Karbida Silikon: Mendorong Revolusi Energi Hijau

Kebangkitan Karbida Silikon di Era Silikon

Di masa depan yang sangat jauh, para sejarawan mungkin akan menyebut era kita sebagai Era Silikon. Sekilas, hal ini tampaknya berkat chip silikon yang ada di mana-mana dalam komputer, smartphone, peralatan rumah tangga, dan mungkin segera bahkan otak kita.

Namun ini bukan satu-satunya penggunaan silikon, material melimpah yang ditemukan dalam pasir biasa. Polysilikon adalah komponen dasar sebagian besar panel surya, yang membawa kita lebih dekat ke ekonomi berbasis tenaga surya.

Jenis baru material berbasis silikon kini menjadi sama pentingnya, namun sering kurang dikenal oleh investor dan publik luas: karbida silikon.

• Kapasitas medan listrik 10 kali lebih tinggi, memungkinkan menangani beban daya yang sangat besar.
  • Akibatnya, perangkat karbida silikon dapat lebih kecil dan beralih on/off lebih cepat.
• Konduktivitas termal 3 kali lipat dibandingkan silikon “normal”, memungkinkan pembuangan panas jauh lebih cepat saat terkena beban tinggi.
• Kerugian yang jauh lebih kecil menghasilkan efisiensi lebih tinggi dan produksi panas yang tidak diinginkan bahkan lebih sedikit.

Karena sifat-sifat ini, karbida silikon menjadi penting dalam setiap aplikasi yang melibatkan penggunaan daya tinggi dan elektronik: inverter surya, kendaraan listrik, pasokan daya industri, dll.

Karbida Silikon 101

Karbida silikon, juga dikenal sebagai karborundum, atau SiC, dapat ditemukan secara alami di meteorit, namun hampir tidak ada di tempat lain di Bumi secara alami.

Sumber: Global IMI

Material ini hadir dalam banyak bentuk kristal yang berbeda, hingga 200 struktur berbeda, masing-masing memiliki karakteristik kimia dan fisik yang sedikit berbeda.

Sumber: MRF

Dalam hal konduktivitas listrik dan termal, karbida silikon jauh melampaui silikon dalam hampir semua metrik yang mungkin.

Sumber: MRF

Produksi Karbida Silikon

Produksi massal karbida silikon relatif sederhana dan pertama kali dipatenkan pada tahun 1893, menggunakan metode yang dikenal sebagai tungku batch listrik. Proses ini memanaskan campuran silika (pasir) dan karbon (batu bara kokas) hingga suhu sangat tinggi, biasanya 1.600°C-2.500°C (2.900°F-4.500°F).

Nitrogen dan aluminium adalah impuritas umum dari proses manufaktur ini, namun mereka memengaruhi konduktivitas listrik SiC.

Metode alternatif, yang sebagian besar digunakan dalam produksi komponen elektronik yang memerlukan tingkat kemurnian lebih tinggi, meliputi transportasi uap fisik (PVT), deposisi uap kimia (CVD), atau epitaksi fase cair (LPE).

Metode-metode ini berbeda dalam cara karbida silikon disampaikan, tetapi semuanya memiliki gagasan menghasilkan kristal awal dan kemudian menumbuhkannya. Kristal besar kemudian dipotong menjadi irisan sangat tipis menjadi wafer karbida silikon, serupa dengan cara wafer silikon dibuat untuk produksi elektronik.

Sumber: MRF

Secara keseluruhan, proses manufaktur karbida silikon dan rantai pasokannya sangat mirip dengan industri manufaktur silikon, dengan CVD, wafer, dll yang serupa.

Karena material ini dapat mengambil lebih dari 200 bentuk kristal, proses produksi perlu diuji dan perhitungan tepat dilakukan untuk produksi skala besar. Informasi untuk proses ini biasanya bersifat proprietari bagi masing-masing perusahaan, sehingga R&D diperlukan pada tahap awal pembuatan proses khusus untuk memproduksi karbida silikon.

Setengah dari produksi karbida silikon global berada di China, dan kapasitas produksi diperkirakan hampir empat kali lipat antara tingkat 2023 dan 2027.

Sumber: McKinsey

Pasar Karbida Silikon

Karbida silikon masih merupakan pasar kecil pada tahun 2024, dengan nilai hanya $4,2 miliar. Namun, diperkirakan akan tumbuh sangat cepat dengan CAGR 34,5 %, mencapai $80,2 miliar pada tahun 2034.

Sumber: Markets & Markets

Aplikasi daya (modul SiC) adalah tempat sebagian besar pertumbuhan diperkirakan berasal, mendorong permintaan keseluruhan untuk karbida silikon meningkat.

Pasar dapat dibagi antara karbida silikon hitam (dengan impuritas logam) dan karbida silikon hijau (SiC berkemurnian tinggi).

Karbida silikon hitam sebagian besar diproduksi untuk abrasif murah, sementara karbida silikon hijau atau produksi kristal langsung (“tipe lain”) adalah bahan mentah yang digunakan untuk aplikasi teknologi tinggi.

Sumber: Global Market Insights

Dalam aplikasi daya, kendaraan listrik dan kendaraan hijau lainnya (hibrida, sel bahan bakar, dll.) diperkirakan menjadi pendorong utama peningkatan permintaan karbida silikon.

Sumber: McKinsey

Aplikasi Karbida Silikon

Karbida Silikon dalam Kendaraan Listrik

Jauh lebih penting, aplikasi karbida silikon dalam dekade mendatang adalah elektronik daya, di mana material ini paling tak tergantikan.

Sub-bagian terbesar dari kategori ini adalah kendaraan listrik, diperkirakan tumbuh 31% per tahun. SiC tidak hanya hadir dalam elektronik daya dan pengendali, tetapi juga dalam baterai, sistem pemantauan, dan charger, baik di mobil maupun stasiun pengisian.

Sumber: EV Mechanica

Pada tahun 2023, telah dibuktikan bahwa inverter karbida silikon dapat meningkatkan jangkauan EV sebesar 7%. Sejak itu, banyak desain EV baru mulai mengintegrasikan lebih banyak komponen SiC.

Pertumbuhan permintaan dari segmen EV mungkin bahkan masih diremehkan dalam kasus peralihan ke kendaraan listrik untuk kendaraan berat seperti truk, yang akan membutuhkan sistem pengisian yang jauh lebih kuat dan paket baterai yang cukup untuk menggerakkan puluhan EV.

Karbida silikon juga menjadi kunci untuk yang disebut “supercharger”, yang penting untuk mengatasi hambatan dalam adopsi EV, dengan tujuan mengurangi waktu pengisian menjadi hanya beberapa menit.

Stres termal yang lebih rendah dan pasokan daya yang lebih konsisten juga seharusnya membantu umur panjang baterai.

Peran Karbida Silikon dalam Energi Hijau dan Surya

Inverter berbasis SiC untuk tenaga surya dapat mencapai efisiensi hingga 99%, dibandingkan dengan inverter berbasis silikon tradisional yang hanya 96-98% efisiensi. Meskipun tampak kecil, hal ini dapat menghasilkan sejumlah besar energi tambahan selama masa pakai instalasi surya.

Karbida silikon juga jauh lebih tahan panas, mampu menahan suhu hingga 300° Celsius, sementara perangkat silikon umumnya terbatas pada 150°C, dan 10 kali tegangan.

Secara keseluruhan, inverter SiC lebih efisien, lebih tahan lama, lebih kecil, dan lebih murah dibandingkan inverter berbasis silikon yang lebih lama.

Penggunaan Teknologi Tinggi Lainnya untuk Karbida Silikon

Karbida silikon juga semakin banyak digunakan dalam berbagai aplikasi seperti robotika, di mana kinerja superior SiC memungkinkan penggerak motor menjadi lebih kecil dan ditempatkan langsung pada artikulasi, secara signifikan mengurangi kompleksitas dan kabel yang diperlukan.

Sumber: Arrow

Mereka juga semakin penting di pusat data, di mana chip yang semakin kuat dan permintaan daya dari AI memerlukan pasokan daya dan elektronik kontrol yang lebih kuat daripada yang dapat disediakan silikon.

Kristal karbida silikon digunakan dalam pembuatan LED pertama pada tahun 1907. Kemudian diproduksi secara massal di negara-negara Barat dan Uni Soviet pada tahun 1970-an dan 1980-an. Kemudian digantikan oleh gallium nitride, dengan cahaya 10-100 kali lebih terang, yang mengarah pada adopsi massal LED saat ini.

Namun, SiC masih digunakan dalam LED, sebagai substrat tempat gallium nitride ditempatkan, dan untuk menyebarkan panas pada LED yang kuat.

Abrasi

SiC adalah material yang sangat keras, menjadikannya berguna sebagai abrasif dalam roda penggiling, kertas amplas, dan produk abrasif lainnya untuk menggiling material seperti logam dan keramik. Biasanya SiC hitam dengan kualitas lebih rendah, lebih murah, dan kaya impuritas yang digunakan untuk aplikasi ini.

Karbida silikon dengan kualitas lebih tinggi digunakan dalam alat pemotong, juga memanfaatkan kekerasan sangat tinggi material ini, namun dengan kemurnian lebih tinggi menjadikannya lebih kuat dan kurang rapuh.

Material Pelindung

Kombinasi kekerasan tinggi dan tahan panas juga menjadikan SiC penting dalam aplikasi lain. Umumnya disinter (melt parsial) menjadi keramik keras.

Salah satu aplikasi adalah produksi pelat pelindung keramik anti peluru, terutama pelat dalam rompi pelindung pribadi, di mana SiC menguasai 27% pasar, serta dalam pelindung helikopter.

Keramik yang dipadatkan ini juga digunakan dalam rem mobil dan kopling mobil.

Keramik karbida silikon juga digunakan dalam aplikasi dirgantara, misalnya pada lapisan pelindung termal luar dari heat shield inflatables LOFTID NASA.

Aplikasi lain yang berfokus pada ruang angkasa dari SiC adalah produksi teleskop astronomi, dengan deposisi uap kimia memungkinkan pembuatan cakram besar SiC yang digunakan sebagai cermin pada teleskop. Ekspansi panas yang rendah juga dapat digunakan sebagai rangka untuk mesin yang sangat presisi pada teleskop.

Katalisis Kimia

Reaktivitas tinggi karbida silikon terhadap listrik menjadikannya kandidat potensial untuk bentuk baru elektrokatalisis. Reaksi ini biasanya bergantung pada bentuk kristal karbida silikon yang disebut karbida silikon kubik, dengan area permukaan yang lebih besar.

Sebagai contoh, baru-baru ini ditemukan bahwa ia merupakan kandidat yang baik untuk fotokatalisis hidrogen yang ditingkatkan, atau pemecahan langsung air menjadi hidrogen dengan sinar matahari.

Karbida silikon kubik juga dapat digunakan sebagai penopang katalis untuk oksidasi hidrokarbon.

Terakhir, karbida silikon dapat digunakan untuk menumbuhkan semikonduktor graphene.

Energi Nuklir

Karbida silikon memiliki kapasitas sangat kuat untuk menyerap neutron, sehingga digunakan sebagai selubung bahan bakar nuklir, serta untuk menampung limbah nuklir.

Sensor SiC digunakan untuk memantau tingkat radiasi di fasilitas nuklir dan aplikasi deteksi radiasi lainnya (lingkungan, setting medis, dll.).

Ketahanan SiC terhadap radiasi dan variasi termal menjadikannya material yang baik untuk reaktor nuklir yang akan ditempatkan di luar angkasa, sebuah bidang yang berkembang dengan rencana NASA dan negara lain untuk Bulan dan bahkan mungkin pangkalan di Mars.

Perhiasan

Kristal berbasis karbon, SiC memiliki banyak karakteristik yang sama dengan berlian (karbon murni), dan dikenal sebagai “moissanite sintetis” dalam perhiasan. Ia dapat dengan mudah disalahkan sebagai berlian.

Sumber: MRF

Mengurangi Risiko Bahan Tanah Jarang dengan SiC

Seiring perang dagang, tarif, dan sanksi mengganggu hubungan dagang AS-China, industri otomotif menghadapi masalah serius berpotensi kehabisan bahan tanah jarang buatan China, misalnya Ford menutup sebuah pabrik.

“Ini hari demi hari. Kami harus menutup pabrik. Saat ini kami hidup dari hari ke hari.”

Jim Farley – CEO Ford

Ini adalah bidang di mana SiC dapat membantu, berkat karbida silikon yang memungkinkan motor sinkron yang dipisahkan eksitasi, menghilangkan kebutuhan magnet permanen yang memerlukan bahan tanah jarang.

Jadi, sementara di satu sisi, bisnis karbida silikon dapat menderita jika rantai pasokan EV terganggu parah, di sisi lain, produk mereka dapat diadopsi lebih luas dalam desain EV baru di masa depan, untuk mengurangi ketergantungan pada pasokan bahan tanah jarang dari China.

Kesimpulan

Karbida silikon bukan material baru, tetapi produksi massal elektronik ultra-murni dan kecil yang terbuat darinya, dengan sifat listrik yang jauh lebih unggul, kini terjadi.

Ia telah membuka pintu bagi banyak aplikasi baru, saat ini diadopsi secara luas untuk menggantikan opsi berbasis silikon lama dalam berbagai industri yang tumbuh cepat, terutama EV & energi surya.

Semakin banyak industri dan transportasi dunia beralih ke listrik, semakin banyak karbida silikon yang dibutuhkan, karena permintaan daya yang lebih intens memerlukan charger yang lebih kuat, baterai, dan kontroler untuk membantu pengisian cepat dan aman, baterai yang lebih tahan lama, dll.

Selain aplikasi ini, produksi massal SiC dan perbaikan metode produksi kemungkinan akan menurunkan biaya produksinya. Akibatnya, aplikasi lain seperti armor, pelindung panas, dirgantara, dan perkakas kemungkinan akan mulai mengadopsi SiC lebih sering.

Terakhir, bidang aplikasi potensial baru masih terbuka, terutama kemungkinan penggunaan karbida silikon untuk produksi hidrogen hijau.

Secara keseluruhan, karbida silikon kemungkinan akan menjadi material yang jauh lebih dikenal oleh publik luas di masa depan. Dengan perkiraan CAGR 20-30% untuk dekade mendatang, investor mungkin ingin memperhatikan sub-seksi kecil namun tumbuh cepat dalam industri semikonduktor ini.

Perusahaan Karbida Silikon

ON Semi

ON Semi adalah perusahaan semikonduktor yang berspesialisasi dalam elektrifikasi, termasuk di otomotif, tetapi juga di sektor lain seperti energi surya, baterai, dirgantara, telekomunikasi, pusat data, dan medis.

Dengan demikian, ia menjadi mitra kunci bagi banyak perusahaan industri terbesar di dunia.

Sumber: ON Semi

Sebagian besar keunggulan teknologi ON Semi didasarkan pada karbida silikon, terutama dalam kasus beban daya sangat tinggi yang diperlukan untuk pengisian cepat EV.

Strategi ON Semi yang menggandakan fokus pada karbida silikon menyebabkan perusahaan mengalami lonjakan pendapatan yang besar dalam beberapa tahun terakhir, didorong oleh revolusi EV.

Sumber: ON Semi

Sensor karbida silikon lebih efisien energi dan berperformasi lebih baik dalam kondisi cahaya rendah, yang akan menjadi kunci untuk membangun mobil self-driving yang aman.

Produk karbida silikon ON Semi juga digunakan dalam semua ukuran instalasi energi surya, pusat data, dan sensor segala jenis (ultrasonik, elektrokimia, seperti pemantauan gula darah, dan deteksi objek logam).

Mengikuti tren elektrifikasi, ON Semi mengendalikan 10% pendapatan SiC global, dan merupakan salah satu perusahaan Amerika Utara terkemuka di sektor ini, bersaing dengan perusahaan Eropa Infineon (IFNNY) dan perusahaan semikonduktor lebih luas STMicroelectronics (STM ).

Sumber: McKinsey

Seiring rantai pasok industri Barat beralih kembali dari pasokan China, ON Semi kemungkinan akan sangat diuntungkan oleh tren elektrifikasi, terutama dalam EV dan energi hijau lainnya.

(Anda juga dapat membaca tulisan lebih panjang tentang perusahaan ini dalam “On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification”.)

Aehr Test Systems

Aehr adalah perusahaan semikonduktor dengan spesialisasi dalam karbida silikon.

Lebih tepatnya, perusahaan ini memproduksi peralatan untuk menguji wafer karbida silikon. Hal ini memberikannya kehadiran di sektor otomotif EV, smartphone, chip komputer, dan fotonik/telekomunikasi.

Sumber: Aehr

Hal ini menjadikan Aehr perusahaan yang sangat niche dan teknis serta komponen penting dalam rantai pasok. Ia mengklaim “sedang dalam proses menjadi standar industri untuk langkah manufaktur kritis bagi semikonduktor daya karbida silikon.”

Aehr juga aktif mengembangkan pasar baru, terutama pasar burn-in gallium nitride, yang digunakan dalam aplikasi daya tinggi seperti inverter fotovoltaik, menjadikannya hadir dalam alternatif elektronik daya berbasis silikon.

Hal ini memberi Aehr basis pelanggan yang sangat beragam, mencakup nama-nama terkemuka di industri semikonduktor dan perkakas, termasuk TSMC, Texas Instruments, Seagate, Nvidia, Cisco, Qualcomm, dan Bosch.

Sumber: Aehr

Perusahaan ini dapat sangat diuntungkan dari segmen baru yang muncul dalam industri semikonduktor, seperti fotonik silikon.

Sementara itu, dengan menguasai niche kecil namun penting (pengujian karbida silikon) di dalam niche lain dalam rantai pasok EV (elektronik daya karbida silikon), Aehr berada pada posisi yang baik untuk mendapatkan manfaat dari pertumbuhan volume produksi EV, terlepas dari teknologi baterai terbaru, model mobil, atau perubahan standar colokan pengisian.

Setelah lonjakan harga saham yang masif pada tahun 2023, pada puncak antusiasme untuk saham terkait EV, perusahaan kini kembali ke penilaian yang lebih wajar dan menjadi opsi “pick-and-shovel” bagi investor di sektor karbida silikon.