentriert sich die Analyse auf die neuesten Patentveröffentlichungen.

Nützliche Excel-Patentdatenbank

Dieser Bericht enthält auch eine umfangreiche Excel-Datenbank mit den über 7000 Patentfamilien, die in dieser Studie analysiert wurden. Diese nützliche Patentdatenbank ermöglicht eine Suche nach mehreren Kriterien und enthält Veröffentlichungsnummern von Patenten, Links zu den Originaldokumenten, Prioritätsdatum, Titel, Zusammenfassung, Patentempfänger, den aktuellen Rechtsstatus des Patents sowie Technologie- und Anwendungssegmente.

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