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Carburo de silicio: impulsando la revolución de la energía verde
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El auge del carburo de silicio en la era del silicio
En un futuro muy lejano, los historiadores podrían referirse a nuestra era como la Era del Silicio. A primera vista, esto parece deberse a los omnipresentes chips de silicio en nuestras computadoras, teléfonos inteligentes, electrodomésticos y quizás pronto incluso en nuestros cerebros.
Pero este no es el único uso del silicio, un material abundante que se encuentra en la arena ordinaria. El polisilicio es el componente básico de la mayoría de los paneles solares, que nos están acercando a una economía impulsada por la energía solar.
Un nuevo tipo de material basado en silicio está convirtiéndose en igualmente importante, pero a menudo menos conocido por los inversores y el público en general: el carburo de silicio.
Esta asociación de silicio y carbono es superior al silicio solo en algunas características clave:
- Una capacidad de campo eléctrico 10 veces mayor, lo que le permite manejar cargas de potencia muy grandes.
- Como resultado, los dispositivos de carburo de silicio pueden ser más pequeños y conmutar encendido y apagado más rápidamente.
- 3 veces la conductividad térmica del silicio “normal”, lo que permite una disipación de calor mucho más rápida cuando se expone a altas cargas.
- Pérdidas mucho menores resultan en mayor eficiencia y aún menos producción de calor no deseado.
Debido a estas propiedades, el carburo de silicio se ha vuelto esencial en cualquier aplicación que implique uso de alta potencia y electrónica: inversores solares, vehículos eléctricos, suministro de energía industrial, etc.
Carburo de silicio 101
El carburo de silicio, también conocido como carborundo, o SiC, se encuentra de forma natural en meteoritos, pero casi en ningún otro lugar de la Tierra de forma natural.
Fuente: Global IMI
El material se presenta en muchas formas cristalinas diferentes, hasta 200 estructuras distintas, cada una con características químicas y físicas ligeramente diferentes.
Fuente: MRF
En cuanto a conductividad eléctrica y térmica, el carburo de silicio supera ampliamente al silicio en casi todas las métricas posibles.
Fuente: MRF
Producción de carburo de silicio
La producción a gran escala de carburo de silicio es relativamente simple y se patentó por primera vez en 1893, utilizando un método conocido como horno de lote eléctrico. El proceso calienta conjuntamente una mezcla de sílice (arena) y carbono (carbón coquizable) a temperaturas muy altas, típicamente 1.600°C-2.500°C (2.900°F-4.500°F).
El nitrógeno y el aluminio son impurezas comunes de este proceso de fabricación, pero afectan la conductividad eléctrica del SiC.
Los métodos alternativos, mayormente usados en la producción de componentes electrónicos que requieren niveles de pureza más altos, son el transporte físico de vapor (PVT), la deposición química de vapor (CVD) o la epitaxia de fase líquida (LPE).
Estos métodos difieren en la forma en que se entrega el carburo de silicio, pero todos comparten la idea de producir un cristal inicial y luego hacerlo crecer. El cristal grande se corta luego en láminas extremadamente delgadas, convirtiéndose en obleas de carburo de silicio, de manera similar a cómo se fabrican las obleas de silicio para la producción electrónica.
Fuente: MRF
En general, el proceso de fabricación y la cadena de suministro del carburo de silicio son muy similares a la industria de fabricación de silicio, con CVD, obleas, etc. similares.
Debido a las más de 200 formas cristalinas que el material puede adoptar, el proceso de producción necesita ser probado y se debe realizar un cálculo exacto para la producción a gran escala. La información de estos procesos suele ser propietaria de cada empresa, por lo que se necesita I+D durante las etapas iniciales de la creación de un proceso específico para fabricar carburo de silicio.
La mitad de la producción mundial de carburo de silicio se encuentra en China, y se espera que la capacidad de producción casi se cuadruplique entre el nivel de 2023 y 2027.
Fuente: McKinsey
Mercados del carburo de silicio
El carburo de silicio sigue siendo un mercado pequeño en 2024, con un valor de solo 4,2 mil millones de dólares. Sin embargo, se espera que crezca extremadamente rápido a una tasa compuesta anual del 34,5 %, alcanzando 80,2 mil millones de dólares para 2034.
Fuente: Markets & Markets
Se espera que la mayor parte del crecimiento provenga de aplicaciones de potencia (módulos SiC), impulsando la demanda global de carburo de silicio.
El mercado puede dividirse entre carburo de silicio negro (con impurezas metálicas) y carburo de silicio verde (SiC de alta pureza).
El carburo de silicio negro se produce mayormente para abrasivos económicos, mientras que el carburo de silicio verde o la producción directa de cristal (“otros tipos”) es la materia prima utilizada para aplicaciones de alta tecnología.
Fuente: Global Market Insights
En la aplicación de potencia, se espera que los vehículos eléctricos y otros vehículos verdes (híbridos, pilas de combustible, etc.) sean el principal motor del mayor demanda de carburo de silicio.
Fuente: McKinsey
| Sector | Uso de SiC | Beneficio |
|---|---|---|
| Vehículos eléctricos | Inversores, cargadores, control de potencia | Mayor eficiencia, autonomía, carga rápida |
| Energía solar | Inversores basados en SiC | Mayor eficiencia, menor huella |
| Aeroespacial | Escudos térmicos, espejos | Resistencia térmica, baja expansión |
| Robótica y centros de datos | Electrónica de potencia, accionamientos de motor | Menor pérdida de energía, miniaturización |
| Defensa y seguridad | Placas de armadura, sistemas de frenado | Dureza, resistencia al calor y al impacto |
Aplicaciones del carburo de silicio
Carburo de silicio en vehículos eléctricos
Con mucho, la aplicación más importante del carburo de silicio en la próxima década, la electrónica de potencia, es donde este material es más insustituible.
La subcategoría más grande de esta categoría son los vehículos eléctricos, que se espera crezcan un 31 % anual. El SiC no solo está presente en la electrónica de potencia y los controladores, sino también en la batería, el sistema de monitoreo y los cargadores, tanto en el coche como en la estación de carga.
Fuente: EV Mechanica
Ya en 2023, se demostró que un inversor de carburo de silicio puede aumentar la autonomía de un vehículo eléctrico en un 7 %. Desde entonces, muchos diseños de EV más recientes han comenzado a incorporar más componentes de SiC.
El crecimiento de la demanda del segmento de EV podría estar incluso subestimado en caso de un cambio a la electrificación de vehículos pesados como camiones, que requerirán un sistema de carga mucho más potente y suficientes paquetes de baterías para alimentar decenas de EV.
El carburo de silicio también es clave para los llamados “supercargadores”, un elemento esencial para resolver un punto de resistencia en la adopción de EV, con el objetivo de reducir el tiempo de carga a solo minutos.
El menor estrés térmico y el suministro de energía más constante también deberían ayudar a la longevidad de las baterías.
El papel del carburo de silicio en la energía verde y solar
Los inversores basados en SiC para energía solar pueden alcanzar hasta un 99 % de eficiencia, en comparación con los inversores tradicionales basados en silicio que solo alcanzan entre 96‑98 % de eficiencia. Aunque parezca poco, esto puede resultar en una gran cantidad de energía adicional a lo largo de la vida útil de una instalación solar.
El carburo de silicio también es mucho más resistente al calor, capaz de soportar temperaturas de hasta 300 °C, mientras que los dispositivos de silicio generalmente están limitados a 150 °C, y 10 veces el voltaje.
En general, los inversores de SiC son más eficientes, más duraderos, más pequeños y más baratos que los inversores más antiguos basados en silicio.
Otros usos de alta tecnología del carburo de silicio
El carburo de silicio también se usa cada vez más en muchas aplicaciones como la robótica, donde el rendimiento superior del SiC permite que el motor sea más pequeño y se ubique directamente en las articulaciones, reduciendo enormemente la complejidad y el cableado requerido.
Fuente: Arrow
También están ganando importancia en los centros de datos, donde los chips cada vez más potentes y la demanda de energía de la IA requieren fuentes de alimentación y electrónica de control más robustas que las que el silicio puede proporcionar.
Un cristal de carburo de silicio se utilizó en la creación del primer LED en 1907. Luego se fabricó en masa tanto en países occidentales como en la Unión Soviética en los años 70 y 80. Más tarde fue reemplazado por nitruro de galio, con una luz de 10‑100 veces más brillante, lo que llevó a la adopción masiva de los LED actuales.
Sin embargo, el SiC todavía se usa en los LED, como sustrato sobre el cual se deposita el nitruro de galio, y para disipar el calor en LED de alta potencia.
Abrasivos
El SiC es un material muy duro, lo que lo hace útil como abrasivo en ruedas de esmerilado, papel de lija y otros productos abrasivos para moler materiales como metales y cerámicas. Normalmente se utiliza el SiC negro de grado inferior, más barato y rico en impurezas para estas aplicaciones.
Los grados superiores de SiC se usan en herramientas de corte, aprovechando también la dureza extremadamente alta de este material, pero con mayor pureza que lo hace aún más resistente y menos frágil.
Materiales protectores
La combinación de alta dureza y resistencia térmica también hace que el SiC sea importante en otras aplicaciones. Generalmente se sinteriza (fusión parcial) en cerámicas duras.
Una aplicación es la producción de placas de armadura balística cerámica, especialmente placas en chalecos antibalas personales, donde el SiC controla el 27 % del mercado, pero también en la armadura de helicópteros.
Estas cerámicas endurecidas también se usan en frenos de automóviles y embragues de automóviles.
Las cerámicas de carburo de silicio también se usan en aplicaciones aeroespaciales, por ejemplo, en la capa externa de protección térmica del escudo térmico inflable LOFTID de la NASA.
Otra aplicación espacial del SiC es la producción de telescopios astronómicos, con deposición química de vapor que permite un gran disco de SiC usado como espejos en los telescopios. La baja expansión térmica también puede usarse como marco para la maquinaria de alta precisión de los telescopios.
Catálisis química
La alta reactividad del carburo de silicio a la electricidad lo convierte en un candidato potencial para nuevas formas de electrocatalisis. Estas reacciones suelen basarse en una forma de cristales de carburo de silicio llamada carburo de silicio cúbico, con una mayor superficie.
Por ejemplo, se ha descubierto recientemente que es un buen candidato para mejorar la fotocatálisis del hidrógeno, o la ruptura directa del agua en hidrógeno mediante luz solar.
El carburo de silicio cúbico también puede usarse como soporte catalítico para la oxidación de hidrocarburos.
Por último, el carburo de silicio podría usarse para crecer semiconductores de grafeno.
Energía nuclear
El carburo de silicio tiene una gran capacidad para absorber neutrones, por lo que se usa como revestimiento para combustible nuclear, así como para contener residuos nucleares.
Los sensores de SiC se usan para monitorear los niveles de radiación en instalaciones nucleares y otras aplicaciones de detección de radiación (ambiental, médica, etc.).
La resistencia del SiC a la radiación y a la variación térmica lo convierte en un buen material para reactores nucleares espaciales, un campo en crecimiento con los planes de la NASA y otras naciones para la Luna e incluso posibles bases marcianas.
Joyería
Un cristal basado en carbono, el SiC comparte muchas características con el diamante (carbono puro), y se conoce como “moissanita sintética” en joyería. Puede confundirse fácilmente con diamantes.
Fuente: MRF
Mitigando los riesgos de tierras raras con SiC
A medida que las guerras comerciales, aranceles y sanciones perturban las relaciones comerciales EE. UU.-China, la industria automotriz se enfrenta al serio problema de quedarse sin materiales de tierras raras fabricados en China, con, por ejemplo, Ford cerrando una fábrica.
“Es día a día. Hemos tenido que cerrar fábricas. Estamos sobreviviendo al día.”
Jim Farley – CEO de Ford
Este es un campo donde el SiC puede ayudar, gracias a que el carburo de silicio permite motores síncronos de excitación separada, eliminando la necesidad de imanes permanentes que requieren tierras raras.
Así que, por un lado, los negocios de carburo de silicio podrían sufrir si la cadena de suministro de EV se viera gravemente interrumpida; por otro lado, su producto podría adoptarse más ampliamente en nuevos diseños de EV en el futuro, con el fin de reducir la dependencia de los suministros de tierras raras chinos.
Conclusión
El carburo de silicio no es un material nuevo, pero la producción masiva de electrónica ultra‑pura y pequeña fabricada con él, con propiedades eléctricas enormemente superiores, sí lo es.
Ha abierto la puerta a muchas aplicaciones nuevas, que actualmente se adoptan ampliamente para reemplazar opciones más antiguas basadas en silicio en una amplia gama de industrias de rápido crecimiento, especialmente la energía de EV y solar.
Cuanto más se electrifiquen la industria mundial y el transporte, más carburo de silicio se necesitará, ya que una demanda de energía más intensa requiere cargadores más potentes, baterías y controladores que faciliten una carga rápida y segura, baterías más duraderas, etc.
Además de estas aplicaciones, la producción masiva de SiC y la mejora de los métodos de producción probablemente reducirán sus costos. Como resultado, otras aplicaciones como armaduras, escudos térmicos, aeroespacial y herramientas probablemente comenzarán a adoptar el SiC con mayor frecuencia.
Por último, siguen abriéndose nuevos campos potenciales de aplicación, notablemente la posibilidad de usar carburo de silicio para la producción de hidrógeno verde.
En general, es probable que el carburo de silicio se convierta en un material mucho más conocido por el público en general en el futuro. Con una Tasa de Crecimiento Anual Compuesta esperada en el rango del 20‑30 % para la próxima década, los inversores podrían querer prestar atención a esta pequeña pero rápidamente creciente sub‑sección de la industria de semiconductores.
Empresas de carburo de silicio
ON Semi
ON Gráfico de precios
ON Semi es una empresa de semiconductores especializada en electrificación, incluyendo en automoción, pero también en otros sectores como energía solar, baterías, aeroespacial, telecomunicaciones, centros de datos y medicina.
Como tal, es un socio clave para muchas de las mayores empresas industriales del mundo.
Fuente: ON Semi
Una gran parte de la ventaja tecnológica de ON Semi se basa en carburo de silicio, especialmente en el caso de cargas de potencia muy altas requeridas para la carga rápida de EV.
La estrategia de ON Semi de apostar fuertemente por el carburo de silicio llevó a la empresa a experimentar un enorme aumento de ingresos en los últimos años, impulsado por la revolución de los EV.
Fuente: ON Semi
Los sensores de carburo de silicio son tanto más eficientes energéticamente como funcionan mejor en entornos de poca luz, lo que será crucial para construir coches autónomos seguros.
Los productos de carburo de silicio de ON Semi también se utilizan en instalaciones de energía solar de todos los tamaños, centros de datos y sensores de todo tipo (ultrasonidos, electroquímicos, como monitoreo de glucosa en sangre, y detección de objetos metálicos).
Siguiendo la tendencia de la electrificación, ON Semi controla el 10 % de los ingresos globales de SiC, y es una de las principales empresas norteamericanas del sector, compitiendo con empresas europeas como Infineon (IFNNY) y la compañía de semiconductores más amplia STMicroelectronics (STM ).
Fuente: McKinsey
A medida que las cadenas de suministro industriales occidentales se relocalizan alejándose del suministro chino, ON Semi probablemente se beneficiará enormemente de la tendencia de electrificación, especialmente en EV y otras energías verdes.
(You can also read a longer write-up about this company in “On Semiconductor (ON): Carburo de silicio impulsando la electrificación”.)
AEHR Gráfico de precios
Aehr es una empresa de semiconductores especializada en carburo de silicio.
Más precisamente, la empresa produce equipos para probar las obleas de carburo de silicio. Esto le brinda presencia en el sector automotriz de EV, smartphones, chips de computadora y fotónica/telecomunicaciones.
Fuente: Aehr
Esto convierte a Aehr en una empresa muy especializada y técnica y un componente crucial de la cadena de suministro. Afirma ser “está en camino de convertirse en el estándar de la industria para un paso crítico de fabricación de semiconductores de potencia de carburo de silicio.”
Aehr también está desarrollando activamente nuevos mercados, notablemente el mercado de quemado de nitruro de galio, usado en aplicaciones de alta potencia como inversores fotovoltaicos, lo que lo hace presente en ambas alternativas a la electrónica de potencia basada en silicio.
Esto le brinda a Aehr una base de clientes muy diversificada, que incluye a los más importantes de la industria de semiconductores y de herramientas, como TSMC, Texas Instruments (TXN ), Seagate, Nvidia (NVDA ), Cisco, Qualcomm (QCOM ) y Bosch.
Fuente: Aehr
La empresa podría beneficiarse enormemente de los nuevos segmentos emergentes en la industria de semiconductores, como la fotónica de silicio.
Mientras tanto, al ocupar un nicho pequeño e importante (pruebas de carburo de silicio) dentro de otro nicho en la cadena de suministro de EV (electrónica de potencia de carburo de silicio), Aehr está bien posicionada para beneficiarse del crecimiento del volumen de producción de EV, independientemente de la última tecnología de baterías, modelo de coche o cambio en los estándares de enchufes de carga.
Después de un enorme aumento en el precio de sus acciones en 2023, en el pico de entusiasmo por cualquier acción relacionada con EV, la empresa ahora vuelve a una valoración más razonable y representa una opción de “pico y pala” para los inversores en el sector del carburo de silicio.
