الحوسبة
كربيد السليكون: تعزيز ثورة الطاقة الخضراء
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
صعود كربيد السليكون في عصر السليكون
في المستقبل البعيد جدًا، قد يشير المؤرخون إلى عصرنا باسم عصر السليكون. للوهلة الأولى، يبدو أن ذلك بفضل الشرائح السليكونية المتواجدة في كل مكان في حواسيبنا وهواتفنا الذكية وأجهزتنا، وربما قريبًا حتى أدمغتنا.
لكن هذا ليس الاستخدام الوحيد للسليكون، وهو مادة وفيرة توجد في الرمل العادي. بولي سيليكون هو المكوّن الأساسي لمعظم الألواح الشمسية، التي تقربنا من اقتصاد يعتمد على الطاقة الشمسية.
نوع جديد من المواد القائمة على السليكون يصبح مهمًا بنفس القدر، لكنه غالبًا ما يكون أقل معرفة لدى المستثمرين والجمهور العام: كربيد السليكون.
هذا الجمع بين السليكون والكربون يتفوق على السليكون وحده في بعض الخصائص الرئيسية:
- قدرة حقل كهربائي أعلى بـ 10 أضعاف، مما يجعله قادرًا على تحمل أحمال طاقة كبيرة جدًا.
- وبالتالي، يمكن أن تكون أجهزة كربيد السليكون أصغر وتتحول بين التشغيل والإيقاف بسرعة أكبر.
- قابلية توصيل حراري أعلى بـ 3 أضعاف مقارنةً بـ “السليكون العادي”، مما يسمح بتبديد الحرارة بسرعة أكبر عند تعرضه لشحنات عالية.
- خسائر أصغر بكثير تؤدي إلى كفاءة أعلى وإنتاج حرارة غير مرغوب فيه أقل.
بفضل هذه الخصائص، أصبح كربيد السليكون أساسيًا في أي تطبيق يتعامل مع الاستخدام عالي الطاقة والإلكترونيات: محولات شمسية، سيارات كهربائية، إمدادات طاقة صناعية، إلخ.
كربيد السليكون 101
كربيد السليكون، المعروف أيضًا باسم الكربورندوم أو SiC، يمكن العثور عليه طبيعيًا في النيازك، لكن نادرًا ما يوجد في أي مكان آخر على الأرض.
المادة تأتي بأشكال بلورية متعددة، حتى 200 بنية مختلفة، كل منها يمتلك خصائص كيميائية وفيزيائية مختلفة قليلاً.
عندما يتعلق الأمر بالتوصيل الكهربائي والحراري، يتفوق كربيد السليكون بشكل كبير على السليكون في جميع المقاييس تقريبًا.
إنتاج كربيد السليكون
إنتاج كربيد السليكون على نطاق واسع بسيط نسبيًا وتم تسجيل براءة اختراع له لأول مرة في عام 1893، باستخدام طريقة تُعرف بفرن الدفعة الكهربائية. تسخّن العملية مزيجًا من السيليكا (الرمل) والكربون (فحم الكوك) إلى درجات حرارة مرتفعة جدًا، عادةً بين 1,600°C-2,500°C (2,900°F-4,500°F).
النيتروجين والألمنيوم هما شوائب شائعة ناتجة عن عملية التصنيع هذه، لكنهما يؤثران على التوصيل الكهربائي لـ SiC.
الطرق البديلة، التي تُستخدم غالبًا في إنتاج المكونات الإلكترونية التي تتطلب مستويات نقاء أعلى، هي النقل البخاري الفيزيائي (PVT)، الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، أو النمو البلوري في الطور السائل (LPE).
تختلف هذه الطرق في طريقة توصيل كربيد السليكون، لكن جميعها تشترك في فكرة إنتاج بلورة أولية ثم نموها. تُقطع البلورة الكبيرة إلى شرائح رقيقة جدًا لتصبح رقائق كربيد السليكون، مشابهًا للطريقة التي تُصنع بها رقائق السليكون للإنتاج الإلكتروني.
بشكل عام، عملية تصنيع كربيد السليكون وسلسلة التوريد تشبه إلى حد كبير صناعة السليكون، مع وجود CVD، ورقائق، وما إلى ذلك.
نظرًا لأكثر من 200 شكل بلوري يمكن أن تتخذها المادة، تحتاج عملية الإنتاج إلى اختبار وحساب دقيق للإنتاج على نطاق واسع. عادةً ما تكون معلومات هذه العمليات مملوكة للشركات الفردية، لذا يلزم البحث والتطوير خلال المراحل الأولية لإنشاء عملية محددة لإنتاج كربيد السليكون.
نصف إنتاج كربيد السليكون العالمي يقع في الصين، ومن المتوقع أن تتضاعف القدرة الإنتاجية تقريبًا أربع مرات بين مستوى 2023 و2027.
أسواق كربيد السليكون
كربيد السليكون لا يزال سوقًا صغيرًا في عام 2024، بقيمة 4.2 مليار دولار فقط. ومع ذلك، من المتوقع أن ينمو بسرعة هائلة بمعدل نمو سنوي مركب 34.5%، ليصل إلى 80.2 مليار دولار بحلول عام 2034.
تطبيقات الطاقة (وحدات SiC) هي التي من المتوقع أن يأتي منها معظم النمو، مما يدفع الطلب العام على كربيد السليكون للارتفاع.
يمكن تقسيم السوق إلى كربيد السليكون الأسود (مع شوائب معدنية) وكربيد السليكون الأخضر (SiC عالي النقاء).
يُنتج كربيد السليكون الأسود في الغالب للاستخدام كمواد كاشطة رخيصة، بينما يُستخدم كربيد السليكون الأخضر أو الإنتاج المباشر للبلورات (“أنواع أخرى”) كمادة خام للتطبيقات عالية التقنية.
في تطبيقات الطاقة، من المتوقع أن تكون السيارات الكهربائية وغيرها من المركبات الخضراء (الهجينة، خلايا الوقود، إلخ) هي الدافع الرئيسي لزيادة الطلب على كربيد السليكون.
| القطاع | استخدام SiC | الفائدة |
|---|---|---|
| المركبات الكهربائية | محولات، شواحن، التحكم في الطاقة | كفاءة أعلى، مدى أكبر، شحن سريع |
| الطاقة الشمسية | محولات قائمة على SiC | كفاءة متزايدة، مساحة أصغر |
| الفضاء | دروع حرارية، مرايا | مقاومة حرارية، تمدد منخفض |
| الروبوتات ومراكز البيانات | الإلكترونيات القوية، محركات | خسارة طاقة أقل، تصغير |
| الدفاع والسلامة | صفائح دروع، أنظمة فرامل | صلابة، مقاومة للحرارة والصدمات |
تطبيقات كربيد السليكون
كربيد السليكون في المركبات الكهربائية
بلا شك، التطبيق الأهم لكربيد السليكون في العقد القادم هو الإلكترونيات القوية، حيث يكون هذا المادة لا يمكن الاستغناء عنها.
أكبر قسم فرعي في هذه الفئة هو السيارات الكهربائية، المتوقع أن تنمو بنسبة 31% سنويًا. لا يقتصر وجود SiC على الإلكترونيات القوية ووحدات التحكم فحسب، بل يتواجد أيضًا في البطارية، نظام المراقبة، والشواحن، سواء في السيارة أو محطة الشحن.
في عام 2023 بالفعل، تم إثبات أن محول كربيد السليكون يمكنه زيادة مدى السيارة الكهربائية بنسبة 7%. ومنذ ذلك الحين، بدأت العديد من تصاميم السيارات الكهربائية الحديثة في دمج المزيد من مكونات SiC.
قد يكون نمو الطلب من قطاع السيارات الكهربائية أقل تقديرًا في حالة التحول إلى الكهرباء للمركبات الثقيلة مثل الشاحنات، التي ستحتاج إلى نظام شحن أقوى بكثير وعدد كافٍ من حزم البطاريات لتشغيل عشرات السيارات الكهربائية.
كربيد السليكون أيضًا أساسي للمُسرّعات “السوبر تشارجر”، وهو مفتاح لحل نقطة المقاومة في تبني السيارات الكهربائية، بهدف تقليل وقت الشحن إلى دقائق قليلة.
يجب أن يساعد انخفاض الإجهاد الحراري وتوفير الطاقة بشكل أكثر استقرارًا على إطالة عمر البطاريات.
دور كربيد السليكون في الطاقة الخضراء والطاقة الشمسية
يمكن لمحولات القائمة على SiC للطاقة الشمسية أن تصل إلى كفاءة تصل إلى 99%، مقارنةً بالمحولات التقليدية القائمة على السليكون التي تصل إلى 96-98% فقط. وعلى الرغم من أن الفارق يبدو صغيرًا، إلا أنه يمكن أن ينتج عنه كمية كبيرة من الطاقة الإضافية على مدى عمر نظام الطاقة الشمسية.
كربيد السليكون أيضًا أكثر مقاومة للحرارة، قادرة على تحمل درجات حرارة تصل إلى 300° مئوية، بينما تكون الأجهزة السليكونية عادةً محدودة بـ 150°C، و10 أضعاف الجهد.
بشكل عام، محولات SiC أكثر كفاءة، أكثر متانة، أصغر، وأرخص من المحولات القديمة القائمة على السليكون.
استخدامات عالية التقنية أخرى لكربيد السليكون
يُستخدم كربيد السليكون أيضًا بشكل متزايد في العديد من التطبيقات مثل الروبوتات، حيث تسمح الأداء المتفوق لـ SiC بأن تكون محركات الدفع أصغر وتُوضع مباشرة في المفاصل، مما يقلل بشكل كبير من التعقيد والأسلاك المطلوبة.
كما يزداد أهميتها في مراكز البيانات، حيث تتطلب الشرائح المتزايدة القوة والطلب المتزايد على الطاقة من الذكاء الاصطناعي إمدادات طاقة وتحكم أقوى مما يمكن أن يقدمه السليكون.
اُستخدم بلورة كربيد السليكون في إنشاء أول صمام ضوئي (LED) في عام 1907. ثم تم تصنيعها على نطاق واسع في كل من الدول الغربية والاتحاد السوفيتي في السبعينيات والثمانينيات. لاحقًا حلت محلها نيتريد الغاليوم، الذي ينتج ضوءًا أكثر سطوعًا بـ 10-100 مرة، مما أدى إلى اعتماد الصمامات الضوئية على نطاق واسع اليوم.
ومع ذلك، لا يزال يُستخدم SiC في الصمامات الضوئية، كركيزة تُرصى عليها نيتريد الغاليوم، ولتوزيع الحرارة في الصمامات الضوئية القوية.
المواد الكاشطة
يُعد SiC مادة صلبة جدًا، مما يجعله مفيدًا ككاشط في عجلات الطحن، ورق الصنفرة، وغيرها من المنتجات الكاشطة لطحن مواد مثل المعادن والسيراميك. عادةً ما يُستخدم SiC الأسود منخفض الجودة، الأرخص، والغني بالشوائب لهذه التطبيقات.
تُستخدم درجات أعلى من SiC في أدوات القطع، مستفيدةً من الصلابة العالية جدًا لهذه المادة، لكن مع نقاء أعلى يجعلها أقوى وأقل هشاشة.
المواد الوقائية
يجعل الجمع بين الصلابة العالية والمقاومة الحرارية SiC مهمًا في تطبيقات أخرى. عادةً ما يُضغط (يذوب جزئيًا) إلى سيراميك صلب.
إحدى التطبيقات هي إنتاج صفائح دروع سيراميكية مضادة للرصاص، خاصةً الصفائح في الدروع الشخصية، حيث يسيطر SiC على 27% من السوق، وكذلك في دروع المروحيات.
تُستخدم هذه السيراميك المقواة أيضًا في فرامل السيارات ومقابض القابض.
تُستخدم سيراميك كربيد السليكون أيضًا في تطبيقات الفضاء، على سبيل المثال، في الطبقة الخارجية للحماية الحرارية لدرع الحرارة القابل للنفخ LOFTID التابع لناسا.
تطبيق آخر يركز على الفضاء لـ SiC هو إنتاج التلسكوبات الفلكية، حيث يتيح الترسيب الكيميائي للبخار تصنيع قرص كبير من SiC يُستخدم كمرآة في التلسكوبات. يمكن أيضًا استخدام التمدد الحراري المنخفض كإطار للآلات الدقيقة جدًا في التلسكوبات.
التحفيز الكيميائي
تُعد التفاعلية العالية لكربيد السليكون مع الكهرباء سببًا في اعتباره مرشحًا محتملًا لأشكال جديدة من التحفيز الكهربي. عادةً ما تعتمد هذه التفاعلات على نوع من بلورات كربيد السليكون يُسمى كربيد السليكون المكعب، والذي يمتلك مساحة سطحية أكبر.
على سبيل المثال، تم اكتشاف مؤخرًا أنه مرشح جيد لتحسين التحفيز الضوئي لإنتاج الهيدروجين، أو لتقسيم الماء مباشرة إلى هيدروجين باستخدام ضوء الشمس.
يمكن أيضًا استخدام كربيد السليكون المكعب كدعم محفز لأكسدة الهيدروكربونات.
أخيرًا، يمكن استخدام كربيد السليكون لتصنيع أشباه موصلات الجرافين.
الطاقة النووية
يتمتع كربيد السليكون بقدرة قوية جدًا على امتصاص النيوترونات، لذا يُستخدم كغلاف للوقود النووي، وكذلك لاحتواء النفايات النووية.
تُستخدم حساسات SiC لمراقبة مستويات الإشعاع في المنشآت النووية وتطبيقات الكشف عن الإشعاع الأخرى (البيئة، المجال الطبي، إلخ).
مقاومة SiC للإشعاع والتقلبات الحرارية تجعله مادة جيدة للمفاعلات النووية الموجهة إلى الفضاء، مجال متنامٍ مع خطط ناسا ودول أخرى للقمر وربما قواعد على المريخ.
المجوهرات
بلورة تعتمد على الكربون، يشترك SiC في العديد من الخصائص مع الألماس (الكربون النقي)، ويُعرف باسم “الموسانيت الصناعي” في المجوهرات. يمكن بسهولة الخلط بينها وبين الألماس.
تخفيف مخاطر المعادن النادرة باستخدام SiC
مع اضطراب حروب التجارة والرسوم والعقوبات لعلاقات التجارة بين الولايات المتحدة والصين، يواجه قطاع السيارات مشكلة خطيرة جدًا تتمثل في احتمال نفاد المواد النادرة المصنوعة في الصين، مع إغلاق شركة فورد لمصنع على سبيل المثال.
“إنه يوم بيوم. اضطررنا إلى إغلاق المصانع. الوضع الآن على حد الفم واليد.”
جيم فارلي – الرئيس التنفيذي لشركة فورد
هذا مجال يمكن أن يساعد فيه SiC، بفضل كربيد السليكون الذي يسمح بمحركات متزامنة مُثارة بشكل منفصل، مما يلغي الحاجة إلى المغناطيسات الدائمة التي تتطلب معادن نادرة.
لذا، بينما قد تتعرض أعمال كربيد السليكون للضرر إذا تم تعطيل سلسلة إمداد السيارات الكهربائية بشدة، قد يتم اعتماد منتجاتها على نطاق أوسع في تصاميم السيارات الكهربائية الجديدة في المستقبل، لتقليل الاعتماد على إمدادات المعادن النادرة الصينية.
الخلاصة
كربيد السليكون ليس مادة جديدة، لكن الإنتاج الضخم للإلكترونيات فائقة النقاء والصغيرة المصنوعة منه، ذات الخصائص الكهربائية المتفوقة بشكل كبير، هو ما يجعله مميزًا.
لقد فتح الباب للعديد من التطبيقات الجديدة، التي تُعتمد حاليًا على نطاق واسع لاستبدال الخيارات القديمة القائمة على السليكون في مجموعة واسعة من الصناعات سريعة النمو، خاصةً في مجال السيارات الكهربائية والطاقة الشمسية.
كلما زادت صناعات العالم وانتقل النقل إلى الكهرباء، زاد الحاجة إلى كربيد السليكون، حيث يتطلب الطلب المتزايد على الطاقة شواحن أقوى، وبطاريات، ووحدات تحكم للمساعدة في الشحن السريع والآمن، وبطاريات أكثر متانة، إلخ.
إلى جانب هذه التطبيقات، من المحتمل أن يؤدي الإنتاج الضخم لـ SiC وتحسين طرق الإنتاج إلى خفض تكاليفه. وبالتالي، من المرجح أن تبدأ تطبيقات أخرى مثل الدروع، ودرع الحرارة، والفضاء، والأدوات في اعتماد SiC بشكل أكبر.
أخيرًا، لا تزال مجالات تطبيقية محتملة جديدة تتفتح، لا سيما إمكانية استخدام كربيد السليكون لإنتاج الهيدروجين الأخضر.
بشكل عام، من المرجح أن يصبح كربيد السليكون مادة أكثر شهرة لدى الجمهور العام في المستقبل. مع توقع معدل نمو سنوي مركب يتراوح بين 20-30% للعقد القادم، قد يرغب المستثمرون في إيلاء الانتباه لهذا الجزء الصغير لكنه سريع النمو من صناعة أشباه الموصلات.
شركات كربيد السليكون
ON Semi
ON مخطط السعر
ON Semi هي شركة أشباه موصلات متخصصة في الكهربة، بما في ذلك في قطاع السيارات، وكذلك في قطاعات أخرى مثل الطاقة الشمسية، والبطاريات، والفضاء، والاتصالات، ومراكز البيانات، والطب.
وبالتالي، هي شريك رئيسي للعديد من أكبر الشركات الصناعية في العالم.
جزء كبير من ميزة ON Semi التكنولوجية يعتمد على كربيد السليكون, خاصةً في حالة الأحمال الكهربائية العالية جدًا المطلوبة لشحن السيارات الكهربائية بسرعة.
استراتيجية ON Semi للتركيز المتزايد على كربيد السليكون أدت إلى تحقيق الشركة لارتفاع هائل في الإيرادات خلال السنوات القليلة الماضية، مدفوعًا بثورة السيارات الكهربائية.
تُعد حساسات كربيد السليكون أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وتعمل بشكل أفضل في الإضاءة المنخفضة، وهو ما سيكون حاسمًا لبناء سيارات ذاتية القيادة آمنة.
تُستخدم منتجات كربيد السليكون من ON Semi أيضًا في جميع أحجام تركيبات الطاقة الشمسية، ومراكز البيانات، وحساسات من جميع الأنواع (الموجات فوق الصوتية، والكيميائية الكهربائية، مثل مراقبة سكر الدم، واكتشاف الأجسام المعدنية).
مع استغلال اتجاه الكهربة، تتحكم ON Semi في 10% من إيرادات SiC العالمية، وتُعد واحدة من الشركات الرائدة في أمريكا الشمالية في هذا القطاع، وتتنافس مع الشركات الأوروبية Infineon (IFNNY) وشركة أشباه الموصلات الأوسع STMicroelectronics (STM ).
مع إعادة توطين سلاسل التوريد الصناعية الغربية بعيدًا عن الإمدادات الصينية، من المحتمل أن تستفيد ON Semi بشكل كبير من اتجاه الكهربة، خاصةً في السيارات الكهربائية وغيرها من مصادر الطاقة الخضراء.
(يمكنك أيضًا قراءة مقال أطول حول هذه الشركة في “On Semiconductor (ON): كربيد السليكون يدعم الكهربة”.)
AEHR مخطط السعر
Aehr هي شركة أشباه موصلات متخصصة في كربيد السليكون.
بشكل أكثر تحديدًا، تنتج الشركة معدات لاختبار رقائق كربيد السليكون. وهذا يمنحها حضورًا في قطاع السيارات الكهربائية، والهواتف الذكية، ورقائق الحواسيب، والفوتونيات/الاتصالات.
يجعل هذا من Aehr شركة متخصصة جدًا وتقنية، ومكونًا حيويًا في سلسلة التوريد. وتدعي أنها “في طريقها لتصبح المعيار الصناعي لخطوة تصنيع حاسمة لأشباه موصلات كربيد السليكون القوية”.
كما تعمل Aehr بنشاط على تطوير أسواق جديدة، لا سيما سوق حرق نيتريد الغاليوم، المستخدم في تطبيقات الطاقة العالية مثل محولات الطاقة الضوئية، مما يجعلها حاضرة في كل من البدائل للإلكترونيات القوية القائمة على السليكون.
يوفر هذا لـ Aehr قاعدة عملاء متنوعة جدًا، تشمل أبرز الشركات في صناعة أشباه الموصلات وصناعة الأدوات، بما في ذلك TSMC، Texas Instruments (TXN ) ، Seagate، Nvidia (NVDA ) ، Cisco، Qualcomm (QCOM ) ، وBosch.
قد تستفيد الشركة بشكل كبير من القطاعات الجديدة الناشئة في صناعة أشباه الموصلات، مثل الفوتونيات السليكونية.
في الوقت نفسه، من خلال شغلها ل niche صغير ومهم (اختبار كربيد السليكون) داخل niche آخر في سلسلة إمداد السيارات الكهربائية (الإلكترونيات القوية لكربيد السليكون)، فإن Aehr في موقع جيد للاستفادة من نمو حجم إنتاج السيارات الكهربائية، بغض النظر عن أحدث تقنيات البطاريات أو طراز السيارة أو تغيير معايير مقبس الشحن.
بعد ارتفاع هائل في سعر السهم في عام 2023، في ذروة الحماس لأي سهم مرتبط بالسيارات الكهربائية، عادت الشركة الآن إلى تقييم أكثر معقولية وتمثل خيار “أدوات ومجارف” للمستثمرين في قطاع كربيد السليكون.
