Eletrônicos
Carbeto de Silício: Impulsionando a Revolução da Energia Verde
A Ascensão do Carbeto de Silício na Era do Silício
Num futuro muito distante, os historiadores podem referir‑se à nossa era como a Era do Silício. À primeira vista, isso parece ser graças aos chips de silício onipresentes em nossos computadores, smartphones, eletrodomésticos e talvez em breve até mesmo nossos cérebros.
Mas este não é o único uso do silício, um material abundante que se encontra na areia comum. O policristal de silício é o componente básico da maioria dos painéis solares, que nos aproximam de uma economia alimentada por energia solar.
Um novo tipo de material à base de silício está se tornando igualmente importante, mas frequentemente menos conhecido por investidores e pelo público em geral: o carbeto de silício.
Esta associação de silício e carbono é superior ao silício puro em algumas características‑chave:
- Uma capacidade de campo elétrico 10 vezes maior, permitindo lidar com cargas de energia muito grandes.
- Como resultado, os dispositivos de carbeto de silício podem ser menores e ligar e desligar mais rapidamente.
- 3 vezes a condutividade térmica do silício “normal”, permitindo uma dissipação de calor muito mais rápida quando exposto a altas cargas.
- Perdas muito menores resultam em maior eficiência e ainda menos produção de calor indesejado.
Devido a essas propriedades, o carbeto de silício tornou‑se essencial em qualquer aplicação que lide com uso de alta potência e eletrônica: inversores solares, VEs, fontes de energia industrial, etc.
Carbeto de Silício 101
O carbeto de silício, também conhecido como carborundo, ou SiC, pode ser encontrado naturalmente em meteoritos, mas quase não em nenhum outro lugar na Terra de forma natural.
Fonte: Global IMI
O material apresenta muitas formas cristalinas diferentes, até 200 estruturas distintas, cada uma com características químicas e físicas ligeiramente diferentes.
Fonte: MRF
Quando se trata de condutividade elétrica e térmica, o carbeto de silício supera amplamente o silício em quase todas as métricas possíveis.
Fonte: MRF
Produção de Carbeto de Silício
A produção em massa de carbeto de silício é relativamente simples e foi patenteada pela primeira vez em 1893, utilizando um método conhecido como forno elétrico em lote. O processo aquece uma mistura de sílica (areia) e carbono (carvão coque) a temperaturas muito altas, tipicamente 1.600°C‑2.500°C (2.900°F‑4.500°F).
Nitrogênio e alumínio são impurezas comuns desse processo de fabricação, mas afetam a condutividade elétrica do SiC.
Métodos alternativos, usados principalmente na produção de componentes eletrônicos que exigem níveis de pureza mais elevados, são transporte físico de vapor (PVT), deposição química de vapor (CVD) ou epitaxia em fase líquida (LPE).
Esses métodos diferem na forma como o carbeto de silício é fornecido, mas todos compartilham a ideia de produzir um cristal inicial e depois cultivá‑lo. O cristal grande é então cortado em fatias extremamente finas, formando wafers de carbeto de silício, de maneira semelhante à produção de wafers de silício para eletrônicos.
Fonte: MRF
No geral, o processo de fabricação e a cadeia de suprimentos de carbeto de silício são muito semelhantes à indústria de fabricação de silício, com CVD, wafers, etc.
Devido às mais de 200 formas cristalinas que o material pode assumir, o processo de produção precisa ser testado e um cálculo exato realizado para produção em larga escala. As informações sobre esses processos geralmente são proprietárias das empresas individuais, portanto, P&D é necessária nas fases iniciais da criação de um processo específico para a produção de carbeto de silício.
Metade da produção global de carbeto de silício está localizada na China, e a capacidade de produção deve quase quadruplicar entre o nível de 2023 e 2027.
Fonte: McKinsey
Mercados de Carbeto de Silício
O carbeto de silício ainda é um mercado pequeno em 2024, valendo apenas US$ 4,2 bilhões. No entanto, espera‑se que cresça extremamente rápido a 34,5% CAGR, chegando a US$ 80,2 bilhões até 2034.
Fonte: Markets & Markets
Aplicações de energia (módulos SiC) são onde se espera que venha a maior parte do crescimento, impulsionando a demanda geral por carbeto de silício.
O mercado pode ser dividido entre carbeto de silício preto (com impurezas metálicas) e carbeto de silício verde (SiC de alta pureza).
O carbeto de silício preto é produzido principalmente para abrasivos baratos, enquanto o carbeto de silício verde ou produção direta de cristal (“outros tipos”) é a matéria‑prima usada em aplicações de alta tecnologia.
Fonte: Global Market Insights
Na aplicação de energia, veículos elétricos e outros veículos verdes (híbridos, células de combustível, etc.) devem ser o principal motor para maior demanda por carbeto de silício.
Fonte: McKinsey
| Setor | Uso do SiC | Benefício |
|---|---|---|
| Veículos Elétricos | Inversores, carregadores, controle de energia | Maior eficiência, autonomia, carregamento rápido |
| Energia Solar | Inversores baseados em SiC | Eficiência aumentada, menor pegada |
| Aeroespacial | Escudos térmicos, espelhos | Resistência térmica, baixa expansão |
| Robótica e Data Centers | Eletrônica de potência, acionamentos de motor | Menor perda de energia, miniaturização |
| Defesa e Segurança | Placas de armadura, sistemas de frenagem | Dureza, resistência ao calor e ao impacto |
Aplicações do Carbeto de Silício
Carbeto de Silício em Veículos Elétricos
De longe, a aplicação mais importante para o carbeto de silício na próxima década, a eletrônica de potência, é onde este material é mais insubstituível.
A maior sub‑seção desta categoria são os veículos elétricos, com crescimento esperado de 31% ao ano. O SiC não está apenas presente na eletrônica de potência e nos controladores, mas também na bateria, no sistema de monitoramento e nos carregadores, tanto no carro quanto na estação de carregamento.
Fonte: EV Mechanica
Já em 2023, foi demonstrado que um inversor de carbeto de silício pode aumentar a autonomia de um VE em 7%. Desde então, muitos designs de VEs mais recentes começaram a incorporar mais componentes de SiC.
O crescimento da demanda do segmento de VEs pode estar ainda subestimado no caso de uma transição para elétrico em veículos pesados, como caminhões, que exigirão um sistema de carregamento muito mais potente e pacotes de baterias suficientes para alimentar dezenas de VEs.
O carbeto de silício também é fundamental para os chamados “supercarregadores”, um ponto crucial para resolver um obstáculo na adoção de VEs, com o objetivo de reduzir o tempo de carregamento a poucos minutos.
O menor estresse térmico e o fornecimento de energia mais consistente também devem ajudar na longevidade das baterias.
Papel do Carbeto de Silício na Energia Verde e Solar
Inversores baseados em SiC para energia solar podem alcançar até 99% de eficiência, comparados aos inversores tradicionais baseados em silício que chegam a apenas 96‑98% de eficiência. Embora pareça pequeno, isso pode resultar em uma grande quantidade de energia extra ao longo da vida útil de uma instalação solar.
O carbeto de silício também é muito mais resistente ao calor, capaz de suportar temperaturas de até 300°C, enquanto os dispositivos de silício geralmente são limitados a 150°C, e 10 vezes a tensão.
No geral, os inversores de SiC são mais eficientes, mais duráveis, menores e mais baratos que os inversores mais antigos baseados em silício.
Outras Aplicações de Alta Tecnologia para o Carbeto de Silício
O carbeto de silício também está sendo usado cada vez mais em muitas aplicações como robótica, onde o desempenho superior do SiC permite que o acionamento do motor seja menor e localizado diretamente nas articulações, reduzindo drasticamente a complexidade e a fiação necessária.
Fonte: Arrow
Eles também estão ganhando importância em data centers, onde chips cada vez mais poderosos e a demanda de energia da IA exigem fontes de alimentação e eletrônica de controle mais robustas do que o silício pode oferecer.
Um cristal de carbeto de silício foi usado na criação do primeiro LED em 1907. Foi então fabricado em massa tanto em países ocidentais quanto na União Soviética nas décadas de 1970 e 1980. Mais tarde foi substituído pelo nitreto de gálio, com luz 10‑100 vezes mais brilhante, levando à adoção em massa dos LEDs atualmente.
No entanto, o SiC ainda é usado em LEDs, como substrato sobre o qual o nitreto de gálio é depositado, e para dissipar calor em LEDs de alta potência.
Abrasivos
O SiC é um material muito duro, tornando‑o útil como abrasivo em rebolos, lixas e outros produtos abrasivos para moer materiais como metais e cerâmicas. Normalmente, o SiC preto de grau inferior, mais barato e rico em impurezas, é usado nessas aplicações.
Graus superiores de SiC são usados em ferramentas de corte, também aproveitando a dureza extremamente alta deste material, mas com maior pureza, tornando‑o ainda mais resistente e menos frágil.
Materiais de Proteção
A combinação de alta dureza e resistência térmica também torna o SiC importante em outras aplicações. Geralmente é sinterizado (fusão parcial) em cerâmicas duras.
Uma aplicação é na produção de placas de armadura balística cerâmica, especialmente placas em coletes corporais pessoais, onde o SiC controla 27% do mercado, mas também em armaduras de helicópteros.
Essas cerâmicas endurecidas também são usadas em freios de carro e embreagens de carro.
Cerâmicas de carbeto de silício também são usadas em aplicações aeroespaciais, por exemplo, na camada externa de proteção térmica do escudo térmico inflável LOFTID da NASA.
Outra aplicação espacial do SiC é na produção de telescópios astronômicos, com deposição química de vapor permitindo um grande disco de SiC usado como espelhos nos telescópios. A baixa expansão térmica também pode ser usada como estrutura para a maquinaria muito precisa dos telescópios.
Catálise Química
A alta reatividade do carbeto de silício à eletricidade o torna um candidato potencial para novas formas de eletrocatálise. Essas reações geralmente dependem de uma forma de cristais de carbeto de silício chamada carbeto de silício cúbico, com uma área de superfície maior.
Por exemplo, foi recentemente descoberto que é um bom candidato para melhorar a fotocatálise de hidrogênio, ou a quebra direta da água em hidrogênio pela luz solar.
O carbeto de silício cúbico também pode ser usado como suporte catalítico para a oxidação de hidrocarbonetos.
Por fim, o carbeto de silício poderia ser usado para crescer semicondutores de grafeno.
Energia Nuclear
O carbeto de silício tem uma forte capacidade de absorver nêutrons, por isso é usado como revestimento para combustível nuclear, bem como para conter resíduos nucleares.
Sensores de SiC são usados para monitorar níveis de radiação em instalações nucleares e outras aplicações de detecção de radiação (ambiental, médico, etc.).
A resistência do SiC à radiação e variação térmica o torna um bom material para reatores nucleares espaciais, um campo em crescimento com planos da NASA e de outras nações para a Lua e até mesmo bases marcianas.
Joias
Um cristal baseado em carbono, o SiC compartilha muitas características com o diamante (carbono puro), e é conhecido como “moissanita sintética” em joias. Pode ser facilmente confundido com diamantes.
Fonte: MRF
Mitigando Riscos de Terras Raras com SiC
À medida que guerras comerciais, tarifas e sanções perturbam as relações comerciais EUA‑China, a indústria automotiva enfrenta o sério problema de potencial escassez de materiais de terras raras fabricados na China, com, por exemplo, a Ford fechando uma fábrica.
“É dia a dia. Tivemos que fechar fábricas. Estamos vivendo de mão em mão agora.”
Jim Farley – CEO da Ford
Este é um campo onde o SiC pode ajudar, graças ao carbeto de silício que permite motores síncronos excitados separadamente, eliminando a necessidade de ímãs permanentes que requerem terras raras.
Portanto, enquanto por um lado, os negócios de carbeto de silício poderiam sofrer se a cadeia de suprimentos de VEs fosse gravemente interrompida, por outro lado, seu produto poderia ser mais amplamente adotado em novos designs de VEs no futuro, a fim de reduzir a dependência dos suprimentos chineses de terras raras.
Conclusão
O carbeto de silício não é um material novo, mas a produção em massa de eletrônicos ultra‑puros e pequenos feitos com ele, com propriedades elétricas muito superiores, é.
Ele abriu a porta para muitas novas aplicações, atualmente sendo amplamente adotado para substituir opções mais antigas baseadas em silício em uma ampla gama de indústrias que crescem rapidamente, especialmente VEs e energia solar.
Quanto mais a indústria mundial e o transporte se eletrificam, mais carbeto de silício será necessário, pois a demanda de energia mais intensa requer carregadores mais fortes, baterias e controladores para ajudar no carregamento rápido e seguro, baterias mais duráveis, etc.
Além dessas aplicações, a produção em massa de SiC e a melhoria dos métodos de produção provavelmente reduzirão seus custos. Como resultado, outras aplicações como armaduras, escudos térmicos, aeroespacial e ferramentas provavelmente começarão a adotar o SiC com mais frequência.
Por fim, novos campos potenciais de aplicação ainda estão surgindo, notavelmente a possibilidade de usar carbeto de silício para a produção de hidrogênio verde.
No geral, o carbeto de silício provavelmente se tornará um material muito mais conhecido pelo público em geral no futuro. Com um CAGR esperado na faixa de 20‑30% para a próxima década, os investidores podem querer prestar atenção a esta pequena, porém rapidamente crescente, sub‑seção da indústria de semicondutores.
Empresas de Carbeto de Silício
ON Semi
(ON )
ON Semi é uma empresa de semicondutores especializada em eletrificação, incluindo automotivo, mas também em outros setores como energia solar, baterias, aeroespacial, telecomunicações, data centers e médico.
Como tal, é um parceiro chave para muitas das maiores empresas industriais do mundo.
Fonte: ON Semi
Uma grande parte da vantagem tecnológica da ON Semi baseia‑se em carbeto de silício, especialmente no caso de cargas de energia muito altas necessárias para o carregamento rápido de VEs.
A estratégia da ON Semi de apostar fortemente no carbeto de silício levou a empresa a experimentar um enorme aumento nas receitas nos últimos anos, impulsionado pela revolução dos VEs.
Fonte: ON Semi
Os sensores de carbeto de silício são mais eficientes em energia e apresentam melhor desempenho em ambientes de baixa luminosidade, o que será crucial para construir carros autônomos seguros.
Os produtos de carbeto de silício da ON Semi também são usados em instalações de energia solar de todos os tamanhos, data centers e sensores de todos os tipos (ultrassônicos, eletroquímicos, como monitoramento de glicemia, e detecção de objetos metálicos).
Acompanhando a tendência de eletrificação, a ON Semi controla 10% das receitas globais de SiC, e é uma das principais empresas norte‑americanas do setor, competindo com empresas europeias como a Infineon (IFNNY) e a ampla empresa de semicondutores STMicroelectronics (STM ).
Fonte: McKinsey
À medida que as cadeias de suprimentos industriais ocidentais se relocalizam longe do fornecimento chinês, a ON Semi provavelmente se beneficiará muito da tendência de eletrificação, especialmente em VEs e outras energias verdes.
(Você também pode ler um artigo mais longo sobre esta empresa em “On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification”.)
Aehr Test Systems
(AEHR )
Aehr é uma empresa de semicondutores com especialização em carbeto de silício.
Mais precisamente, a empresa produz equipamentos para testar os wafers de carbeto de silício. Isso lhe dá presença no setor automotivo de VEs, smartphones, chips de computador e fotônica/telecomunicações.
Fonte: Aehr
Isso torna a Aehr uma empresa muito de nicho e técnica e um componente crucial da cadeia de suprimentos. Ela afirma estar “a caminho de se tornar o padrão da indústria para uma etapa crítica de fabricação de semicondutores de potência de carbeto de silício.”
Aehr também está desenvolvendo ativamente novos mercados, notavelmente o mercado de burn‑in de nitreto de gálio, usado em aplicações de alta potência como inversores fotovoltaicos, tornando‑a presente em ambas as alternativas à eletrônica de potência baseada em silício.
Isso dá à Aehr uma base de clientes muito diversificada, parecendo o quem‑é‑quem da indústria de semicondutores e de ferramentas, incluindo TSMC, Texas Instruments, Seagate, Nvidia, Cisco, Qualcomm e Bosch.
Fonte: Aehr
A empresa poderia se beneficiar muito de novos segmentos emergentes na indústria de semicondutores, como a fotônica de silício.
Enquanto isso, ao ocupar um nicho pequeno e importante (teste de carbeto de silício) dentro de outro nicho na cadeia de suprimentos de VEs (eletrônica de potência de carbeto de silício), a Aehr está bem posicionada para se beneficiar do crescimento do volume de produção de VEs, independentemente da tecnologia de bateria mais recente, modelo de carro ou mudança nos padrões de plugues de carregamento.
Após um enorme aumento no preço das ações em 2023, no auge do entusiasmo por qualquer ação relacionada a VEs, a empresa agora voltou a uma avaliação mais razoável e representa uma opção “pick‑and‑shovel” para investidores no setor de carbeto de silício.
