EVパワーエレクトロニクス向け熱管理 2024-2034年:予測、技術、市場、動向Thermal Management for EV Power Electronics 2024-2034: Forecasts, Technologies, Markets, and Trends IDTechExは、GM、ヒュンダイ、VW、Lucid Motorsを含むいくつかの自動車OEMによって、800Vプラットフォームとそれ以上へのトレンドが高まっていることを確認している。高電圧で動作するこれらのプラットフォー... もっと見る
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サマリー
IDTechExは、GM、ヒュンダイ、VW、Lucid Motorsを含むいくつかの自動車OEMによって、800Vプラットフォームとそれ以上へのトレンドが高まっていることを確認している。高電圧で動作するこれらのプラットフォームは、ジュールロスを最小化することで効率を高め、高電圧ケーブルの小型化を可能にすることで軽量化を実現している。この移行は、特に炭化ケイ素(SiC)MOSFETなど、両面冷却(DSC)、先進的なAg焼結ダイ・アタッチ、高性能サーマル・インターフェイス材料の使用など、革新的な熱管理技術と材料を組み込んだ新しい技術と材料の採用によって促進されています。
従来のシリコンIGBTからSiC MOSFETへの移行には、熱アーキテクチャ設計の変化も伴います。その例として、DSC、銅リボンボンディング、直接液冷の実装があり、サーマルインターフェイス材(TIM)の必要性を排除しています。
IDTechExが発行したレポート「EVパワーエレクトロニクス向け熱管理 2024-2034:予測、技術、市場、動向」は、SiC MOSFET、Si IGBT、GaN技術別にパワーエレクトロニクスの熱管理戦略の包括的な市場予測を提供しています。本レポートでは、SiC、Si、GaN別のダイ・アタッチ、基板アタッチ、TIMの面積、数量、市場価値の詳細予測に加え、従来のはんだ、Ag焼結、新興のCu焼結を含むダイ・アタッチ方法の内訳も掲載しています。さらに、空冷、油冷、水-グリコール冷却方式別に区分した液冷インバータ市場もカバーしています。
パワーエレクトロニクス熱材料の進化
パワー半導体の電力密度と熱流束が増加し、Si IGBTからSiC MOSFETへの移行と相まって、パワー半導体パッケージングの熱アーキテクチャは大きな変化を遂げると予想される。提供された図は、ダイ接着材料、基板接着材料、ワイヤーボンディング、およびサーマルインターフェイス材料からなる、パワーモジュールの主要な材料レイヤーを示しています。
半導体ダイは、ダイ・アタッチ材料を使ってダブル・ボンド・セラミック(DBC)基板に貼り付けられます。その後、DBCは別の基板接着材料を介してベースプレートに接続される。ダイと回路間の通信はワイヤーボンディングによって行われ、従来はアルミニウムが使用されていましたが、最近では銅が好まれるようになってきています。保護と安定性を確保するため、パッケージは熱伝導性シリコーンゲルでポッティングされる。
ダイ・アタッチおよび基板アタッチ材料
ダイ・アタッチおよび基板アタッチ材料は通常、SnPbやSAC(Sn-Ag-Cu)などのはんだ合金で構成されています。これらの合金はバルクの熱伝導率が高く、はんだ付け時に部品間に金属間化合物を形成するため、界面熱抵抗が低くなります。これにより、ヒートシンクを機械的に固定すると同時に、パッケージの応力と処理温度を低く保つことができます。はんだ合金の一般的な熱伝導率は約50W/mKで、溶融温度は約200℃です。
しかし、Si IGBTからSiC MOSFETへの移行により熱流束が増加するため、接合部温度は175℃を超え、場合によっては200℃を超えることが予想され、従来のはんだでは困難が予想されます。このシフトにより、はんだから焼結ダイアタッチ材料への移行が進んでいます。Tesla、Hyundai、BYDを含む一部の大手自動車OEMは、すでにAg焼結ダイ・アタッチ材料の採用を開始している。それにもかかわらず、Ag焼結ペーストは従来のはんだ合金よりもかなり高価である。コストは顧客との関係、注文量、その他様々な要因に影響されるが、IDTechExはAg焼結ペーストは従来のはんだ合金の5倍以上になると見積もっている。短中期的には、銀焼結ペーストは、コスト削減のための大量生産で交渉力が大きいため、主に大手自動車OEMに採用されると予想される。また、Ag焼結ダイ・アタッチと比較して理論的に低コストであることから、Cu焼結ダイ・アタッチに取って代わる可能性もある。しかし、2024年現在、IDTechExはCu焼結ダイ・アタッチ材料の大規模な商業例を目にしていない。本レポートでは、AgとCu焼結ダイ・アタッチの利点と欠点を比較・分析し、これら2つの技術の市場予測を示している。焼結の利点にもかかわらず、多くの半導体サプライヤーと自動車OEMは、そのコスト削減とアプリケーションの進歩により、はんだ合金を使い続けるでしょう。
TIM2:
ベースプレートとヒートシンクの間に使用されるサーマルグリースと、ポッティング材として使用されることの多いサーマルゲルである。2024年の市場では、サーマルグリースの熱伝導率は通常2.5~3.5W/mK、密度は2.5g/ml程度と見られている。しかし、onsemiのVE-Tracに使用されているハネウェルのPTM7000のように、6.5W/mKの熱伝導率を示すTIMの進歩も見られる。IDTechExは、SiC技術の採用による熱流束の増加により、熱伝導率がより高くなる傾向を予測している。さらに、相変化材料(PCM)も、その優れた潜熱容量のおかげで大きな勢いを増している。PCMを使用した熱インピーダンスは、従来のサーマルグリースと比較して50%以上低減できますが、これは使用する材料や構成、その他多くの要因に大きく依存します。本レポートでは、多くの市販TIM2オプションのベンチマークを実施し、その機械的特性のきめ細かな分析を行っています。
パワーエレクトロニクスの冷却戦略
EVパワーエレクトロニクスの熱管理」レポートは、熱アーキテクチャの進化における新たなトレンドもまとめています。以下の2つのトレンドを例に挙げます。
1. 両面冷却(DSC): 両面冷却は、ポルシェTaycanやアウディe-tronなど、一部の中高級電気自動車に導入されています。このアプローチは、接合部温度を40%低下させることができる優れた冷却能力を提供する。しかし、両面冷却を採用すると、設計がより複雑で高価になります。片面冷却とは対照的に、DSCはワイヤーボンディングをリードフレームに置き換えるため、ダイ・アタッチとTIMの使用量が倍増する可能性がある。
2. 直接液冷: もう一つの新たなトレンドは、従来の冷却方法から、ピンフィン構造のヒートシンクにダブルボンディング銅(DBC)を直接貼り付ける直接液冷への移行です。この構成では、コールドプレートとサーマルグリースを省くことができます。
市場機会
本レポートでは、EV用パワーエレクトロニクス向けのダイ・アタッチ材料、基板アタッチ材料、TIM2を合わせた市場規模は、2034年までに約9億米ドルに達し、大きな市場機会をもたらすと予測している。熱出力が上昇を続ける中、より高度な熱管理戦略が採用され、2024年から2034年にかけて2桁の年間平均成長率(CAGR)で市場成長が加速すると予想される。
市場機会、活発なプレーヤー、競争環境、技術ベンチマーク、最近の市場動向の詳細については、IDTechExの最新レポート「EVパワーエレクトロニクス向け熱管理 2024-2034年:予測、技術、市場、動向」を参照されたい。
主要な側面
本レポートは、電気自動車パワーエレクトロニクス、特にSi IGBT、SiC MOSFET、GaN向けのダイアタッチはんだ、基板、TIM2の面積、体積、重量、市場価値に関する重要な市場情報を提供します。
目次
Summary
この調査レポートでは、SiC、Si、GaN別のダイ・アタッチ、基板アタッチ、TIMの面積、数量、市場価値の詳細予測に加え、従来のはんだ、Ag焼結、新興のCu焼結を含むダイ・アタッチ方法について詳細に調査・分析しています。
主な掲載内容(目次より抜粋)
Report Summary
IDTechEx has observed a growing trend towards 800V platforms and beyond, driven by several automotive OEMs including GM, Hyundai, VW, and Lucid Motors. These platforms, operating at higher voltages, are enhancing efficiency by minimizing joule losses and enabling the downsizing of high-voltage cabling, thereby reducing weight. This transition is facilitated by the adoption of new technologies and materials, particularly silicon carbide (SiC) MOSFETs, which incorporate innovative thermal management techniques and materials such as double-sided cooling (DSC), advanced Ag sintered die-attach, alongside the use of high-performance thermal interface materials.
Moving from traditional silicon IGBTs to SiC MOSFETs also entails changes in thermal architecture design. Examples include the implementation of DSC, copper ribbon bonding, and direct liquid cooling to eliminate the need for thermal interface materials (TIMs).
In its report titled "Thermal Management for EV Power Electronics 2024-2034: Forecasts, Technologies, Markets, and Trends", IDTechEx offers a comprehensive market forecast for power electronics thermal management strategies, segmented by SiC MOSFET, Si IGBT, and GaN technologies. The report provides detailed projections for die-attach, substrate-attach, and TIM area, volume, and market value by SiC, Si, and GaN, as well as a breakdown of die-attach methods including traditional solders, Ag sintering, and emerging Cu sintering. Additionally, the report covers the market for liquid-cooled inverters, segmented by air, oil, and water-glycol cooling methods.
Power Electronics Thermal Material Evolution
As power semiconductors experience increased power density and heat flux, coupled with the transition from Si IGBT to SiC MOSFET, the thermal architecture of power semiconductor packaging is anticipated to undergo significant changes. The diagram provided illustrates the key layers of materials in power modules, comprising die-attach materials, substrate-attach materials, wire bonding, and thermal interface materials.
The semiconductor dies are affixed to a double-bonded ceramic (DBC) substrate using die-attach materials. Subsequently, the DBC is connected to a baseplate via another substrate-attach material. Communication between the dies and circuitry is facilitated through wire bonding, traditionally using aluminum but with a growing preference for copper. To ensure protection and stability, the package is potted with thermally conductive silicone gels.
Die-attach and substrate-attach materials
Die-attach and substrate-attach materials typically consist of solder alloys like SnPb or SAC (Sn-Ag-Cu). These alloys are chosen for their high bulk thermal conductivity, and upon soldering, they form intermetallics between components, resulting in low interfacial thermal resistance. This maintains low package stress and processing temperature while also mechanically fastening the heat sink. The typical thermal conductivity of solder alloys is around 50W/mK, with melting temperatures around 200°C.
However, as heat flux increases due to the transition from Si IGBT to SiC MOSFET, junction temperatures are expected to surpass 175°C, or even 200°C in some cases, posing challenges for traditional solders. This shift has led to a transition from solders to sintered die-attach materials. Some leading automotive OEMs, including Tesla, Hyundai, and BYD, have already begun adopting Ag-sintered die-attach materials. Nonetheless, Ag-sintered pastes are significantly more expensive than traditional solder alloys. While costs are influenced by customer relationships, order volume, and various other factors, IDTechEx estimates that Ag-sintered pastes can be 5 times more expensive than traditional solder alloys. In the short to medium term, it is expected that silver sintered paste will primarily be adopted by leading automotive OEMs due to their greater bargaining power with higher volumes to reduce costs. There is also scope for people to replace Cu-sintered die-attach thanks to their theoretically lower costs compared with Ag-sintered die-attach. However, as of 2024, IDTechEx has not seen any large-scale commercial examples of Cu-sintered die-attach materials. This report compares and analyzes the benefits and drawbacks of Ag and Cu-sintered die-attach, along with the market forecast of these two technologies. Despite the benefits of sintering, many semiconductor suppliers and automotive OEMs will remain with solder alloys due to their reduced cost and advances happening with their application.
TIM2:
TIM2 typically comes in two forms in EV power semiconductors: thermal grease, employed between the baseplate and the heatsink, and thermal gel, often utilized as potting materials. The market in 2024 sees thermal greases typically exhibiting a thermal conductivity between 2.5 and 3.5W/mK and a density of around 2.5g/ml. However, there have been advancements in TIMs, such as Honeywell's PTM7000 used in onsemi's VE-Trac, demonstrating a thermal conductivity of 6.5W/mK. IDTechEx predicts a trend towards higher thermal conductivity due to the increasing heat flux resulting from the adoption of SiC technology. Further to this, phase change materials (PCM) also gain significant momentum thanks to their superior latent heat capacity. The thermal impedance using PCM can reduce by over 50% compared with traditional thermal grease, although this largely depends on the materials used, configurations, and many other factors. The report benchmarks a number of commercial TIM2 options and conducts a granular analysis of their mechanical properties.
Power Electronics Cooling Strategy
The Thermal Management for EV Power Electronics report also summarizes the emerging trends in thermal architecture evolution. Take the two trends below as an example.
1. Double-sided cooling (DSC): Double-sided cooling has been implemented in some mid- to high-end electric vehicles, such as the Porsche Taycan and Audi e-tron. This approach offers superior cooling capacity where the junction temperature can be reduced by 40%. However, the adoption of double-sided cooling results in a more complicated and expensive design. In contrast to single-sided cooling, DSC replaces wire bonding with lead frames and may potentially double the amount of die attach and TIM used.
2. Direct liquid cooling: Another emerging trend is the transition from traditional cooling methods to direct liquid cooling, where the double-bonded copper (DBC) is directly affixed to a pin-fin structured heatsink. This configuration allows for the elimination of the cold plate and thermal grease.
Market Opportunities
The report forecasts that the combined market size of die-attach materials, substrate-attach materials, and TIM2 for EV power electronics will reach approximately US$900 million by 2034, presenting significant market opportunities. As thermal power continues to rise, it is expected that more advanced thermal management strategies will be adopted, thereby accelerating market growth at a double-digit Compound Annual Growth Rate (CAGR) from 2024 to 2034.
For a deeper understanding of the market opportunities, active players, competitive landscape, technology benchmarking, and recent market developments, readers are encouraged to refer to IDTechEx's latest report, "Thermal Management for EV Power Electronics 2024-2034: Forecasts, Technologies, Markets, and Trends".
Key aspects
This report provides critical market intelligence about the area, volume, weight, and market value of die-attached solders, substrates, and TIM2s for electric vehicle power electronics, in particular, Si IGBT, SiC MOSFET, and GaN.
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2024/06/28 10:26 162.07 円 173.83 円 207.48 円 |