Piidioksidi: Vihreän energian vallankumouksen polttoaineena

Piidioksidin nousu piisilaatu-ikakaudella

Kaukaisessa tulevaisuudessa historioitsijat saattavat viitata aikakauteemme piisilaatu-aikana. Ensisilmäyksellä tämä vaikuttaa johtuvan kaikkialla läsnä olevista piisirujen siruista tietokoneissamme, älypuhelimissa, kodinkoneissa ja ehkä pian jopa aivoissamme.

Mutta tämä ei ole ainoa piin käyttö, runsas materiaali, jota löytyy tavallisesta hiekasta. Polysilicon on useimpien aurinkopaneelien perusosa, joka tuo meidät lähemmäs aurinkovoimalla toimivaa taloutta.

Uusi piipohjainen materiaali nousee yhtä tärkeäksi, mutta on usein vähemmän tunnettu sijoittajien ja laajemman yleisön keskuudessa: piidioksidi.

Tämä silikonin ja hiilen yhdistelmä on parempi kuin pelkkä silikoni joissakin keskeisissä ominaisuuksissa:

• 10‑kertainen suurempi sähkökentän kapasiteetti, mikä mahdollistaa erittäin suurten teholatauksien käsittelyn.
  • Tämän seurauksena piidioksidilaitteet voivat olla pienempiä ja kytkeytyä päälle ja pois nopeammin.
• 3‑kertainen “normaalin” piin lämmönjohtavuus, mikä mahdollistaa paljon nopeamman lämmön poistumisen suurten kuormitusten aikana.
• Paljon pienemmät häviöt johtavat suurempaan tehokkuuteen ja vielä vähemmän ei-toivottuun lämmöntuotantoon.

Näiden ominaisuuksien ansiosta piidioksidi on tullut välttämättömäksi kaikissa korkean tehon ja elektroniikan sovelluksissa: aurinkoinvertterit, sähköautot, teolliset virtalähteet jne.

Piidioksidi 101

Piidioksidi, joka tunnetaan myös nimellä karboraatti tai SiC, löytyy luonnollisesti meteoriiteista, mutta lähes ei missään muualla maapallolla.

Lähde: Global IMI

Materiaali esiintyy monina kristallimuotoina, jopa 200 eri rakenteena, joilla jokaisella on hieman erilaiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet.

Lähde: MRF

Kun tarkastellaan sähkön- ja lämmönjohtavuutta, piidioksidi ylittää piin selvästi lähes kaikissa mahdollisissa mittareissa.

Lähde: MRF

Piidioksidin tuotanto

Piidioksidin massatuotanto on melko yksinkertaista, ja se patentoitiin ensimmäisen kerran vuonna 1893, käyttäen menetelmää, joka tunnetaan nimellä sähköinen eräuunio. Prosessi kuumentaa yhdessä seoksen piidioksidista (hiekasta) ja hiilestä (koksikivestä) erittäin korkeisiin lämpötiloihin, tyypillisesti 1 600 °C–2 500 °C (2 900 °F–4 500 °F).

Typpi ja alumiini ovat yleisiä epäpuhtauksia tästä valmistusprosessista, mutta ne vaikuttavat SiC:n sähkönjohtavuuteen.

Vaihtoehtoisia menetelmiä, joita käytetään pääasiassa elektronisten komponenttien valmistukseen, jotka vaativat korkeampaa puhtausastetta, ovat fysikaalinen höyrykuljetus (PVT), kemiallinen höyrykerrostus (CVD) tai nestefaasin epitaksia (LPE).

Nämä menetelmät eroavat siinä, miten piidioksidi toimitetaan, mutta kaikki perustuvat alkukiteen tuottamiseen ja sen kasvattamiseen. Suuri kide leikataan sitten äärimmäisen ohuiksi siivuiksi piidioksidilevyiksi, samankaltaisesti kuin piikitelevyjä valmistetaan elektroniikkatuotannossa.

Lähde: MRF

Kaiken kaikkiaan piidioksidin valmistusprosessi ja toimitusketju ovat hyvin samankaltaisia kuin piin valmistusteollisuus, sisältäen samankaltaiset CVD-prosessit, levyt jne.

Koska materiaali voi esiintyä yli 200 kristallimuodossa, tuotantoprosessi täytyy testata ja tarkat laskelmat tehdä suurten tuotantomäärien osalta. Näiden prosessien tiedot ovat yleensä yrityskohtaisesti omistettuja, joten tutkimus- ja kehitystyötä (T&K) tarvitaan prosessin alkuvaiheessa.

Puoli maailmanlaajuisesta piidioksidituotannosta sijaitsee Kiinassa, ja tuotantokapasiteetin odotetaan lähes nelinkertaistuvan vuosien 2023 ja 2027 välillä.

Lähde: McKinsey

Piidioksidin markkinat

Piidioksidi on edelleen pieni markkina vuonna 2024, jonka arvo on vain 4,2 miljardia dollaria. Sen odotetaan kuitenkin kasvavan erittäin nopeasti 34,5 % CAGR:lla, mikä nostaa sen arvon 80,2 miljardiin dollariin vuoteen 2034 mennessä.

Lähde: Markets & Markets

Tehosovellukset (SiC-moduulit) ovat se, mistä suurin osa kasvusta odotetaan tulevan, mikä nostaa piidioksidin kokonaiskysyntää.

Markkinat voidaan jakaa mustaan piidioksidiin (metallipitoisuuksilla) ja vihreään piidioksidiin (korkeapuhdas SiC).

Musta piidioksidi tuotetaan pääasiassa edullisena hiontamateriaalina, kun taas vihreä piidioksidi tai suora kiteen tuotanto (“muut tyypit”) on raaka-aineena korkean teknologian sovelluksissa.

Lähde: Global Market Insights

Tehosovelluksissa sähköautot ja muut vihreät ajoneuvot (hybridit, polttokennoajoneuvot jne.) odotetaan olevan tärkein tekijä piidioksidin kysynnän kasvulle.

Lähde: McKinsey

Piidioksidin sovellukset

Piidioksidi sähköautoissa

Kauempana tulevan vuosikymmenen tärkein piidioksidin sovellus on tehoelektroniikka, jossa tämä materiaali on korvaamaton.

Tämän kategorian suurin alaluku on sähköautot, joiden odotetaan kasvavan 31 % vuodessa. SiC ei ole vain läsnä tehoelektroniikassa ja ohjaimissa, vaan myös akussa, valvontajärjestelmässä ja latureissa, sekä autossa että latausasemassa.

Lähde: EV Mechanica

Jo vuonna 2023 todettiin, että piidioksidinvertteri voi lisätä sähköauton kantamaa 7 %. Siitä lähtien monet uudemmat sähköautomallit ovat alkaneet sisällyttää enemmän SiC-komponentteja.

EV-segmentin kysynnän kasvu saattaa olla aliarvioitu, jos siirrytään sähköön raskaiden ajoneuvojen, kuten kuorma-autojen, osalta, jotka vaativat paljon tehokkaampia latausjärjestelmiä ja riittäviä akkupaketteja satojen sähköautojen virittämiseen.

Piidioksidi on myös avain niin sanotuille “superlataajille”, jotka ovat ratkaisevia EV:n omaksumisen esteen poistamisessa, tavoitteena lyhentää latausaikaa minuuteiksi.

Alhaisempi lämpöstressi ja tasaisempi virtalähde auttavat myös akkujen pitkäikäisyyttä.

Piidioksidin rooli vihreässä energiassa ja aurinkovoimassa

SiC-pohjaiset invertterit aurinkovoimassa voivat saavuttaa jopa 99 % hyötysuhteen, verrattuna perinteisiin piipohjaisiin inverttereihin, joiden hyötysuhde on vain 96–98 %. Vaikka ero vaikuttaa pieneltä, se voi tuottaa merkittävän määrän ylimääräistä energiaa aurinkoinstaloinnin elinkaaren aikana.

Piidioksidi on myös paljon lämmönkestävämpi, kestäen jopa 300 °C lämpötiloja, kun taas piilaitteet rajoittuvat yleensä 150 °C:iin, ja se kestää 10‑kerran suuremman jännitteen.

Kaiken kaikkiaan SiC-invertterit ovat tehokkaampia, kestävämpiä, pienempiä ja edullisempia kuin vanhemmat piipohjaiset invertterit.

Muut korkean teknologian käyttötarkoitukset piidioksidille

Piidioksidia käytetään yhä enemmän monissa sovelluksissa, kuten robotiikassa, jossa SiC:n ylivoimainen suorituskyky mahdollistaa moottoriohjauksen pienentämisen ja sijoittamisen suoraan nivelten sisään, mikä vähentää merkittävästi monimutkaisuutta ja kaapelointia.

Lähde: Arrow

Ne ovat myös kasvamassa merkityksellisiksi datakeskuksissa, joissa yhä voimakkaammat sirut ja tekoälyn aiheuttama tehovaatimus edellyttävät vahvempaa virtalähdettä ja ohjauselektroniikkaa kuin piikiteet voivat tarjota.

Piidioksidikiteetä käytettiin ensimmäisen LEDin valmistuksessa vuonna 1907. Sitä valmistettiin sitten massatuotantona sekä länsimaissa että Neuvostoliitossa 1970‑ ja 1980‑luvuilla. Myöhemmin se korvattiin gallium-nitridillä, jonka valo on 10‑100‑kertainen kirkkaampi, mikä johti nykypäivän laajamittaiseen LEDien käyttöönottoon.

SiC:tä käytetään kuitenkin edelleen LEDeissä alustoina, joille gallium-nitridi kerrostetaan, sekä lämmön hajottamiseen voimakkaissa LEDeissä.

Hiontamateriaalit

SiC on erittäin kovaa materiaalia, mikä tekee siitä hyödyllisen hiontamateriaalina hiomakivissä, hiekkapaperissa ja muissa hiontatuotteissa, joilla hiotaan metalleja ja keramiikkaa. Näissä sovelluksissa käytetään yleensä alempilaatuista, edullisempaa ja epäpuhtauksia sisältävää mustaa SiC:tä.

Korkeamman laadun SiC:tä käytetään leikkaustyökaluissa, hyödyntäen materiaalin äärimmäistä kovuutta, mutta korkeamman puhtauden ansiosta se on vielä vahvempaa ja vähemmän hauraata.

Suojamateriaalit

Korkean kovuuden ja lämmönkestävyyden yhdistelmä tekee SiC:stä tärkeän myös muissa sovelluksissa. Se sinteröidään (osittainen sulatus) koviksi keramiikoiksi.

Yksi sovellus on keramiikkapanssarilevyjen tuotanto, erityisesti henkilökohtaisessa kehonpanssarissa, jossa SiC hallitsee 27 % markkinoista, mutta myös helikopteripanssarissa.

Nämä kovetetut keramiikat käytetään myös auton jarruissa ja kytkimissä.

Piidioksidikeramiikkaa käytetään myös avaruusteollisuudessa, esimerkiksi NASA:n LOFTID -täytettävän lämpösuojuksen ulkokerroksessa.

Toinen avaruuslähtöinen sovellus on tähtitieteellisten teleskooppien valmistus, jossa kemiallinen höyrykerrostus mahdollistaa suuren SiC-levyn käytön peileinä teleskoopeissa. Alhainen lämpölaajeneminen voidaan myös käyttää kehyksenä teleskooppien erittäin tarkalle koneistolle.

Chemiallinen katalyysi

Piidioksidin korkea sähkökäyttäytyminen tekee siitä potentiaalisen ehdokkaan uusille elektrokatalyysimuodoille. Nämä reaktiot perustuvat yleensä piidioksidikiteiden muotoon, jota kutsutaan kuutiolliseksi piidioksidiksi, jolla on suurempi pinta-ala.

Esimerkiksi on hiljattain havaittu, että se on hyvä ehdokas parannettuun vedyn valokatalyysiin tai veden suoraan hajottamiseen vedeksi auringonvalon avulla.

Kuutioitu piidioksidi voidaan myös käyttää katalyyttinä hiilivetyjen hapettumisessa.

Lopuksi piidioksidia voitaisiin käyttää grafeenisemikonduktoreiden kasvattamiseen.

Ydinenergia

Piidioksidilla on erittäin vahva kyky absorboida neutroneja, joten sitä käytetään ydinpolttoaineen kuorena sekä ydinjätteen säilytykseen.

SiC-antureita käytetään säteilytasojen valvomiseen ydinlaitoksissa ja muissa säteilyn havaitsemissovelluksissa (ympäristö, lääketieteelliset asetukset jne.).

SiC:n säteilyn ja lämpötilavaihtelun kestävyys tekee siitä hyvän materiaalin avaruusympäristöön suunnitelluille ydinreaktoreille, kasvavalle alalle, jossa NASA ja muut maat suunnittelevat kuuta ja mahdollisesti myös Marsin tukikohtia.

Korut

Hiilen pohjalta oleva kide, SiC, jakaa monia ominaisuuksia timantin (puhtaan hiilen) kanssa, ja sitä kutsutaan koruissa “synteettiseksi moissaniteksi”. Se voidaan helposti sekoittaa timantteihin.

Lähde: MRF

Harvinaisten maametallien riskien lieventäminen SiC:n avulla

Kauppasodat, tullit ja pakotteet häiritsevät Yhdysvaltojen ja Kiinan kauppasuhteita, ja autoteollisuus kohtaa vakavan ongelman mahdollisesta Kiinassa valmistettujen harvinaisten maametallien loppumisesta, esimerkiksi Fordin sulkemassa tehdas.

“Se on päivä päivältä. Olemme joutuneet sulkemaan tehtaita. Tilanne on juuri nyt kädestä suuhun.” Jim Farley – Fordin toimitusjohtaja

Tämä on ala, jossa SiC voi auttaa, koska piidioksidi mahdollistaa erikseen viritetyt synkronimoottorit, poistaen tarvetta harvinaisia maametalleja vaativille pysyville magneeteille.

Joten vaikka toisaalta piidioksidiyritykset voisivat kärsiä, jos sähköautojen toimitusketju häiriintyisi vakavasti, toisaalta niiden tuotteita voitaisiin tulevaisuudessa ottaa laajemmin käyttöön uusissa sähköautomalleissa vähentääkseen riippuvuutta kiinalaisista harvinaisten maametallien toimituksista.

Yhteenveto

Piidioksidi ei ole uusi materiaali, mutta sen massatuotanto ultra-puhdasta ja pienikokoista elektroniikasta, jolla on huomattavasti paremmat sähköominaisuudet, on.

Se on avannut oven monille uusille sovelluksille, ja sitä otetaan tällä hetkellä laajasti käyttöön vanhojen piipohjaisten vaihtoehtojen korvaamiseksi nopeasti kasvavilla toimialoilla, erityisesti sähköautoissa ja aurinkoenergiassa.

Mitä enemmän maailman teollisuus ja liikenne sähköistyy, sitä enemmän piidioksidia tarvitaan, koska intensiivisempi tehovaatimus edellyttää vahvempia latureita, akkuja ja ohjaimia nopean ja turvallisen latauksen, kestävämpien akkujen jne. tukemiseksi.

Näiden sovellusten lisäksi SiC:n massatuotanto ja tuotantomenetelmien parantaminen todennäköisesti alentavat sen tuotantokustannuksia. Tämän seurauksena muut sovellukset, kuten panssari, lämpösuoja, avaruusteollisuus ja työkaluvalmistus, alkavat todennäköisesti käyttää SiC:tä yhä useammin.

Lopuksi uusia potentiaalisia sovellusalueita avautuu, erityisesti piidioksidin mahdollisuus vihreän vedyn tuotannossa.

Kaiken kaikkiaan piidioksidi todennäköisesti nousee laajemmin tunnetuksi materiaaliksi tulevaisuudessa. Kun odotettu vuosikasvu on 20–30 % seuraavan vuosikymmenen aikana, sijoittajien kannattaa kiinnittää huomiota tähän pieneen, mutta nopeasti kasvavaan puolialaan puolijohdeteollisuudessa.

Piidioksidiyritykset

ON Semi

ON Semi on puolijohdeyritys, joka erikoistuu sähköistykseen, mukaan lukien autoteollisuudessa, mutta myös muilla aloilla kuten aurinkoenergia, akut, avaruusteollisuus, televiestintä, datakeskukset ja lääketiede.

Siksi se on keskeinen kumppani monille maailman suurimmista teollisuusyrityksistä.

Lähde: ON Semi

Suuri osa ON Semi:n teknologisesta edusta perustuu piidioksidiin, erityisesti erittäin suurten teholatausten osalta, joita tarvitaan sähköautojen nopeaan lataukseen.

ON Semi:n strategia panostaa piidioksidiin on johtanut yrityksen tulojen valtavaan nousuun viime vuosina, jonka on ajanut sähköautojen vallankumous.

Lähde: ON Semi

Piidioksidisensorit ovat sekä energiatehokkaampia että toimivat paremmin heikossa valaistuksessa, mikä on ratkaisevaa turvallisten itseohjautuvien autojen rakentamisessa.

ON Semi:n piidioksidituotteita käytetään myös kaikenkokoisissa aurinkoenergiainstaloinneissa, datakeskuksissa ja erilaisissa antureissa (ultraääni-, elektrokemialliset, kuten verensokerin mittaus, ja metalliesineiden havaitseminen).

Sähköistymistrendin myötä ON Semi hallitsee 10 % maailmanlaajuisista SiC-tuloista, ja on yksi johtavista Pohjois-Amerikan yrityksistä alalla, kilpaillen eurooppalaisten yritysten Infineonin (IFNNY) ja laajemman puolijohdeyrityksen STMicroelectronicsin (STM ) kanssa.

Lähde: McKinsey

Kun länsimaiset teollisuustarjontaketjut siirtyvät pois Kiinan toimituksista, ON Semi hyötyy todennäköisesti merkittävästi sähköistymistrendistä, erityisesti sähköautoissa ja muissa vihreissä energioissa.

(Voit myös lukea pidemmän artikkelin tästä yrityksestä “On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification”.)

Aehr on puolijohdeyritys, joka on erikoistunut piidioksidiin.

Tarkemmin sanottuna yritys valmistaa laitteita piidioksidilevyjen testaamiseen. Tämä antaa sille läsnäolon sähköautosektorilla, älypuhelimissa, tietokonepiireissä sekä fotoniikassa/televiestinnässä.

Lähde: Aehr

Tämä tekee Aehrista erittäin erikoistuneen ja teknisen yrityksen sekä keskeisen osan toimitusketjua. Se väittää olevansa “tien päässä siitä, että siitä tulisi alan standardi kriittisessä valmistusvaiheessa piidioksiditehosemikonduktoreille”.

Aehr kehittää myös aktiivisesti uusia markkinoita, erityisesti gallium-nitridin burn-in -markkinaa, jota käytetään korkean tehon sovelluksissa kuten fotovoltaiikinverttereissä, mikä tekee siitä läsnäolevan sekä piipohjaisten että vaihtoehtoisten tehoelektroniikkaratkaisujen markkinoilla.

Tämä antaa Aehrille erittäin monipuolisen asiakaskunnan, joka koostuu puolijohde- ja työkaluteollisuuden tunnettujen yritysten joukosta, kuten TSMC, Texas Instruments (TXN ), Seagate, Nvidia (NVDA ), Cisco, Qualcomm (QCOM ) ja Bosch.

Lähde: Aehr

Yritys voisi hyötyä merkittävästi puolijohdeteollisuuden uusista nousevista segmenteistä, kuten piifotonikasta.

Sillä välin, omistamalla pienen ja tärkeän niche (piidioksidin testaus) toisen niche:n sisällä sähköautojen toimitusketjussa (piidioksidin tehoelektroniikka), Aehr on hyvin asemoitu hyötymään sähköautojen tuotantomäärän kasvusta riippumatta viimeisimmistä akkuteknologioista, automalleista tai latausliittimien standardimuutoksista.

Massiivisen osakekurssin nousun jälkeen vuonna 2023, EV-sukupolven osakkeiden innostuksen huipulla, yritys on nyt palannut kohtuullisempaan arvostukseen ja edustaa “pick-and-shovel” -vaihtoehtoa sijoittajille piidioksidialalla.