Computing
Silicon carbide: Nagbibigay-lakas sa rebolusyon ng malinis na enerhiya
Idagdag ang Securities.io sa mga gusto mong mapagkunan sa Google
Ang Pagsikat ng Silicon Carbide sa Panahon ng Silicon
Sa malayong hinaharap, maaaring tawagin ng mga historyador ang ating panahon na Panahon ng Silicon. Sa unang tingin, ito ay dahil sa laganap na silicon chip sa mga computer, smartphone, kagamitan sa bahay, at marahil pati sa ating utak sa hinaharap.
Ngunit hindi lamang ito ang gamit ng silicon, isang saganang materyal na matatagpuan sa karaniwang buhangin. Ang polysilicon ang pangunahing sangkap ng karamihan sa solar panel, na naglalapit sa atin sa ekonomiyang pinatatakbo ng enerhiyang solar.
May isa pang materyal na nakabatay sa silicon na nagiging kasinghalaga ngunit hindi gaanong kilala ng mga mamumuhunan at ng publiko: silicon carbide.
Ang tambalan ng silicon at carbon na ito ay nakahihigit sa purong silicon sa ilang mahahalagang katangian:
- Humigit-kumulang 10 ulit na mas mataas na electric-field strength, kaya nakakayanan nito ang napakalalaking power load.
- Dahil dito, maaaring mas maliit at mas mabilis mag-switch ang mga aparatong silicon carbide.
- Humigit-kumulang tatlong ulit ang thermal conductivity kumpara sa karaniwang silicon, kaya mas mabilis nitong nailalabas ang init sa mataas na power load.
- Ang mas mababang pagkawala ng enerhiya ay nagbibigay ng mas mataas na kahusayan at mas kaunting hindi kanais-nais na init.
Dahil sa mga katangiang ito, naging mahalaga ang silicon carbide sa mga high-power electronic application gaya ng solar inverter, de-kuryenteng sasakyan, at industriyal na power supply.
Silicon Carbide 101
Ang silicon carbide, na tinatawag ding carborundum o SiC, ay likas na matatagpuan sa ilang meteorite ngunit napakabihira sa kalikasan sa Daigdig.
Pinagmulan: Global IMI
May mahigit 200 crystal polytype ang materyal, at bawat isa ay may bahagyang magkakaibang katangiang kemikal at pisikal.
Pinagmulan: MRF
Sa maraming sukatan na mahalaga sa power electronics—kabilang ang electric-field strength, bandgap, at thermal conductivity—mas mahusay ang silicon carbide kaysa silicon.
Pinagmulan: MRF
Produksyon ng Silicon Carbide
Medyo payak ang maramihang produksyon ng silicon carbide, at unang napatente noong 1893 ang paraang gumagamit ng electric batch furnace. Pinaiinit dito ang pinaghalong silica o buhangin at carbon mula sa coking coal sa napakataas na temperaturang karaniwang 1,600–2,500 °C.
Karaniwang impurity sa prosesong ito ang nitrogen at aluminum, at naaapektuhan ng mga ito ang electrical property ng SiC.
Para sa mga electronic component na nangangailangan ng mas mataas na purity, ginagamit ang mga alternatibong paraang physical vapor transport (PVT), chemical vapor deposition (CVD), at liquid phase epitaxy (LPE).
Magkakaiba ang mga paraang ito sa paghahatid at pagpapalago ng silicon carbide, ngunit lahat ay nagsisimula sa seed crystal na pinalalaki. Pagkatapos ay hinihiwa ang malaking kristal upang maging napakanipis na SiC wafer, katulad ng paggawa ng silicon wafer para sa electronics.
Pinagmulan: MRF
Sa kabuuan, kahawig ng industriya ng silicon ang proseso at supply chain ng silicon carbide, kabilang ang CVD at pagproseso ng wafer.
Dahil mahigit 200 ang posibleng crystal polytype ng materyal, kailangang masusing subukan at isaayos ang proseso para sa malakihang produksyon. Karaniwang pag-aari ng bawat kumpanya ang detalye ng mga prosesong ito, kaya kailangan ng malaking panimulang pananaliksik at pagpapaunlad.
Nasa China ang humigit-kumulang kalahati ng pandaigdigang produksyon ng silicon carbide, at inaasahang halos apat na ulit ang ilalaki ng kapasidad mula 2023 hanggang 2027.
Pinagmulan: McKinsey
Mga Merkado ng Silicon Carbide
Noong 2024, medyo maliit pa ang merkado ng silicon carbide sa halagang humigit-kumulang $4.2 bilyon. Gayunman, inaasahang lalago ito sa 34.5% taunang compounded rate at aabot sa $80.2 bilyon pagsapit ng 2034.
Pinagmulan: Markets & Markets
Inaasahang manggagaling ang malaking bahagi ng paglago sa power-electronics application at SiC module, na magtutulak pataas sa kabuuang demand.
Maaaring hatiin ang merkado sa black silicon carbide na may metal impurity at green silicon carbide na mas mataas ang purity.
Kadalasang ginagamit ang black silicon carbide sa murang abrasive, samantalang ang green SiC at direktang pinalagong kristal ang hilaw na materyal para sa high-tech application.
Pinagmulan: Global Market Insights
Sa power electronics, inaasahang magiging pangunahing pinagmumulan ng paglaki ng demand ang mga de-kuryenteng sasakyan at iba pang low-emission vehicle gaya ng hybrid at fuel-cell vehicle.
Pinagmulan: McKinsey
| Sektor | Paggamit ng SiC | Benepisyo |
|---|---|---|
| Mga Elektrikong Sasakyan | Inverter, charger, kontrol ng kapangyarihan | Mas mataas na kahusayan, saklaw, mabilis na pag-charge |
| Enerhiyang Solar | Inverter na batay sa SiC | Mas mataas na kahusayan, mas maliit na puwang |
| Aerospace | Heat shield, salamin | Thermal resistance, mababang paglawak |
| Robotics at Data Centers | Power electronics, motor drive | Mas mababang pagkawala ng kapangyarihan, miniaturization |
| Depensa at Kaligtasan | Armor plate, sistema ng preno | Katigasan, resistensya sa init at impact |
Mga Aplikasyon ng Silicon Carbide
Silicon Carbide sa mga Elektrikong Sasakyan
Sa susunod na dekada, inaasahang magiging pinakamahalagang gamit ng silicon carbide ang power electronics, kung saan malinaw ang mga bentahe nito.
Ang pinakamalaking bahagi ng kategoryang ito ay mga de-kuryenteng sasakyan, na inaasahang lalago nang humigit-kumulang 31% bawat taon. Ginagamit ang SiC sa power electronics, controller, battery-monitoring system, at charger sa sasakyan at charging station.
Pinagmulan: EV Mechanica
Noong 2023, ipinakita sa isang halimbawa na maaaring mapataas ng silicon-carbide inverter nang mahigit 7% ang saklaw ng isang EV. Mula noon, mas maraming bagong disenyo ng EV ang gumagamit ng mas maraming SiC component.
Maaaring mas mababa pa sa tunay na antas ang pagtataya sa demand mula sa EV kung makoryente ang mga heavy-duty vehicle gaya ng trak, dahil mangangailangan ang mga ito ng mas malalakas na charging system at malalaking battery pack.
Mahalaga rin ang silicon carbide sa mga high-power fast charger na naglalayong paikliin ang oras ng pag-charge.
Maaari ding makatulong sa haba ng buhay ng baterya ang mas mababang thermal stress at mas matatag na paghahatid ng kuryente.
Ang Papel ng Silicon Carbide sa Luntiang Enerhiya at Solar
Maaaring umabot sa 99% ang kahusayan ng SiC-based inverter para sa solar power, kumpara sa karaniwang 96–98% ng tradisyonal na silicon-based inverter. Bagama’t maliit ang pagitan, maaari itong magbigay ng malaking dagdag na enerhiya sa buong buhay ng isang solar installation.
Mas matibay din sa init ang silicon carbide; kaya nitong tiisin ang hanggang 300 °C, samantalang karaniwang limitado sa humigit-kumulang 150 °C ang silicon device at humigit-kumulang 10 ulit na mas mataas na electric field.
Sa pangkalahatan, maaaring mas mahusay, mas matibay, at mas maliit ang SiC inverter; nakadepende naman sa disenyo at sukat ng produksyon ang kabuuang bentahe sa gastos.
Iba pang High-Tech na Paggamit ng Silicon Carbide
Dumarami rin ang gamit ng silicon carbide sa robotics. Dahil sa mataas na power density nito, maaaring paliitin ang motor drive at ilagay mismo sa mga joint, kaya nababawasan ang pagiging kumplikado at pangangailangan sa kable.
Pinagmulan: Arrow
Nagiging mahalaga rin ang mga SiC component sa data center, kung saan pinatataas ng mas malalakas na chip at AI workload ang pangangailangan sa mahusay na power supply at control electronics.
Noong 1907, ginamit ang silicon-carbide crystal sa isa sa mga unang demonstrasyon ng solid-state light emission. Maramihang ginawa ang SiC LED sa mga Kanluraning bansa at Soviet Union noong dekada 1970 at 1980, ngunit kalaunan ay napalitan ito ng mas maliwanag na gallium-nitride LED.
Gayunman, ginagamit pa rin ang SiC bilang substrate na pinapatungan ng gallium nitride at bilang tagapagkalat ng init sa high-power LED.
Abrasives
Napakatigas ng SiC, kaya kapaki-pakinabang ito bilang abrasive sa grinding wheel, liha, at iba pang produktong panghasa ng metal at ceramic. Karaniwang ginagamit dito ang mas mura at mas maraming impurity na black SiC.
Ginagamit naman ang mas mataas na uri ng SiC sa cutting tool dahil sa tigas at mas mahusay nitong katangiang mekanikal.
Protektibong Materyales
Mahalaga rin ang SiC sa iba pang gamit dahil sa pinagsamang tigas at thermal resistance nito. Karaniwan itong sini-sinter upang maging matigas na ceramic.
Isa sa mga gamit nito ang paggawa ng ceramic ballistic plate, lalo na para sa personal body armor; iniulat na humigit-kumulang 27% ang bahagi ng SiC sa merkadong ito; ginagamit din ito sa armor ng helicopter.
Ginagamit din ang mga pinatigas na ceramic na ito sa preno at clutch ng sasakyan.
Ginagamit din ang silicon-carbide ceramic sa aerospace, halimbawa sa panlabas na thermal-protection layer ng LOFTID inflatable heat shield ng NASA.
Isa pang gamit ng SiC sa kalawakan ang paggawa ng astronomical telescope. Sa chemical vapor deposition, maaaring makagawa ng malalaking SiC disk para sa mga salamin. Kapaki-pakinabang din ang mababang thermal expansion nito sa balangkas ng napakatumpak na mekanismo ng teleskopyo.
Chemical Catalysis
Dahil sa electronic property nito, posibleng gamitin ang silicon carbide sa mga bagong uri ng electrocatalysis. Kadalasang nakatuon ang pananaliksik sa cubic silicon carbide na maaaring magbigay ng mas malaking aktibong surface area.
Halimbawa, natuklasan kamakailan na isa itong mahusay na kandidato para sa pinahusay na photocatalysis ng hydrogen, o direktang paghahati ng tubig gamit ang sikat ng araw.
Maaari ding gamitin ang cubic silicon carbide bilang catalyst support sa oxidation ng hydrocarbon.
Lastly, maaaring gamitin ang silicon carbide sa pagpapalago ng graphene semiconductor.
Nuklear na Enerhiya
Mataas ang resistensya ng silicon carbide sa neutron radiation at temperatura, kaya maaari itong gamitin sa nuclear-fuel cladding at sa mga materyal na naglalaman ng nuclear waste.
Ginagamit ang SiC sensor sa pagsubaybay ng radiation sa nuclear facility at sa iba pang environmental at medical radiation-detection application.
Dahil matibay ang SiC sa radiation at pagbabago ng temperatura, interesado rito ang mga gumagawa ng nuclear reactor para sa kalawakan; pinalalawak ng mga plano ng NASA at ibang bansa para sa Moon at posibleng Mars base ang pananaliksik sa larangang ito.
Alahas
Dahil naglalaman ito ng carbon, may ilang biswal na pagkakatulad ang SiC sa diamond. Sa alahas, kilala ito bilang synthetic moissanite at maaaring mapagkamalang diamond ng hindi eksperto.
Pinagmulan: MRF
Pagpigil sa mga Panganib ng Rare-Earth gamit ang SiC
Habang ginagambala ng trade war, taripa, at sanction ang ugnayang pangkalakalan ng US at China, nahaharap ang automotive industry sa seryosong kakulangan ng rare-earth material mula China; halimbawa, itinigil ng Ford ang produksyon sa isang pabrika dahil dito.
«Araw-araw nagbabago ang sitwasyon. Kinailangan naming magsara ng mga pabrika. Sapat lamang sa pang-araw-araw na pangangailangan ang suplay ngayon.»
Jim Farley — CEO ng Ford
Makakatulong ang silicon carbide sa mahusay na power electronics para sa separately excited synchronous motor, na maaaring magbawas sa pangangailangan sa permanent magnet na gumagamit ng rare-earth element.
Maaaring maapektuhan ang mga negosyong SiC kapag malubhang nagambala ang EV supply chain. Sa kabilang banda, maaaring lumawak ang paggamit ng SiC power electronics sa mga bagong sasakyan upang mabawasan ang pag-asa sa rare-earth supply mula China.
Konklusyon
Hindi bagong materyal ang silicon carbide; ang bago ay ang maramihang paggawa ng napakadalisay at maliliit na electronic component na gumagamit ng mahuhusay nitong electrical property.
Nagbukas ito ng maraming bagong aplikasyon at malawak nang pumapalit sa mas lumang silicon-based option sa mabilis na lumalagong industriya, lalo na sa EV at solar energy.
Habang mas nakokoryente ang industriya at transportasyon, maaaring lumaki ang pangangailangan sa silicon carbide para sa high-power charger, inverter, at controller.
Maaaring bumaba ang gastos sa produksyon habang lumalaki ang maramihang paggawa ng SiC at gumaganda ang mga proseso. Dahil dito, maaaring mas madalas itong gamitin sa armor, heat shield, aerospace, at tool.
Patuloy ring nagbubukas ang mga bagong posibleng gamit, kabilang ang silicon carbide sa produksyon ng low-emission hydrogen.
Sa kabuuan, malamang na mas makilala ng publiko ang silicon carbide sa hinaharap. Dahil sa mataas na inaasahang paglago sa susunod na dekada, maaaring subaybayan ng mga mamumuhunan ang maliit ngunit mabilis lumagong bahaging ito ng semiconductor industry.
Mga Kumpanya ng Silicon Carbide
ON Semi
ON Tsart ng Presyo
Ang ON Semiconductor ay isang kumpanyang semiconductor na nakatuon sa elektripikasyon, kabilang ang automotive, solar energy, baterya, aerospace, telecommunication, data center, at medical application.
Dahil dito, mahalagang supplier ito ng marami sa pinakamalalaking industriyal na kumpanya sa mundo.
Pinagmulan: ON Semi
Malaking bahagi ng teknolohikal na bentahe ng ON Semiconductor ang nakabatay sa silicon carbide, lalo na para sa napakataas na power load na kailangan sa mabilis na pag-charge ng EV.
Nakatulong sa paglago ng kita ng kumpanya sa mga nakaraang taon ang malalaking pamumuhunan nito sa silicon carbide at ang paglawak ng EV market.
Pinagmulan: ON Semi
Nakatuon ang sensor portfolio ng kumpanya sa energy efficiency at mahusay na low-light performance, na mahalaga sa advanced driver-assistance system at autonomous vehicle.
Ginagamit din ang mga produktong SiC ng ON Semiconductor sa iba’t ibang laki ng solar installation at data center. Gumagawa rin ang kumpanya ng ultrasonic at electrochemical sensor at mga sensor para sa pagtukoy ng metal na bagay.
Sa paglawak ng elektripikasyon, humigit-kumulang 10% ng pandaigdigang kita sa SiC ang bahagi ng ON Semiconductor. Isa ito sa mga pangunahing producer sa North America at nakikipagkumpitensya sa Infineon ng Europe (IFNNY) at sa STMicroelectronics na may mas malawak na semiconductor portfolio (STM ).
Pinagmulan: McKinsey
Habang inililipat ng mga Kanluraning supply chain ang produksyon palayo sa China, maaaring makinabang ang ON Semiconductor sa elektripikasyon ng EV at low-carbon energy. Gayunman, panganib sa pamumuhunan ang paikot na demand sa semiconductor at matinding kompetisyon.
(Mababasa rin ang mas mahabang pagsusuri sa kumpanyang ito sa artikulong «ON Semiconductor (ON): Silicon Carbide para sa Elektripikasyon”.)
AEHR Tsart ng Presyo
Ang Aehr ay isang kumpanyang dalubhasa sa test equipment para sa silicon-carbide semiconductor.
Gumagawa ang kumpanya ng kagamitang sumusubok sa silicon-carbide wafer. Dahil dito, may di-tuwirang presensya ito sa EV, smartphone, computer chip, at photonics at telecommunication market.
Pinagmulan: Aehr
Dahil dito, mahalagang supplier ang Aehr sa isang makitid at teknikal na bahagi ng supply chain. Sinasabi nitong ito ay «patungo sa pagiging pamantayan ng industriya para sa isang kritikal na hakbang sa paggawa ng silicon-carbide power semiconductor».
Aktibo ring pinauunlad ng Aehr ang gallium-nitride burn-in testing market para sa high-power application gaya ng photovoltaic inverter. Dahil dito, naroroon ito sa dalawang alternatibo sa silicon-based power electronics.
Nagbibigay ito sa Aehr ng iba’t ibang customer mula sa semiconductor at production-equipment industry, kabilang ang TSMC, Texas Instruments (TXN ), Seagate, Nvidia (NVDA ), Cisco, Qualcomm (QCOM ), at Bosch.
Pinagmulan: Aehr
Maaaring makinabang ang kumpanya sa mga umuusbong na bahagi ng semiconductor industry gaya ng silicon photonics.
Nasa maliit ngunit mahalagang SiC testing niche ang Aehr sa loob ng SiC power-electronics supply chain ng EV. Dahil dito, maaari itong makinabang sa paglaki ng produksyon ng EV anuman ang teknolohiya ng baterya o pamantayan ng charging plug.
Matapos ang matinding pagtaas ng presyo ng stock noong 2023 dahil sa optimismo sa EV, bumaba muli ang valuation ng kumpanya. Maaaring maging di-tuwirang opsyon ang Aehr para sa mga mamumuhunan sa SiC sector, ngunit mahalagang panganib ang customer concentration at paikot na capital spending.
