Computing
Siliciumcarbid: Materialet bag revolutionen inden for ren energi
Føj Securities.io til dine foretrukne kilder på Google
Siliciumcarbidets fremmarch i siliciumalderen
I en fjern fremtid vil historikere måske kalde vores tid for siliciumalderen. Ved første øjekast skyldes det de allestedsnærværende siliciumchips i computere, smartphones, husholdningsapparater og måske snart endda i vores hjerner.
Men silicium, som findes i store mængder i almindeligt sand, har mange andre anvendelser. Polysilicium er grundbestanddelen i de fleste solpaneler, som bringer os tættere på en økonomi baseret på solenergi.
Et andet siliciumbaseret materiale bliver lige så vigtigt, men er mindre kendt blandt investorer og offentligheden: siliciumcarbid.
Denne forbindelse af silicium og kulstof er bedre end rent silicium på flere vigtige områder:
- Omkring ti gange højere tolerance over for elektriske felter, så materialet kan håndtere meget store effektbelastninger.
- Derfor kan komponenter af siliciumcarbid være mindre og tænde og slukke hurtigere.
- Omkring tre gange så høj varmeledningsevne som almindeligt silicium, så varme kan bortledes langt hurtigere ved høj effekt.
- Lavere tab giver større effektivitet og mindre uønsket varmeudvikling.
Disse egenskaber har gjort siliciumcarbid vigtigt i effektelektronik til blandt andet solcelleinvertere, elbiler og industrielle strømforsyninger.
Grundlæggende om siliciumcarbid
Siliciumcarbid, også kaldet carborundum eller SiC, findes naturligt i visse meteoritter, men forekommer næsten ikke naturligt på Jorden.
Kilde: Global IMI
Materialet kan danne mere end 200 krystalpolytyper, som hver har lidt forskellige kemiske og fysiske egenskaber.
Kilde: MRF
På flere parametre, der er vigtige for effektelektronik, herunder elektrisk feltstyrke, båndgab og varmeledningsevne, klarer siliciumcarbid sig bedre end silicium.
Kilde: MRF
Produktion af siliciumcarbid
Masseproduktion af siliciumcarbid er forholdsvis enkel og blev første gang patenteret i 1893 med en elektrisk batchovn. Processen opvarmer en blanding af silica, altså sand, og kulstof fra kokskul til typisk 1.600–2.500 °C.
Kvælstof og aluminium er almindelige urenheder fra fremstillingen, og de påvirker SiC’s elektriske egenskaber.
Til elektroniske komponenter med højere krav til renhed anvendes blandt andet fysisk damptransport (PVT), kemisk dampaflejring (CVD) og væskefaseepitaksi (LPE).
Metoderne tilfører siliciumcarbid på forskellige måder, men bygger alle på at fremstille en kimkrystal og lade den vokse. Den store krystal skæres derefter i meget tynde SiC-wafere på samme måde som siliciumwafere til elektronik.
Kilde: MRF
Samlet set ligner fremstillingsprocessen og forsyningskæden for siliciumcarbid siliciumindustrien med blandt andet CVD og waferbearbejdning.
Da materialet kan danne mere end 200 krystalpolytyper, skal processen afprøves og finjusteres til storskalaproduktion. Procesoplysningerne er normalt virksomhedsejede, så der kræves omfattende forskning og udvikling ved etablering af en ny SiC-proces.
Omkring halvdelen af verdens produktion af siliciumcarbid ligger i Kina, og kapaciteten ventes næsten firedoblet fra 2023 til 2027.
Kilde: McKinsey
Markeder for siliciumcarbid
Markedet for siliciumcarbid var stadig relativt lille i 2024 med en værdi på 4,2 mia. dollar. Det forventes dog at vokse med en årlig vækstrate på 34,5 % og nå 80,2 mia. dollar i 2034.
Kilde: Markets & Markets
Størstedelen af væksten ventes at komme fra effektanvendelser og SiC-moduler, hvilket vil øge den samlede efterspørgsel.
Markedet kan opdeles i sort siliciumcarbid med metalurenheder og grønt siliciumcarbid med høj renhed.
Sort siliciumcarbid fremstilles især til billige slibemidler, mens grønt SiC og direkte dyrkede krystaller er råmaterialer til højteknologiske anvendelser.
Kilde: Global Market Insights
I effektelektronik ventes elbiler og andre lavemissionskøretøjer som hybrider og brændselscellebiler at drive en stor del af efterspørgslen efter SiC.
Kilde: McKinsey
| Sektor | Anvendelse af SiC | Fordel |
|---|---|---|
| Elbiler | Invertere, opladere og effektstyring | Højere effektivitet, rækkevidde og hurtig opladning |
| Solenergi | SiC-baserede invertere | Højere effektivitet og mindre pladsbehov |
| Rumfart | Varmeskjolde og spejle | Varmebestandighed og lav udvidelse |
| Robotteknologi og datacentre | Effektelektronik og motordrev | Lavere effekttab og mindre komponenter |
| Forsvar og sikkerhed | Panserplader og bremsesystemer | Hårdhed samt modstandsdygtighed mod varme og slag |
Anvendelser af siliciumcarbid
Siliciumcarbid i elbiler
I det kommende årti ventes effektelektronik at blive siliciumcarbids vigtigste anvendelse, hvor materialets egenskaber giver klare fordele.
Elbiler er det største delmarked og ventes at vokse med omkring 31 % om året. SiC bruges i effektelektronik, styreenheder, batteriovervågning og opladere både i bilen og på ladestationen.
Kilde: EV Mechanica
Allerede i 2023 viste en undersøgelse, at en inverter af siliciumcarbid kan øge en elbils rækkevidde med mere end 7 %. Siden da er flere SiC-komponenter blevet indarbejdet i mange nye elbildesign.
Efterspørgslen fra elbiler kan være undervurderet, hvis tunge køretøjer som lastbiler elektrificeres hurtigt, fordi de kræver kraftigere ladesystemer og store batteripakker.
Siliciumcarbid er også vigtigt i højtydende hurtigladere, der skal reducere opladningstiden til få minutter.
Lavere termisk belastning og en mere stabil strømforsyning kan også forlænge batteriets levetid.
Siliciumcarbid i ren energi og solenergi
SiC-baserede invertere til solenergi kan nå en effektivitet på op til 99 %, mens traditionelle siliciuminvertere typisk ligger på 96–98 %. Den lille forskel kan give en betydelig mængde ekstra energi gennem et solcelleanlægs levetid.
Siliciumcarbid tåler også langt højere temperaturer; det kan fungere ved op til 300 °C, mens siliciumkomponenter normalt er begrænset til omkring 150 °C og tåle et cirka ti gange højere elektrisk felt.
Samlet set kan SiC-invertere være mere effektive, holdbare og kompakte; om de også er billigere, afhænger af design og produktionsskala.
Andre højteknologiske anvendelser af siliciumcarbid
Siliciumcarbid anvendes også i stigende grad i robotteknologi. Den høje effekttæthed gør det muligt at gøre motordrev mindre og placere dem direkte ved leddene, så kompleksitet og kabelføring reduceres.
Kilde: Arrow
SiC-komponenter får også større betydning i datacentre, hvor kraftigere chips og AI-arbejdsbelastninger øger behovet for effektive strømforsyninger og styreelektronik.
I 1907 blev en siliciumcarbidkrystal brugt i en af de første demonstrationer af lys fra en faststofkomponent. SiC-LED’er blev masseproduceret i vestlige lande og Sovjetunionen i 1970’erne og 1980’erne, men blev senere afløst af langt lysere LED’er af galliumnitrid.
SiC bruges dog stadig som substrat for galliumnitrid og til at bortlede varme i højeffekt-LED’er.
Slibemidler
SiC er meget hårdt og bruges derfor som slibemiddel i slibeskiver, sandpapir og andre produkter til bearbejdning af metal og keramik. Her anvendes normalt billigere sort SiC med flere urenheder.
SiC af højere kvalitet bruges i skæreværktøj, hvor hårdheden og de bedre mekaniske egenskaber er en fordel.
Beskyttelsesmaterialer
Kombinationen af høj hårdhed og varmebestandighed gør også SiC vigtigt i andre anvendelser. Materialet sintres normalt til hård keramik.
En anvendelse er keramiske ballistiske plader, især til personligt kropspanser; SiC har ifølge markedsdata en andel på omkring 27 % af dette marked; det anvendes også i panser til helikoptere.
Den hærdede keramik bruges desuden i bilers bremser og koblinger.
Siliciumcarbidkeramik bruges også i rumfart, eksempelvis i det ydre varmebeskyttelseslag på NASA’s oppustelige LOFTID-varmeskjold.
En anden rumrelateret anvendelse er astronomiske teleskoper. Kemisk dampaflejring kan bruges til at fremstille store SiC-skiver til spejle, og den lave varmeudvidelse er nyttig i teleskopernes meget præcise mekanik.
Kemisk katalyse
Siliciumcarbids elektroniske egenskaber gør materialet interessant til nye former for elektrokatalyse. Forskningen fokuserer ofte på kubisk siliciumcarbid, som kan give et større aktivt overfladeareal.
Nyere forskning har eksempelvis peget på materialet som en lovende kandidat til forbedret fotokatalytisk brintproduktion, hvor sollys spalter vand direkte.
Kubisk siliciumcarbid kan også bruges som katalysatorbærer ved oxidation af kulbrinter.
Endelig kan siliciumcarbid bruges til at dyrke grafenhalvledere.
Atomenergi
Siliciumcarbid er meget modstandsdygtigt over for stråling og høje temperaturer og kan derfor anvendes i beklædning til nukleart brændsel og materialer til indeslutning af atomaffald.
SiC-sensorer bruges til at overvåge strålingsniveauer i atomanlæg og i andre miljø- og medicinske strålingsdetektorer.
SiC’s modstandsdygtighed over for stråling og temperatursvingninger gør materialet interessant til rumfartsbaserede atomreaktorer; NASA’s og andre landes planer om baser på Månen og muligvis Mars øger forskningen på området
Smykker
Fordi SiC indeholder kulstof, har det visse visuelle ligheder med diamant. I smykker kaldes det syntetisk moissanit og kan forveksles med diamant af ikke-specialister.
Kilde: MRF
Mindre risiko fra sjældne jordarter med SiC
Handelskrige, told og sanktioner forstyrrer handelen mellem USA og Kina, og bilindustrien risikerer alvorlig mangel på kinesiske sjældne jordarter; eksempelvis standsede Ford produktionen på en fabrik af den grund.
»Situationen ændrer sig fra dag til dag. Vi har været nødt til at lukke fabrikker. Lige nu har vi kun forsyninger til det umiddelbare behov.«
Jim Farley — administrerende direktør for Ford
Effektiv SiC-effektelektronik kan understøtte separatmagnetiserede synkronmotorer, så behovet for permanente magneter med sjældne jordarter reduceres.
SiC-virksomheder kan blive ramt, hvis forsyningskæden for elbiler forstyrres alvorligt. Omvendt kan SiC-effektelektronik få større udbredelse i nye køretøjer for at mindske afhængigheden af kinesiske sjældne jordarter.
Konklusion
Siliciumcarbid er ikke et nyt materiale; det nye er masseproduktion af meget rene og små elektroniske komponenter, der udnytter dets stærke elektriske egenskaber.
Det har åbnet for mange nye anvendelser, og SiC erstatter i stigende grad ældre siliciumløsninger i hurtigt voksende brancher, især elbiler og solenergi.
Efterhånden som industri og transport elektrificeres, kan efterspørgslen efter siliciumcarbid stige til højeffektladere, invertere og styreenheder.
Større produktion og bedre processer kan sænke omkostningerne ved SiC. Det kan føre til mere udbredt brug i panser, varmeskjolde, rumfart og værktøj.
Der åbner sig fortsat nye anvendelser, blandt andet siliciumcarbid til produktion af brint med lave emissioner.
Samlet set kan siliciumcarbid blive langt bedre kendt i offentligheden. Med udsigt til høj vækst i det kommende årti kan investorer holde øje med dette lille, men hurtigt voksende område af halvlederindustrien.
Virksomheder inden for siliciumcarbid
ON Semi
ON Prisdiagram
ON Semiconductor er en halvledervirksomhed med fokus på elektrificering, blandt andet i biler, solenergi, batterier, rumfart, telekommunikation, datacentre og medicinske anvendelser.
Virksomheden er derfor en vigtig leverandør til mange af verdens største industrikoncerner.
Kilde: ON Semi
En stor del af ON Semiconductors teknologiske fordel bygger på siliciumcarbid, især til den meget høje effekt, der kræves ved hurtig opladning af elbiler.
Virksomhedens store investeringer i siliciumcarbid og væksten i elbilmarkedet har bidraget til den kraftige omsætningsstigning i de seneste år.
Kilde: ON Semi
Virksomhedens sensorer er udviklet med fokus på energieffektivitet og god ydeevne i svagt lys, hvilket er vigtigt for avancerede førerassistentsystemer og selvkørende biler.
ON Semiconductors SiC-produkter bruges i solcelleanlæg af alle størrelser og i datacentre. Virksomheden fremstiller også ultralyds-, elektrokemiske og metalregistrerende sensorer.
Med elektrificeringens fremmarch står ON Semiconductor for omkring 10 % af den globale SiC-omsætning. Det er en førende nordamerikansk producent og konkurrerer med Europas Infineon (IFNNY) og STMicroelectronics, som har en bredere halvlederportefølje (STM ).
Kilde: McKinsey
Når vestlige forsyningskæder flytter produktion væk fra Kina, kan ON Semiconductor få gavn af elektrificering inden for elbiler og lavemissionsenergi. Cyklisk efterspørgsel efter halvledere og hård konkurrence er dog væsentlige investeringsrisici.
(Du kan også læse en mere omfattende analyse af virksomheden i »ON Semiconductor (ON): Siliciumcarbid driver elektrificeringen«.)
AEHR Prisdiagram
Aehr er en virksomhed med speciale i testudstyr til halvledere af siliciumcarbid.
Virksomheden fremstiller udstyr til test af siliciumcarbidwafere og har dermed indirekte eksponering mod elbiler, smartphones, computerchips samt fotonik og telekommunikation.
Kilde: Aehr
Det gør Aehr til en vigtig leverandør i en smal og teknisk del af forsyningskæden. Virksomheden siger, at den er »på vej til at blive branchestandard for et kritisk produktionstrin for effekthalvledere af siliciumcarbid«.
Aehr udvikler også markedet for burn-in-test af galliumnitrid til højeffektanvendelser som solcelleinvertere. Virksomheden er dermed til stede i to alternativer til siliciumbaseret effektelektronik.
Det giver Aehr en varieret kundebase i halvleder- og produktionsudstyrsindustrien, herunder TSMC og Texas Instruments (TXN ), Seagate, Nvidia (NVDA ), Cisco, Qualcomm (QCOM ), samt Bosch.
Kilde: Aehr
Virksomheden kan drage fordel af nye segmenter i halvlederindustrien, herunder siliciumfotonik.
Aehr befinder sig i den lille, men vigtige niche for SiC-test inden for elbilernes forsyningskæde for SiC-effektelektronik. Derfor kan virksomheden få gavn af voksende elbilproduktion uanset batteriteknologi eller ladestandard.
Efter den kraftige kursstigning i 2023 under begejstringen for elbilaktier er selskabets værdiansættelse faldet igen. Aehr kan være en indirekte investeringsmulighed i SiC-sektoren, men kundekoncentration og cykliske kapitalinvesteringer er væsentlige risici.
