Siliciumkarbid: Drivkraften bakom den gröna energirevolutionen

Siliciumkarbids uppgång i silikontiden

I en avlägsen framtid kan historiker referera till vår era som Silikontiden. Vid första anblicken verkar det bero på de allestädes närvarande silikenchippen i våra datorer, smartphones, hushållsapparater och kanske snart även våra hjärnor.

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

En ny typ av kiselbaserat material blir lika viktigt, men är ofta mindre känt bland investerare och allmänheten: siliciumkarbid.

Denna kombination av kisel och kol är överlägsen rent kisel i vissa nyckelkriterier:

• En 10 gånger högre elektrisk fältkapacitet, vilket gör att den kan hantera mycket stora effektbelastningar.
  • Som ett resultat kan siliciumkarbid-enheter vara mindre och slå på och av snabbare.
• 3 gånger den termiska ledningsförmågan jämfört med “vanligt” kisel, vilket möjliggör mycket snabbare värmeavledning vid hög belastning.
• Mycket mindre förluster ger högre effektivitet och ännu mindre oönskad värmeproduktion.

På grund av dessa egenskaper har siliciumkarbid blivit oumbärligt i alla tillämpningar som hanterar hög effekt och elektronik: solinvertrar, elbilar, industriella strömförsörjningar osv.

Siliciumkarbid 101

Siliciumkarbid, även känt som karborund eller SiC, finns naturligt i meteorit, men nästan ingen annanstans på jorden naturligt.

Käll: Global IMI

Materialet finns i många olika kristallformer, upp till 200 olika strukturer, var och en med något olika kemiska och fysiska egenskaper.

Käll: MRF

När det gäller elektrisk och termisk ledningsförmåga överträffar siliciumkarbid silikonen vida på nästan alla möjliga mått.

Käll: MRF

Siliciumkarbidproduktion

Storskalig produktion av siliciumkarbid är relativt enkel och patenterades först 1893, med en metod känd som den elektriska batchugnen. Processen värmer upp en blandning av kisel (sand) och kol (koks) till mycket höga temperaturer, vanligtvis 1 600 °C‑2 500 °C (2 900 °F‑4 500 °F).

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

Alternativa metoder, som främst används för att producera elektroniska komponenter som kräver högre renhetsnivåer, är fysisk förångningstransport (PVT), kemisk ångdeposition (CVD) eller flytfasepitaxi (LPE).

Dessa metoder skiljer sig åt i hur siliciumkarbiden levereras, men alla bygger på idén att producera en initial kristall och sedan växa den. Den stora kristallen skärs sedan i extremt tunna skivor till siliciumkarbidplattor, på liknande sätt som kiselplattor tillverkas för elektronikproduktion.

Käll: MRF

Övergripande är siliciumkarbidens tillverkningsprocess och leveranskedja mycket liknande silikontillverkningsindustrin, med liknande CVD, plattor osv.

Eftersom materialet kan anta över 200 kristallformer måste produktionsprocessen testas och en exakt beräkning göras för storskalig produktion. Information om dessa processer är vanligtvis företagshemlig, så F&U behövs under de inledande faserna av skapandet av en specifik process för att tillverka siliciumkarbid.

Hälften av den globala siliciumkarbidproduktionen finns i Kina, och produktionskapaciteten förväntas nästan fyrdubblas mellan 2023 och 2027.

Käll: McKinsey

Siliciumkarbidmarknader

Siliciumkarbid är fortfarande en liten marknad år 2024, värd endast 4,2  miljarder dollar. Det förväntas dock växa extremt snabbt med 34,5 % CAGR och nå 80,2  miljarder dollar år 2034.

Käll: Markets & Markets

Strömapplikationer (SiC-moduler) är där den största tillväxten förväntas komma ifrån, vilket driver den totala efterfrågan på siliciumkarbid högre.

Marknaden kan delas in i svart siliciumkarbid (med metallföroreningar) och grön siliciumkarbid (högrenhet SiC).

Svart siliciumkarbid produceras främst för billig slipning, medan grön siliciumkarbid eller direktproduktion av kristall (“andra typer”) är råmaterialet som används för högteknologiska tillämpningar.

Käll: Global Market Insights

I strömapplikationer förväntas elbilar och andra gröna fordon (hybrider, bränsleceller osv.) vara den främsta drivkraften för ökad efterfrågan på siliciumkarbid.

Käll: McKinsey

Siliciumkarbidapplikationer

Siliciumkarbid i elbilar

Den viktigaste applikationen för siliciumkarbid under det kommande decenniet är kraftelektronik, där materialet är mest oersättligt.

Den största underkategorin inom detta område är elbilar, som förväntas växa med 31 % per år. SiC finns inte bara i kraftelektroniken och styrsystemen, utan även i batteriet, övervakningssystemet och laddarna, både i bilen och i laddstationen.

Käll: EV Mechanica

Redan 2023 demonstrerades att en siliciumkarbidinverter kan öka räckvidden för en elbil med 7 %. Sedan dess har många nyare elbilsdesigner börjat integrera fler SiC-komponenter.

Efterfrågeökningen från elbilssegmentet kan vara ännu underskattad i fallet med en övergång till eldrift för tunga fordon som lastbilar, vilka kommer att kräva ett mycket kraftfullare laddningssystem och tillräckligt med batteripaket för att driva dussintals elbilar.

Siliciumkarbid är också nyckeln för så kallade ”superladdare”, en viktig faktor för att lösa ett hinder i elbilsadoptionen, med målet att minska laddningstiden till bara några minuter.

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

Siliciumkarbids roll i grön energi och solenergi

SiC-baserade invertrar för solenergi kan nå upp till 99 % effektivitet, jämfört med traditionella kiselbaserade invertrar som bara når 96‑98 % effektivitet. Även om skillnaden verkar liten kan den ge en stor mängd extra energi under en solinstallations livstid.

Siliciumkarbid är också mycket mer värmebeständig, kan tåla temperaturer upp till 300 °C, medan kiselbaserade enheter vanligtvis är begränsade till 150 °C, och 10 gånger spänningen.

Sammanfattningsvis är SiC-invertrar mer effektiva, mer hållbara, mindre och billigare än äldre, kiselbaserade invertrar.

Andra högteknologiska användningsområden för siliciumkarbid

Siliciumkarbid används också i ökande grad i många tillämpningar som robotik, där SiC:s överlägsna prestanda möjliggör att motorstyrningen blir mindre och placeras direkt i lederna, vilket kraftigt minskar komplexiteten och den nödvändiga kablaget.

Käll: Arrow

De blir också viktigare i datacenter, där allt kraftfullare chip och AI:s energibehov kräver starkare strömförsörjning och styr‑elektronik än vad kisel kan leverera.

En siliciumkarbidkristall användes vid skapandet av den första LED:n 1907. Den massproducerades sedan både i västländer och i Sovjetunionen på 1970‑ och 1980‑talen. Den ersattes senare av galliumnitrid, med 10‑100  gånger starkare ljus, vilket ledde till dagens massiva adoption av LED‑lampor.

Siliciumkarbid används dock fortfarande i LED‑lampor, som substrat där galliumnitrid deponeras, samt för att sprida värme i kraftfulla LED‑lampor.

Slipmedel

SiC är ett mycket hårt material, vilket gör det användbart som slipmedel i sliphjul, sandpapper och andra slipprodukter för att slipa material som metaller och keramik. Det är vanligtvis den lägre graden, billigare och föroreningstunga svarta SiC som används för dessa tillämpningar.

Högre grader av SiC används i skärverktyg, där man också utnyttjar materialets extremt höga hårdhet, men med högre renhet vilket gör det ännu starkare och mindre sprött.

Skyddsmaterial

Kombinationen av hög hårdhet och termisk motståndskraft gör också SiC viktigt i andra tillämpningar. Det sintras (delvis smälts) vanligtvis till hårda keramer.

En tillämpning är produktionen av keramiska skottsäkra pansarplattor, särskilt plattor i personlig kroppsrustning, där SiC kontrollerar 27 % av marknaden, men även i helikopterpansar.

Dessa härdade keramer används också i bilbromsar och bilkopplingar.

Siliciumkarbidkeramer används också i rymdapplikationer, till exempel i det yttre termiska skyddslagret för NASAs LOFTID uppblåsbara värmesköld.

En annan rymdfokuserad tillämpning av SiC är i produktionen av astronomiska teleskop, där kemisk ångdeposition möjliggör en stor skiva av SiC som används som speglar i teleskopen. Den låga värmeutvidgningen kan också användas som ram för den mycket precisa maskinvaran i teleskopen.

Kemisk katalys

Den höga reaktiviteten hos siliciumkarbid mot elektricitet gör den till en potentiell kandidat för nya former av elektrokatalys. Dessa reaktioner förlitar sig vanligtvis på en form av siliciumkarbidkristaller som kallas kubisk siliciumkarbid, med en större yta.

Till exempel har det nyligen upptäckts vara en bra kandidat för förbättrad fotokatalys av väte, eller den direkta sönderdelningen av vatten till väte med solljus.

Kubisk siliciumkarbid kan också användas som katalysatorstöd för oxidation av kolväten.

Slutligen, kan siliciumkarbid användas för att odla grafensemiconductorer.

Kärnkraft

Siliciumkarbid har en mycket stark förmåga att absorbera neutroner, så den används som omslutning för kärnbränsle samt för att lagra kärnavfall.

SiC-sensorer används för att övervaka strålningsnivåer i kärnanläggningar och andra strålningsdetekteringsapplikationer (miljö, medicinsk miljö osv.).

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 eventuellt även marsbaser.

Smycken

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

Käll: MRF

Minska riskerna med sällsynta jordartsmetaller med SiC

När handelkrig, tullar och sanktioner stör USA‑Kinas handelsrelationer står bilindustrin inför den mycket allvarliga frågan om potentiell brist på sällsynta jordartsmetaller från Kina, med exempelvis Ford som stänger en fabrik.

“Det är dag för dag. Vi har varit tvungna att stänga fabriker. Det är hand‑till‑mun just nu.”

Jim Farley – Ford VD

Detta är ett område där SiC kan hjälpa, tack vare att siliciumkarbid möjliggör separat excitationssynkrona motorer, vilket eliminerar behovet av permanenta magneter som kräver sällsynta jordartsmetaller.

Så medan siliciumkarbidföretag på ena sidan kan drabbas om elbilsförsörjningskedjan kraftigt störs, kan deras produkter på andra sidan bli mer allmänt antagna i nya elbilsdesigner i framtiden, för att minska beroendet av kinesiska sällsynta jordartsmetaller.

Slutsats

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

Det har öppnat dörren till många nya tillämpningar, som för närvarande antas i stor omfattning för att ersätta äldre kiselbaserade alternativ i en rad snabbt växande industrier, särskilt elbilar och solenergi.

Ju mer världens industri och transport elektrifieras, desto mer siliciumkarbid kommer att behövas, eftersom högre effektbehov kräver starkare laddare, batterier och styrsystem för snabb och säker laddning, mer hållbara batterier osv.

Förutom dessa tillämpningar kommer massproduktionen av SiC och förbättringen av produktionsmetoder sannolikt att sänka produktionskostnaderna. Som ett resultat kommer andra tillämpningar som pansar, värmesköld, rymd och verktyg sannolikt att börja anta SiC oftare.

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

Sammanfattningsvis är det sannolikt att siliciumkarbid blir ett mycket mer känt material för allmänheten i framtiden. Med en förväntad CAGR på 20‑30 % under det kommande decenniet kan investerare vilja uppmärksamma denna lilla men snabbt växande del av halvledarindustrin.

Siliciumkarbidföretag

ON Semi

ON Semi är ett halvledarföretag som specialiserar sig på elektrifiering, inklusive inom bilindustrin, men även i andra sektorer som solenergi, batterier, rymd, telekommunikation, datacenter och medicin.

Som sådan är det en nyckelpartner för många av världens största industriföretag.

Käll: ON Semi

En stor del av ON Semis teknologiska fördel bygger på siliciumkarbid, särskilt i fallet med mycket hög effektbelastning som krävs för snabb laddning av elbilar.

ON Semis strategi att satsa tungt på siliciumkarbid ledde till att företaget upplevde en enorm intäktsökning de senaste åren, drivet av elbilsrevolutionen.

Käll: ON Semi

Siliciumkarbidsensorer är både mer energieffektiva och presterar bättre i svagt ljus, vilket blir avgörande för att bygga säkra självkörande bilar.

ON Semis siliciumkarbidprodukter används också i solenergiinstallationer av alla storlekar, datacenter och sensorer av alla slag (ultraljud, elektrokemiska, såsom blodsockermätning, och metallobjektdetektion).

Genom att följa trenden med elektrifiering kontrollerar ON Semi 10 % av de globala SiC‑intäkterna och är ett av de ledande nordamerikanska företagen i sektorn, i konkurrens med europeiska företag som Infineon (IFNNY) och det bredare halvledarföretaget STMicroelectronics (STM ).

Käll: McKinsey

När de västerländska industriella leveranskedjorna omlokaliseras bort från kinesisk leverans kommer ON Semi sannolikt att dra stor nytta av elektrifieringstrenden, särskilt inom elbilar och annan grön energi.

(Du kan också läsa en längre artikel om detta företag i “On Semiconductor (ON): Siliciumkarbid driver elektrifiering”.)

Aehr Test Systems

Aehr är ett halvledarföretag med specialisering på siliciumkarbid.

Mer exakt producerar företaget utrustning för testning av siliciumkarbidplattor. Detta ger dem en närvaro inom EV‑bilsektorn, smartphones, datorkretsar och fotonik/telekommunikation.

Käll: Aehr

Detta gör Aehr till ett mycket nischat och tekniskt företag och en avgörande komponent i leveranskedjan. Det påstår sig vara på väg att bli branschstandard för ett kritiskt tillverkningssteg för siliciumkarbidkraftsemiconductor.

Aehr utvecklar också aktivt nya marknader, särskilt galliumnitrid‑burn‑in‑marknaden, som används i högkraftsapplikationer som fotovoltaiska invertrar, vilket gör dem närvarande i både alternativ till kiselbaserad kraftelektronik.

Detta ger Aehr en mycket diversifierad kundbas, som motsvarar branschens A‑lista inom halvledar- och verktygsindustrin, inklusive TSMC, Texas Instruments, Seagate, Nvidia, Cisco, Qualcomm och Bosch.

Käll: Aehr

Företaget kan dra stor nytta av framväxande nya segment inom halvledarindustrin, såsom silikofotonik.

Under tiden, genom att inneha en liten och viktig nisch (testning av siliciumkarbid) inom en annan nisch i EV‑leveranskedjan (siliciumkarbidkraftelektronik), är Aehr väl positionerat för att dra nytta av tillväxten i EV‑produktionsvolymen, oavsett den senaste batteritekniken, bilmodellen eller förändringar i laddningspluggar.

Efter en enorm aktiekursökning 2023, på toppen av entusiasmen för alla EV‑relaterade aktier, har företaget nu återgått till en mer rimlig värdering och representerar ett ”pick‑and‑shovel”‑alternativ för investerare i siliciumkarbidsektorn.