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Carburante di Silicio: Alimentare la Rivoluzione dell’Energia Verde
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L’ascesa del carburo di silicio nell’era del silicio
In un futuro molto lontano, gli storici potrebbero riferirsi alla nostra era come l’era del silicio. A prima vista, ciò sembra dovuto ai chip di silicio onnipresenti nei nostri computer, smartphone, elettrodomestici e forse presto anche nei nostri cervelli.
Ma questo non è l’unico utilizzo del silicio, un materiale abbondante che si trova nella sabbia comune. Il polisilicio è il componente base della maggior parte dei pannelli solari, che ci avvicinano a un’economia alimentata dal sole.
Un nuovo tipo di materiale a base di silicio sta diventando altrettanto importante, ma spesso meno conosciuto da investitori e dal pubblico più ampio: il carburo di silicio.
Questa associazione di silicio e carbonio è superiore al solo silicio in alcune caratteristiche chiave:
- Una capacità del campo elettrico 10 volte superiore, che gli consente di gestire carichi di potenza molto grandi.
- Di conseguenza, i dispositivi in carburo di silicio possono essere più piccoli e accendersi e spegnersi più rapidamente.
- Tre volte la conduttività termica del silicio “normale”, consentendo una dissipazione del calore molto più rapida quando esposto a carichi elevati.
- Perdite molto più piccole si traducono in maggiore efficienza e ancora meno produzione di calore indesiderato.
Grazie a queste proprietà, il carburo di silicio è diventato essenziale in qualsiasi applicazione che richieda uso ad alta potenza ed elettronica: inverter solari, veicoli elettrici, alimentazione industriale, ecc.
Carburo di Silicio 101
Il carburo di silicio, noto anche come carborundum o SiC, si trova naturalmente nei meteoriti, ma quasi da nessun’altra parte sulla Terra in modo naturale.
Fonte: Global IMI
Il materiale si presenta in molte forme cristalline diverse, fino a 200 strutture differenti, ognuna con caratteristiche chimiche e fisiche leggermente diverse.
Fonte: MRF
Per quanto riguarda la conduttività elettrica e termica, il carburo di silicio supera di gran lunga il silicio in quasi tutte le metriche possibili.
Fonte: MRF
Produzione del Carburo di Silicio
La produzione di massa del carburo di silicio è relativamente semplice ed è stata brevettata per la prima volta nel 1893, utilizzando un metodo noto come forno a batch elettrico. Il processo riscalda insieme una miscela di silice (sabbia) e carbonio (carbone di coke) a temperature molto elevate, tipicamente 1.600°C-2.500°C (2.900°F-4.500°F).
Azoto e alluminio sono impurità comuni di questo processo di produzione, ma influenzano la conduttività elettrica del SiC.
Metodi alternativi, usati principalmente per produrre componenti elettronici che richiedono livelli di purezza più elevati, sono il trasporto di vapore fisico (PVT), la deposizione chimica da vapore (CVD) o l’epitassia in fase liquida (LPE).
Questi metodi differiscono nel modo in cui il carburo di silicio viene fornito, ma condividono tutti l’idea di produrre un cristallo iniziale e poi farlo crescere. Il grande cristallo viene poi tagliato in fette estremamente sottili, trasformandosi in wafer di carburo di silicio, in modo simile a come vengono prodotti i wafer di silicio per la produzione elettronica.
Fonte: MRF
Nel complesso, il processo di produzione e la catena di fornitura del carburo di silicio sono molto simili all’industria del silicio, con CVD, wafer, ecc. simili.
A causa delle oltre 200 forme cristalline che il materiale può assumere, il processo di produzione deve essere testato e viene effettuato un calcolo preciso per la produzione su larga scala. Le informazioni su questi processi sono solitamente proprietarie delle singole aziende, quindi è necessaria R&D nelle fasi iniziali della creazione di un processo specifico per produrre carburo di silicio.
La metà della produzione globale di carburo di silicio si trova in Cina, e si prevede che la capacità produttiva quasi quadruplichi tra il livello del 2023 e il 2027.
Fonte: McKinsey
Mercati del Carburo di Silicio
Il carburo di silicio è ancora un mercato piccolo nel 2024, del valore di soli 4,2 Mrd. Tuttavia, si prevede una crescita estremamente rapida al 34,5 % CAGR, portandolo a 80,2 Mrd entro il 2034.
Fonte: Markets & Markets
Le applicazioni di potenza (moduli SiC) sono quelle da cui ci si aspetta la maggior parte della crescita, spingendo la domanda complessiva di carburo di silicio verso l’alto.
Il mercato può essere diviso tra carburo di silicio nero (con impurità metalliche) e carburo di silicio verde (SiC ad alta purezza).
Il carburo di silicio nero è prodotto principalmente per abrasivi economici, mentre il carburo di silicio verde o la produzione diretta di cristallo (“altri tipi”) è la materia prima utilizzata per applicazioni ad alta tecnologia.
Fonte: Global Market Insights
Nell’applicazione di potenza, i veicoli elettrici e altri veicoli verdi (ibridi, celle a combustibile, ecc.) dovrebbero essere il principale motore della maggiore domanda di carburo di silicio.
Fonte: McKinsey
| Settore | Uso del SiC | Beneficio |
|---|---|---|
| Veicoli Elettrici | Inverter, caricabatterie, controllo di potenza | Maggiore efficienza, autonomia, ricarica rapida |
| Energia Solare | Inverter basati su SiC | Efficienza aumentata, ingombro ridotto |
| Aerospazio | Scudi termici, specchi | Resistenza termica, bassa espansione |
| Robotica e Data Center | Elettronica di potenza, azionamenti motori | Minori perdite di potenza, miniaturizzazione |
| Difesa e Sicurezza | Piastre di armatura, sistemi frenanti | Durezza, resistenza al calore e agli impatti |
Applicazioni del Carburo di Silicio
Carburo di Silicio nei Veicoli Elettrici
Di gran lunga l’applicazione più importante del carburo di silicio nel prossimo decennio, l’elettronica di potenza è il settore in cui questo materiale è più insostituibile.
La più grande sotto-sezione di questa categoria sono i veicoli elettrici, previsti in crescita del 31 % all’anno. Il SiC non è solo presente nell’elettronica di potenza e nei controller, ma anche nella batteria, nel sistema di monitoraggio e nei caricabatterie, sia nell’auto che nella stazione di ricarica.
Fonte: EV Mechanica
Già nel 2023 è stato dimostrato che un inverter in carburo di silicio può aumentare l’autonomia di un veicolo elettrico del 7 %. Da allora, molti nuovi progetti di veicoli elettrici hanno iniziato a incorporare più componenti SiC.
La crescita della domanda dal segmento EV potrebbe essere addirittura sottostimata nel caso di una transizione all’elettrico per veicoli pesanti come i camion, che richiederanno un sistema di ricarica molto più potente e sufficienti pacchi batteria per alimentare decine di veicoli elettrici.
Il carburo di silicio è anche fondamentale per i cosiddetti “supercaricatori”, un elemento chiave per superare un punto di resistenza nell’adozione dei veicoli elettrici, con l’obiettivo di ridurre il tempo di ricarica a pochi minuti.
Il minore stress termico e un’alimentazione più costante dovrebbero anche contribuire alla longevità delle batterie.
Il ruolo del Carburo di Silicio nell’Energia Verde e Solare
Gli inverter basati su SiC per l’energia solare possono raggiungere fino al 99 % di efficienza, rispetto agli inverter tradizionali a base di silicio che arrivano solo al 96‑98 % di efficienza. Sebbene sembri poco, ciò può tradursi in una grande quantità di energia aggiuntiva nel ciclo di vita di un impianto solare.
Il carburo di silicio è anche molto più resistente al calore, capace di sopportare temperature fino a 300 °C, mentre i dispositivi in silicio sono generalmente limitati a 150 °C, e 10 volte la tensione.
Nel complesso, gli inverter SiC sono più efficienti, più durevoli, più piccoli e più economici rispetto ai vecchi inverter a base di silicio.
Altri usi ad alta tecnologia del Carburo di Silicio
Il carburo di silicio è anche sempre più utilizzato in molte applicazioni come la robotica, dove le prestazioni superiori del SiC consentono al motore di essere più piccolo e posizionato direttamente nelle articolazioni, riducendo notevolmente la complessità e i cablaggi necessari.
Fonte: Arrow
Stanno anche guadagnando importanza nei data center, dove chip sempre più potenti e la domanda di energia dall’IA richiedono alimentazioni e elettronica di controllo più robuste rispetto a quanto il silicio possa fornire.
Un cristallo di carburo di silicio è stato utilizzato nella creazione del primo LED nel 1907. È stato poi prodotto in massa sia nei paesi occidentali sia nell’Unione Sovietica negli anni ’70 e ’80. Successivamente è stato sostituito dal nitruro di gallio, con una luce 10‑100 volte più luminosa, portando all’adozione di massa dei LED di oggi.
Il SiC è, tuttavia, ancora usato nei LED, come substrato su cui viene depositato il nitruro di gallio, e per dissipare il calore nei LED ad alta potenza.
Abrasivi
Il SiC è un materiale molto duro, rendendolo utile come abrasivo in mole abrasive, carta vetrata e altri prodotti abrasivi per la lavorazione di materiali come metalli e ceramiche. Di solito è il SiC nero di grado inferiore, più economico e ricco di impurità che viene utilizzato per queste applicazioni.
I gradi più alti di SiC sono usati negli utensili da taglio, sfruttando anche l’estrema durezza di questo materiale, ma con una purezza maggiore che lo rende ancora più resistente e meno fragile.
Materiali Protettivi
La combinazione di alta durezza e resistenza termica rende anche il SiC importante in altre applicazioni. Viene generalmente sinterizzato (fusione parziale) in ceramiche dure.
Una applicazione è nella produzione di piastre di armatura ceramica antiproiettile, in particolare piastre per l’armatura personale, dove il SiC controlla il 27 % del mercato, ma anche nell’armatura di elicotteri.
Queste ceramiche indurite sono anche usate nei freni delle auto e nelle frizioni delle auto.
Le ceramiche di carburo di silicio sono anche usate in applicazioni aerospaziali, ad esempio nello strato esterno di protezione termica dello scudo termico gonfiabile LOFTID della NASA.
Un’altra applicazione spaziale del SiC è nella produzione di telescopi astronomici, con la deposizione chimica da vapore che consente la realizzazione di un grande disco di SiC usato come specchi nei telescopi. La bassa espansione termica può anche essere usata come struttura per la macchina estremamente precisa dei telescopi.
Catalisi Chimica
L’alta reattività del carburo di silicio all’elettricità lo rende un potenziale candidato per nuove forme di elettrocatalisi. Queste reazioni di solito si basano su una forma di cristalli di carburo di silicio chiamata carburo di silicio cubico, con una superficie più ampia.
Ad esempio, è stato recentemente scoperto come un buon candidato per una fotocatalisi migliorata dell’idrogeno, o per la scissione diretta dell’acqua in idrogeno tramite luce solare.
Il carburo di silicio cubico può anche essere usato come supporto catalitico per l’ossidazione degli idrocarburi.
Infine, il carburo di silicio potrebbe essere usato per coltivare semiconduttori al grafene.
Energia Nucleare
Il carburo di silicio ha una capacità molto forte di assorbire neutroni, quindi viene usato come rivestimento per il combustibile nucleare, nonché per contenere i rifiuti nucleari.
I sensori SiC sono usati per monitorare i livelli di radiazione nelle strutture nucleari e in altre applicazioni di rilevamento delle radiazioni (ambiente, contesto medico, ecc.).
La resistenza del SiC alle radiazioni e alle variazioni termiche lo rende un buon materiale per reattori nucleari destinati allo spazio, un campo in crescita con i piani della NASA e di altre nazioni per la Luna e forse anche basi marziane.
Gioielleria
Un cristallo basato sul carbonio, il SiC condivide molte caratteristiche con il diamante (carbonio puro) ed è noto come “moissanite sintetica” nella gioielleria. Può essere facilmente scambiato per diamanti.
Fonte: MRF
Mitigare i rischi delle terre rare con il SiC
Mentre guerre commerciali, tariffe e sanzioni interrompono le relazioni commerciali USA-Cina, l’industria automobilistica si trova ad affrontare il problema molto serio di una potenziale esaurimento dei materiali di terre rare prodotti in Cina, con, ad esempio, la chiusura di una fabbrica da parte di Ford.
“È giorno per giorno. Abbiamo dovuto chiudere le fabbriche. È una situazione di sopravvivenza al giorno d’oggi.”
Jim Farley – CEO di Ford
Questo è un settore in cui il SiC può aiutare, grazie al carburo di silicio che consente motori sincroni a eccitazione separata, eliminando la necessità di magneti permanenti che richiedono terre rare.
Quindi, da un lato, le aziende di carburo di silicio potrebbero subire danni se la catena di fornitura dei veicoli elettrici fosse gravemente interrotta; dall’altro, il loro prodotto potrebbe essere adottato più ampiamente nei nuovi progetti di veicoli elettrici in futuro, al fine di ridurre la dipendenza dalle forniture cinesi di terre rare.
Conclusione
Il carburo di silicio non è un materiale nuovo, ma la produzione di massa di componenti elettronici ultra-puri e di piccole dimensioni realizzati con esso, con proprietà elettriche notevolmente superiori, lo è.
Ha aperto la porta a molte nuove applicazioni, attualmente ampiamente adottate per sostituire le opzioni più vecchie a base di silicio in una vasta gamma di industrie in rapida crescita, soprattutto nel settore dei veicoli elettrici e dell’energia solare.
Più l’industria mondiale e i trasporti si elettrificano, più carburo di silicio sarà necessario, poiché una domanda di potenza più intensa richiede caricabatterie più potenti, batterie e controller per una ricarica rapida e sicura, batterie più durevoli, ecc.
Oltre a queste applicazioni, la produzione di massa di SiC e il miglioramento dei metodi di produzione probabilmente ridurranno i costi di produzione. Di conseguenza, altre applicazioni come armature, scudi termici, aerospazio e utensili probabilmente inizieranno ad adottare il SiC più frequentemente.
Infine, si stanno ancora aprendo nuovi potenziali campi di applicazione, in particolare la possibilità di utilizzare il carburo di silicio per la produzione di idrogeno verde.
Nel complesso, il carburo di silicio probabilmente diventerà un materiale molto più noto al grande pubblico in futuro. Con un CAGR previsto nella fascia del 20‑30 % per il decennio a venire, gli investitori potrebbero voler prestare attenzione a questa piccola ma rapidamente crescente sotto-sezione dell’industria dei semiconduttori.
Aziende di Carburo di Silicio
ON Semi
ON Grafico dei prezzi
ON Semi è un’azienda di semiconduttori specializzata nell’elettrificazione, inclusa l’automotive, ma anche in altri settori come l’energia solare, le batterie, l’aerospazio, le telecomunicazioni, i data center e il settore medico.
Come tale, è un partner chiave per molte delle più grandi aziende industriali al mondo.
Fonte: ON Semi
Una grande parte del vantaggio tecnologico di ON Semi si basa sul carburo di silicio, soprattutto nel caso di carichi di potenza molto elevati richiesti per la ricarica rapida dei veicoli elettrici.
La strategia di ON Semi di puntare fortemente sul carburo di silicio ha portato l’azienda a registrare un enorme aumento dei ricavi negli ultimi anni, trainato dalla rivoluzione dei veicoli elettrici.
Fonte: ON Semi
I sensori in carburo di silicio sono sia più efficienti dal punto di vista energetico sia più performanti in condizioni di scarsa illuminazione, il che sarà cruciale per costruire auto a guida autonoma sicure.
I prodotti in carburo di silicio di ON Semi sono anche utilizzati in impianti solari di tutte le dimensioni, data center e sensori di ogni tipo (ultrasuoni, elettrochimici, come il monitoraggio della glicemia, e rilevamento di oggetti metallici).
Seguendo la tendenza dell’elettrificazione, ON Semi controlla il 10 % dei ricavi globali del SiC, ed è una delle principali aziende nordamericane del settore, in competizione con le aziende europee Infineon (IFNNY) e la più ampia azienda di semiconduttori STMicroelectronics (STM ).
Fonte: McKinsey
Poiché le catene di approvvigionamento industriali occidentali si stanno rilocalizzando lontano dalle forniture cinesi, ON Semi probabilmente trarrà grande beneficio dalla tendenza all’elettrificazione, soprattutto nei veicoli elettrici e nelle altre energie verdi.
(You can also read a longer write-up about this company in “On Semiconductor (ON): Il Carburo di Silicio Alimenta l’Elettrificazione”.)
AEHR Grafico dei prezzi
Aehr è un’azienda di semiconduttori specializzata nel carburo di silicio.
Più precisamente, l’azienda produce attrezzature per testare i wafer di carburo di silicio. Questo le conferisce una presenza nel settore automobilistico dei veicoli elettrici, negli smartphone, nei chip per computer e nella fotonica/telecomunicazione.
Fonte: Aehr
Ciò rende Aehr un’azienda molto di nicchia e tecnica e una componente cruciale della catena di fornitura. Afferma di essere “in procinto di diventare lo standard di settore per una fase critica di produzione dei semiconduttori di potenza in carburo di silicio”.
Aehr sta anche sviluppando attivamente nuovi mercati, in particolare il mercato del burn‑in al nitruro di gallio, utilizzato in applicazioni ad alta potenza come gli inverter fotovoltaici, rendendola presente in entrambe le alternative all’elettronica di potenza basata su silicio.
Ciò conferisce ad Aehr una base clienti molto diversificata, che comprende i protagonisti dell’industria dei semiconduttori e degli utensili, tra cui TSMC, Texas Instruments (TXN ), Seagate, Nvidia (NVDA ), Cisco, Qualcomm (QCOM ) e Bosch.
Fonte: Aehr
L’azienda potrebbe trarre grande beneficio da nuovi segmenti emergenti nell’industria dei semiconduttori, come la fotonica su silicio.
Nel frattempo, occupando una nicchia piccola e importante (test del carburo di silicio) all’interno di un’altra nicchia nella catena di fornitura dei veicoli elettrici (elettronica di potenza in carburo di silicio), Aehr è ben posizionata per beneficiare della crescita del volume di produzione dei veicoli elettrici, indipendentemente dalla più recente tecnologia delle batterie, dal modello di auto o dal cambiamento degli standard delle spine di ricarica.
Dopo un enorme balzo nel prezzo delle azioni nel 2023, al picco dell’entusiasmo per qualsiasi titolo legato ai veicoli elettrici, l’azienda ora è tornata a una valutazione più ragionevole e rappresenta un’opzione “pick‑and‑shovel” per gli investitori nel settore del carburo di silicio.
