PCBニュース - 自動車用パワーチップのダイナミクス

人工知能データセンターが広く注目を集める一方で、自動車の電動化はパワーエレクトロニクス企業にとって依然として非常に有望な長期的な収益機会となっています。

新エネルギー車（xEV）業界は、初期の急速な発展を経て、「実地試験」に直面しています。2024年から2025年にかけて、業界は変化の局面を迎え、バッテリー電気自動車（BEV）の販売台数も引き続き増加したものの、一時的にハイブリッド電気自動車（HEV）／プラグインハイブリッド電気自動車（PHEV）分野へとシフトしました。長期的には、xEVの生産台数は2桁の年平均成長率（CAGR）で成長し、2031年には6,960万台に達し、世界の小型車生産台数の約70%を占めると予測されています。同時に、xEVパワートレイン市場規模は145億ドルに達し、2025年から2031年にかけて年平均成長率（CAGR）13.8%で成長すると予測されています。

市場構造の観点から見ると、2021年から2031年にかけて、xEVパワートレインの売上高の大部分はメインインバーターが占める見込みです。2025年には、パワーモジュールが市場全体の約84%を占め、この割合は2031年まで高い水準を維持すると予想されます。シリコンベースのIGBTモジュールは引き続き市場を牽引するでしょうが、炭化ケイ素（SiC）は着実に市場シェアを伸ばしています。メインインバーターは重要な競争分野であり、トラクションインバーターに使用されるSiC MOSFETはIGBTの約2倍のペースで成長しています。パワーSiCデバイス市場の力強い成長は、主にバッテリー式電気自動車（BEV）のトラクションインバーターへの応用によって牽引されており、SiCベースのBEV市場は中国がリードしています。グローバルOEM各社が複数の新プラットフォームを投入するにつれ、SiCの応用範囲は中国以外にも拡大しています。しかし、基板コストの急速な低下が市場全体の成長を部分的に相殺し、平均販売価格（ASP）の低下につながっています。さらに、GaN HEMTは現在最も急速に成長している技術ですが、シリコンやSiCデバイスと比較すると市場シェアは依然として小さいままです。

図　高周波基板

サプライチェーン面では、xEVサプライチェーンは垂直統合を中心に統合と地域化が進んでいます。特に、中国の自動車メーカーはトラクションインバーターや電動駆動アクスルの生産を自社で行うケースが増えており、既存サプライヤーはM&Aを通じて統合を進めています。BYD傘下のFinDreamsやHuaweiなど一部のメーカーは様々なパワーエレクトロニクス機能を単一システムに統合していますが、OBC（オンボードチャージャー）/DC-DC（直流-直流コンバーター）市場は依然として主に独立系サプライヤーによって支えられています。自動車部品サプライヤーとOEMは、パワー半導体に関してマルチサプライヤー戦略をますます推進しています。同じ部品や技術に複数のサプライヤーを使用することで、サプライチェーンのリスクを軽減し、回復力を向上させ、単一のサプライヤーへの依存を回避できます。OEM、IDM（統合デバイスメーカー）、OSAT（アウトソーシング半導体テストおよびアセンブリシステム）、R&Dラボ、スタートアップなどの新規参入者が、標準化、マルチソース設計、独自の差別化設計の間で競争が繰り広げられているパワーモジュール事業に継続的に参入しています。中国はバリューチェーンにおける自主性を着実に高めており、エンドシステムおよびウェハ/コンバータ製造では相対的な成熟度を達成していますが、フロントエンドチップ製造ではさらなる発展が必要です。中国のパワーデバイスメーカーの台頭は、巨大な国内電気自動車市場などの要因によるものです。さらに、業界の統合と国境を越えた取引が加速しています。例えば、ダンフォスはセミミクロン・ダンフォスを完全買収し、ボッシュ、ルネサス、ロームはいずれも過剰生産能力に直面し、炭化ケイ素製造体制の見直しを進めています。業界が技術検証から生産能力の確保と大規模生産へと移行するにつれ、ライセンス契約や提携も増加しています。

技術レベルでは、電圧の上昇、ワイドバンドギャップ技術の応用、そしてより深い集積化が、電気自動車のパワーエレクトロニクスを再構築しています。バッテリー電圧が400Vから800/1000Vへと進化したことは、パワーエレクトロニクススタック全体におけるデバイスの電圧定格、パッケージング、熱設計を大きく変える重要な要因となっています。システム統合は加速しており、個々のコンポーネントから統合システムへと移行し、パワートレイン統合からシャーシシステムとのクロスドメイン統合へと拡大し始めています。炭化ケイ素（SiC）は、特に800/1000V車両において、高性能バッテリー電気自動車（BEV）トラクションインバータの主要技術であり続けています。シリコンベースのIGBTは、コスト重視のハイブリッド電気自動車（HEV）、プラグインハイブリッド電気自動車（PHEV）、エントリーレベルのバッテリー電気自動車（BEV）分野で主流となっています。窒化ガリウム（GaN）の最近の開発機会は、主に車載バッテリーコントローラ（OBC）とDC/DCコンバータに集中しており、トラクションインバータへの応用は、高電圧デバイスの入手可能性と信頼性の検証によって依然として制限されています。シングルステージトポロジを採用したGaNベースのOBCは、GaNアプリケーションにおける次の大きな波になると予想されています。パワーモジュールパッケージは、インダクタンスの低減、熱管理の改善（両面冷却、Si3N4基板、銀焼結）、エポキシオーバーモールドへと進化しており、コスト重視の「十分」なアプローチが、性能重視の「優れている」設計に取って代わり、市場で受け入れられつつあります。組み込みチップパッケージ技術は将来有望ですが、まだ未成熟であり、高電圧（≥600V）ソリューションはまだ量産されていません。チップあたりのコスト削減と生産規模の拡大を目指し、ウェハ技術はより大型の直径へと移行しており、シリコンウェハは300mm、炭化ケイ素ウェハは200mm、窒化ガリウムシリコンウェハは300mmに達している。しかしながら、炭化ケイ素および窒化ガリウムデバイスメーカーは、ウェハの欠陥や歩留まりといった課題を克服するために、依然として努力を重ねる必要がある。