Kiselkarbid: Drivkraften för den gröna energirevolutionen

Kiselkarbidens uppgång i kiselåldern

I en avlägsen framtid kanske historiker refererar till vår era som kiselåldern. Vid första anblicken verkar detta bero på de allestädes närvarande kiselchipsen i våra datorer, smartphones, apparater och ... kanske snart även våra hjärnor.

Men detta är inte den enda användningen av kisel, ett rikligt förekommande material som finns i vanlig sand. Polykisel är grundkomponenten i de flesta solpaneler, som för oss närmare en solenergidriven ekonomi.

En ny typ av kiselbaserat material blir lika viktigt, men ofta mindre känt av investerare och den bredare allmänheten: kiselkarbid.

Denna kombination av kisel och kol är överlägsen kisel ensamt i vissa viktiga egenskaper:

• En 10 gånger högre elektrisk fältkapacitet, vilket gör att den kan hantera mycket stora effektbelastningar.
  • Som ett resultat kan kiselkarbidkomponenter vara mindre och slås på och av snabbare.
• 3 gånger värmeledningsförmågan hos "normalt" kisel, vilket möjliggör mycket snabbare värmeavledning vid exponering för höga laddningar.
• Mycket mindre förluster resulterar i högre effektivitet och ännu mindre oönskad värmeproduktion.

På grund av dessa egenskaper har kiselkarbid blivit oumbärlig i alla tillämpningar som rör hög effekt och elektronik: solväxelriktare, elbilar, industriella strömförsörjningar etc.

Kiselkarbid 101

Kiselkarbid, även känt som karborundum eller SiC, kan hittas naturligt i meteoriter, men nästan ingen annanstans på jorden.

Källa: Global IMI

Materialet finns i många olika kristallformer, upp till 200 olika strukturer, som alla har något olika kemiska och fysikaliska egenskaper.

Källa: MRF

När det gäller elektrisk och termisk ledningsförmåga överträffar kiselkarbid kisel vida i nästan alla möjliga mätvärden.

Källa: MRF

Kiselkarbidproduktion

Massproduktion av kiselkarbid är relativt enkel och patenterades först 1893, med hjälp av en metod som kallas elektrisk satsugn. Processen värmer upp en blandning av kiseldioxid (sand) och kol (kokskol) till mycket höga temperaturer, vanligtvis 1,600 2,500–2,900 4,500 °C (XNUMX XNUMX–XNUMX XNUMX °F).

Kväve och aluminium är vanliga föroreningar från denna tillverkningsprocess, men de påverkar SiC:s elektriska ledningsförmåga.

Alternativa metoder, som oftast används vid tillverkning av elektroniska komponenter som kräver högre renhetsnivåer, är fysisk ångtransport (PVT), kemisk ångdeponering (CVD) eller flytande fasepitaxi (LPE).

Dessa metoder skiljer sig åt i hur kiselkarbiden levereras, men alla delar idén att producera en initial kristall och sedan odla den. Den stora kristallen skärs sedan i extremt tunna skivor till kiselkarbidskivor, på samma sätt som kiselskivor tillverkas för elektronikproduktion.

Källa: MRF

Sammantaget är tillverkningsprocessen och leveranskedjan för kiselkarbid mycket lik den för kiseltillverkningsindustrin, med liknande CVD, wafers etc.

På grund av de över 200 kristallformer som materialet kan anta måste produktionsprocessen testas och en exakt beräkning göras för storskalig produktion. Informationen för dessa processer är vanligtvis proprietär för de enskilda företagen, så forskning och utveckling behövs under de inledande stadierna av skapandet av en specifik process för att tillverka kiselkarbid.

Hälften av den globala produktionen av kiselkarbid finns i Kina, och produktionskapaciteten förväntas nästan fyrdubblas mellan 2023 års nivå och 2027.

Källa: McKinsey

Kiselkarbidmarknader

Kiselkarbid är fortfarande en liten marknad år 2024, värd endast 4.2 miljarder dollar. Det förväntas dock att växa extremt snabbt med en årlig tillväxttakt på 34.5 %, vilket innebär att den når 80.2 miljarder dollar år 2034.

Källa: Marknader & Marknader

Kraftapplikationer (SiC-moduler) är där den största delen av tillväxten förväntas komma ifrån, vilket driver den totala efterfrågan på kiselkarbid.

Marknaden kan delas in i svart kiselkarbid (med metallföroreningar) och grön kiselkarbid (högren SiC).

Svart kiselkarbid produceras mestadels för billigt slipmedel, medan grön kiselkarbid eller direktproduktion av kristaller ("andra typer") är råmaterialet som används för högteknologiska tillämpningar.

Källa: Global marknadsinsikt

Inom kraftapplikationer förväntas elbilar och andra gröna fordon (hybrider, bränsleceller etc.) vara den främsta drivkraften för ökad efterfrågan på kiselkarbid.

Källa: McKinsey

Kiselkarbidapplikationer

Kiselkarbid i elfordon

Den absolut viktigaste tillämpningen för kiselkarbid under det kommande decenniet, kraftelektronik, är där detta material är det mest oersättliga.

Den största undergruppen i denna kategori är elfordon, som förväntas växa med 31 % per år. SiC finns inte bara i kraftelektronik och styrenheter, utan även i batterier, övervakningssystem och laddare, både i bilen och laddstationen.

Källa: EV Mekanik

Redan år 2023 visades det att En växelriktare i kiselkarbid kan öka räckvidden för en elbil med 7 %Sedan dess har många nyare elbilsdesigner börjat innehålla fler kiselkarbidkomponenter.

Efterfrågetillväxten från elbilssegmentet kan till och med underskattas vid en övergång till el för tunga fordon som lastbilar, vilket kommer att kräva ett mycket kraftfullare laddningssystem och tillräckligt med batteripaket för att driva dussintals elbilar.

Kiselkarbid är också nyckeln till så kallade "superchargers", en nyckel till att lösa en motståndspunkt i elbilsanvändningen, med målet att minska laddningstiden till bara några minuter.

Den lägre termiska belastningen och den mer konsekventa strömförsörjningen bör också bidra till batteriernas livslängd.

Kiselkarbids roll i grön energi och solenergi

SiC-baserade växelriktare för solenergi kan uppnå upp till 99 % effektivitet, jämfört med traditionella kiselbaserade växelriktare med endast 96–98 %. Även om det kan verka litet kan detta resultera i en stor mängd extra energi under en solcellsanläggnings livslängd.

Kiselkarbid är också mycket mer värmebeständigt, kunna tål temperaturer upp till 300° Celsius, medan kiselkomponenter generellt är begränsade till 150°Coch 10 gånger spänningen.

Sammantaget är SiC-växelriktare effektivare, mer hållbara, mindre och billigare än äldre kiselbaserade växelriktare.

Andra högteknologiska användningsområden för kiselkarbid

Kiselkarbid används också i allt större utsträckning i många tillämpningar, såsom robotteknik, där SiC:s överlägsna prestanda gör att motordrivningen kan vara mindre och placeras direkt i leden, vilket avsevärt minskar komplexiteten och kabelbehovet.

Källa: arrow

De blir också allt viktigare i datacenter, där allt kraftfullare chip och strömförsörjning från AI kräver starkare strömförsörjning och styrelektronik än vad kisel kan tillhandahålla.

En kiselkarbidkristall användes vid skapandet av den första lysdioden år 1907. Den masstillverkades sedan i både västländer och Sovjetunionen på 1970- och 1980-talen. Den skulle senare ersättas av galliumnitrid, med 10–100 gånger starkare ljus, vilket leder till dagens massanvändning av lysdioder.

SiC används dock fortfarande i lysdioder, som substrat på vilket galliumnitrid avsätts, och för att sprida värme i kraftfulla lysdioder.

slipmedel

SiC är ett mycket hårt material, vilket gör det användbart som slipmedel i slipskivor, sandpapper och andra slipmedel för slipning av material som metaller och keramik. Det är vanligtvis den lägre kvaliteten, billigare och föroreningsrika svarta SiC som används för dessa tillämpningar.

Högre kvaliteter av SiC används i skärverktyg, vilket också utnyttjar materialets extremt höga hårdhet, men med den högre renheten gör den det ännu starkare och mindre sprött.

Skyddsmaterial

Kombinationen av hög hårdhet och värmebeständighet gör även SiC viktig i andra tillämpningar. Det sintras (delvis smälts) vanligtvis till hård keramik.

En tillämpning är vid tillverkning av keramisk skottsäker pansarplåt, särskilt plattor i personlig kroppsskydd, där SiC kontrollerar 27 % av marknaden, men även i helikopterpansar.

Dessa härdade keramiker används också i bilbromsar och bilkopplingar.

Kiselkarbidkeramik används också inom flyg- och rymdteknik, till exempel i det yttre värmeskyddsskiktet. av NASA:s uppblåsbara värmesköld LOFTID.

En annan rymdfokuserad tillämpning av SiC är vid tillverkning av astronomiska teleskop, där kemisk ångdeponering möjliggör en stor skiva av SIC som används som speglar i teleskopen. Den låga värmeutvidgningen kan också användas som ram för teleskopens mycket precisa maskineri.

Kemisk katalys

Kiselkarbidens höga reaktivitet mot elektricitet gör den till en potentiell kandidat för nya former av elektrokatalys. Dessa reaktioner använder vanligtvis en form av kiselkarbidkristaller som kallas kubisk kiselkarbid, med en större ytarea.

Till exempel har det nyligen upptäckts att det är en bra kandidat för förbättrad fotokatalys av väte, eller direkt nedbrytning av vatten till väte av solljus.

Kubisk kiselkarbid kan också användas som katalysatorbärare för oxidation av kolväten.

Slutligen, Kiselkarbid skulle kunna användas för att odla grafenhalvledare.

Kärnenergi

Kiselkarbid har en mycket stark förmåga att absorbera neutroner, så det används som beklädnad för kärnbränsle, samt för att innesluta kärnavfall.

SiC-sensorer används för att övervaka strålningsnivåer i kärnkraftsanläggningar och andra strålningsdetekteringsapplikationer (miljö, medicinska miljöer etc.).

SiC:s motståndskraft mot strålning och termiska variationer gör det till ett bra material för rymdbundna kärnreaktorer, ett växande område med NASA och andra nationers planer för månen och kanske till och med Marsbaser.

Smycken

SiC är en kristall baserad på kol, som delar många egenskaper med diamant (rent kol) och är känd som "syntetisk moissanit" i smycken. Den kan lätt misstas som diamanter.

Källa: MRF

Minska riskerna med sällsynta jordartsmetaller med SiC

I takt med att handelskrig, tullar och sanktioner stör handelsrelationerna mellan USA och Kina står bilindustrin inför det mycket allvarliga problemet att de potentiellt kan få slut på Kinatillverkade sällsynta jordartsmetaller. med till exempel att Ford stänger ner en fabrik.

"Det är dag för dag. Vi har varit tvungna att stänga ner fabriker. Det är från hand till mun just nu."

Jim Farley – Fords VD

Detta är ett område där Sic kan vara till hjälp, tack vare att kiselkarbid möjliggör separat exciterade synkronmotorer, vilket eliminerar behovet av permanentmagneter som kräver sällsynta jordartsmetaller.

Så medan å ena sidan kiselkarbidföretag skulle kunna drabbas om leveranskedjan för elbilar allvarligt stördes, skulle deras produkter å andra sidan kunna antas i större utsträckning i nya elbilsdesigner i framtiden, i syfte att minska beroendet av kinesiska sällsynta jordartsmetaller.

Slutsats

Kiselkarbid är inte ett nytt material, men massproduktion av ultraren och liten elektronik tillverkad av det, med oerhört överlägsna elektriska egenskaper, är det.

Det har öppnat dörren för många nya tillämpningar och används för närvarande i stor utsträckning för att ersätta äldre kiselbaserade alternativ inom en mängd olika snabbt växande industrier, särskilt elbilar och solenergi.

Ju mer världsindustrin och transporterna elektrifieras, desto mer kiselkarbid kommer de att behöva, eftersom en ökad efterfrågan på ström kräver starkare laddare, batterier och styrenheter för att möjliggöra snabb och säker laddning, mer hållbara batterier etc.

Förutom dessa tillämpningar kommer massproduktion av kiselkarbid och förbättring av produktionsmetoder sannolikt att minska dess produktionskostnader. Som ett resultat kommer andra tillämpningar, som pansar, värmesköldar, flyg- och rymdteknik och verktyg, sannolikt att börja använda kiselkarbid oftare.

Slutligen öppnas fortfarande nya potentiella tillämpningsområden, särskilt möjligheten att använda kiselkarbid för produktion av grön vätgas.

Sammantaget kommer kiselkarbid sannolikt att bli ett mycket mer välkänt material för den bredare allmänheten i framtiden. Med en förväntad årlig tillväxttakt (CAGR) på 20–30 % under det kommande decenniet kanske investerare vill uppmärksamma denna lilla men snabbt växande del av halvledarindustrin.

Kiselkarbidföretag

PÅ Semi

ON Semi är ett halvledarföretag specialiserat på elektrifiering, inklusive inom bilindustrin, men också inom andra sektorer som solenergi, batterier, flyg, telekommunikation, datacenter och medicinsk.

Som sådan är det en viktig partner för många av de största industriföretagen i världen.

Källa: PÅ Semi

En stor del av ON Semis tekniska fördel bygger på kiselkarbid, särskilt vid mycket höga effektbelastningar som krävs för snabbladdning av elbilar.

ON Semis strategi att fördubbla sin satsning på kiselkarbid ledde till att företaget upplevde en massiv intäktsökning de senaste åren, buret av elbilsrevolutionen.

Källa: PÅ Semi

Kiselkarbidsensorer är både mer energieffektiva och presterar bättre i miljöer med svagt ljus, vilket kommer att vara avgörande för att bygga säkra självkörande bilar.

ON Semis kiselkarbidprodukter används också i solenergiinstallationer av alla storlekar, datacenter och sensorer av alla slag (ultraljud, elektrokemiska, som blodsockerövervakning och detektering av metallföremål).

ON Semi rider på elektrifieringstrenden och kontrollerar 10 % av de globala SiC-intäkterna och är ett av de ledande nordamerikanska företagen i sektorn, och konkurrerar med de europeiska företagen Infineon (IFNNY) och det bredare halvledarföretaget STMicroelectronics (STM -4.81%).

Källa: McKinsey

I takt med att de västerländska industriella leveranskedjorna flyttar från kinesiska leveranser, kommer ON Semi sannolikt att dra stor nytta av elektrifieringstrenden, särskilt inom elbilar och andra gröna energikällor.

(Du kan också läsa en längre artikel om detta företag i “På halvledare (ON): Kiselkarbid driver elektrifiering".)

Aehr testsystem

Aehr är ett halvledarföretag med specialisering inom kiselkarbid.

Mer exakt producerar företaget utrustning för att testa kiselkarbidskivor. Detta ger dem en närvaro inom elfordonssektorn, smartphones, datorchips och fotonik/telekommunikation.

Källa: Aehr

Detta gör Aehr till ett mycket nischat och tekniskt företag och en avgörande del av leveranskedjan. Det påstår sig vara "på väg att bli branschstandard för ett kritiskt tillverkningssteg för krafthalvledare av kiselkarbid". "

Aehr utvecklar också aktivt nya marknader, särskilt marknaden för inbränning av galliumnitrid, som används i högeffektsapplikationer som solcellsväxelriktare, vilket gör den till ett alternativ till kiselbaserad kraftelektronik.

Detta ger Aehr en mycket diversifierad kundbas, som ser ut som vem som är vem inom halvledarindustrin och verktygsindustrin, inklusive TSMC, Texas Instruments, Seagate, Nvidia, Cisco, Qualcomm och Bosch.

Källa: Aehr

Företaget skulle kunna dra stor nytta av framväxande nya segment inom halvledarindustrin, som kiselfotonik.

Samtidigt, genom att ockupera en liten och viktig nisch (kiselkarbidtestning) inom en annan nisch i leveranskedjan för elbilar (kiselkarbidkraftelektronik), är Aehr väl positionerat för att dra nytta av tillväxten i produktionsvolymen för elbilar, oavsett den senaste batteritekniken, bilmodellen eller förändringar i laddningsstandarder.

Efter en massiv ökning av aktiekursen under 2023, på toppen av entusiasmen för alla elbilsrelaterade aktier, är företaget nu tillbaka till en mer rimlig värdering och representerar ett "plocka-och-spade"-alternativ för investerare inom kiselkarbidsektorn.