Bilişim
Silisyum karbür: Yeşil enerji devrimine güç veriyor
Securities.io sitesini Google'daki tercih ettiğiniz kaynaklara ekleyin
Silisyum Çağında Silisyum Karbürün Yükselişi
Uzak gelecekte tarihçiler çağımızı Silisyum Çağı olarak adlandırabilir. İlk bakışta bunun nedeni, bilgisayarlarımızda, akıllı telefonlarımızda, ev aletlerimizde ve belki yakında beynimizde bile.
Ancak sıradan kumda bolca bulunan silisyumun tek kullanım alanı bu değildir. Polisilisyum, çoğu güneş panelinin temel bileşenidir ve güneş enerjisine dayalı bir ekonomiye yaklaşmamızı sağlar.
Silisyum temelli başka bir malzeme de aynı ölçüde önem kazanıyor, ancak yatırımcılar ve kamuoyu tarafından daha az biliniyor: silisyum karbür.
Silisyum ile karbonun oluşturduğu bu bileşik, bazı temel özelliklerde saf silisyumdan üstündür:
- Yaklaşık 10 kat daha yüksek elektrik alan dayanımı sayesinde çok büyük güç yüklerini taşıyabilir.
- Bu nedenle silisyum karbür aygıtlar daha küçük olabilir ve daha hızlı anahtarlama yapabilir.
- Geleneksel silisyumun yaklaşık üç katı ısı iletkenliği, yüksek güç altında ısının çok daha hızlı uzaklaştırılmasını sağlar.
- Daha düşük kayıplar verimliliği artırır ve istenmeyen ısı üretimini azaltır.
Bu özellikler silisyum karbürü güneş enerjisi invertörleri, elektrikli araçlar ve endüstriyel güç kaynakları gibi yüksek güçlü elektronik uygulamalarında önemli bir malzeme haline getirmiştir.
Silisyum Karbür 101
Karborundum veya SiC olarak da bilinen silisyum karbür, doğada bazı meteoritlerde bulunur; Dünya’da ise doğal halde son derece nadirdir.
Kaynak: Global IMI
Malzeme, her biri biraz farklı kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip 200’den fazla kristal politipinde bulunabilir.
Kaynak: MRF
Silisyum karbür, güç elektroniği açısından kritik olan elektrik alan dayanımı, bant aralığı ve ısı iletkenliği gibi birçok ölçütte silisyumdan daha iyi performans gösterir.
Kaynak: MRF
Silisyum Karbür Üretimi
Silisyum karbürün toplu üretimi görece basittir ve elektrikli kesikli fırın olarak bilinen yöntem ilk kez 1893’te patentlenmiştir. Süreçte silika (kum) ile karbon (kok kömürü) karışımı genellikle 1.600–2.500 °C gibi çok yüksek sıcaklıklara ısıtılır.
Azot ve alüminyum bu üretim sürecinde sık görülen safsızlıklardır ve SiC’nin elektriksel özelliklerini etkiler.
Daha yüksek saflık gerektiren elektronik bileşenlerde çoğunlukla fiziksel buhar taşınımı (PVT), kimyasal buhar biriktirme (CVD) veya sıvı faz epitaksisi (LPE) gibi alternatif yöntemler kullanılır.
Bu yöntemler silisyum karbürün nasıl taşındığı ve büyütüldüğü açısından farklılık gösterir, ancak hepsinde önce bir çekirdek kristal oluşturulur ve ardından büyütülür. Büyük kristal daha sonra, elektronik üretimindeki silisyum wafer’lara benzer biçimde, çok ince SiC wafer’lara kesilir.
Kaynak: MRF
Genel olarak silisyum karbür üretim süreci ve tedarik zinciri, CVD ve wafer işleme gibi ortak aşamalar nedeniyle silisyum endüstrisine benzer.
Malzemenin 200’den fazla kristal politipi bulunabildiği için büyük ölçekli üretim süreçleri dikkatle test edilmeli ve ayarlanmalıdır. Bu süreçlere ilişkin bilgiler genellikle şirketlere özeldir; belirli bir SiC üretim hattının ilk aşamalarında yoğun Ar-Ge gerekir.
Küresel silisyum karbür üretiminin yaklaşık yarısı Çin’de bulunmaktadır ve üretim kapasitesinin 2023 ile 2027 arasında neredeyse dört katına çıkması beklenmektedir.
Kaynak: McKinsey
Silisyum Karbür Pazarları
Silisyum karbür pazarı 2024’te yaklaşık 4,2 milyar dolar değerinde görece küçük bir pazardı. Bununla birlikte pazarın yıllık bileşik %34,5 büyümeyle 2034’te 80,2 milyar dolara ulaşacağı öngörülüyor.
Kaynak: Markets & Markets
Büyümenin büyük bölümünün güç elektroniği uygulamalarından ve SiC modüllerinden gelmesi, toplam silisyum karbür talebini artırması bekleniyor.
Pazar, metal safsızlıkları içeren siyah silisyum karbür ile daha yüksek saflıktaki yeşil silisyum karbür olarak iki ana gruba ayrılabilir.
Siyah silisyum karbür çoğunlukla düşük maliyetli aşındırıcılarda kullanılırken yeşil SiC ve doğrudan büyütülen kristaller yüksek teknoloji uygulamalarının hammaddesidir.
Kaynak: Global Market Insights
Güç elektroniğinde, elektrikli araçların ve hibrit ya da yakıt hücreli diğer düşük emisyonlu araçların SiC talebindeki artışın başlıca kaynağı olması bekleniyor.
Kaynak: McKinsey
| Sektör | SiC Kullanımı | Fayda |
|---|---|---|
| Elektrikli Araçlar | Invertörler, şarj cihazları, güç kontrolü | Daha yüksek verimlilik, menzil, hızlı şarj |
| Güneş Enerjisi | SiC tabanlı invertörler | Artan verimlilik, daha küçük alan |
| Uzay Havacılığı | Isı kalkanları, aynalar | Termal direnç, düşük genleşme |
| Robotik & Veri Merkezleri | Güç elektroniği, motor sürücüleri | Daha düşük güç kaybı, miniaturizasyon |
| Savunma & Güvenlik | Zırh plakaları, fren sistemleri | Sertlik, ısı ve darbe direnci |
Silisyum Karbür Uygulamaları
Elektrikli Araçlarda Silisyum Karbür
Önümüzdeki on yılda silisyum karbürün en önemli kullanım alanının, malzemenin belirgin avantajlar sunduğu güç elektroniği olması bekleniyor.
Bu kategorinin en büyük alt bölümü olan elektrikli araç pazarının yılda yaklaşık %31 büyümesi bekleniyor. SiC; aracın ve şarj istasyonunun güç elektroniğinde, kontrol sistemlerinde, batarya izleme donanımında ve şarj cihazlarında kullanılıyor.
Kaynak: EV Mechanica
2023’te yayımlanan bir örnekte, silisyum karbürlü bir invertörün elektrikli araç menzilini %7’den fazla artırabildiği gösterildi. O tarihten bu yana birçok yeni elektrikli araç tasarımında daha fazla SiC bileşeni kullanılmaya başlandı.
Kamyon gibi ağır hizmet araçlarının elektrikli hale gelmesi, çok daha güçlü şarj sistemleri ve büyük batarya paketleri gerektireceğinden, elektrikli araç kaynaklı SiC talep artışı öngörülenden de yüksek olabilir.
Silisyum karbür, şarj sürelerini kısaltmayı amaçlayan yüksek güçlü hızlı şarj cihazlarında da önemli bir rol oynar.
Daha düşük ısıl gerilim ve daha kararlı güç aktarımı batarya ömrüne de katkı sağlayabilir.
Silisyum Karbürün Yeşil Enerji ve Güneş’teki Rolü
Güneş enerjisi için SiC tabanlı invertörler %99’a varan verime ulaşabilir; geleneksel silisyum tabanlı invertörlerde bu oran genellikle %96–98’dir. Küçük görünen bu fark, bir güneş enerjisi tesisinin ömrü boyunca kayda değer ek enerji üretimi sağlayabilir.
Silisyum karbür ısıya karşı da çok daha dayanıklıdır; 300 °C’ye kadar sıcaklıklara dayanabilirken silisyum aygıtlar genellikle yaklaşık 150 °C ile sınırlıdır ve yaklaşık 10 kat daha yüksek elektrik alanına dayanabilir.
Genel olarak SiC invertörler daha verimli, daha dayanıklı ve daha küçük olabilir; toplam maliyet avantajı ise tasarıma ve üretim ölçeğine bağlıdır.
Silisyum Karbürün Diğer Yüksek Teknoloji Kullanımları
Silisyum karbür robotik gibi alanlarda da giderek daha fazla kullanılıyor. Yüksek güç yoğunluğu sayesinde motor sürücüleri küçültülerek doğrudan eklemlere yerleştirilebilir; bu da karmaşıklığı ve kablolama ihtiyacını azaltır.
Kaynak: Arrow
SiC bileşenleri, daha güçlü çiplerin ve yapay zekâ iş yüklerinin güç talebini artırdığı veri merkezlerinde de önem kazanıyor; burada verimli güç kaynakları ve kontrol elektroniği gerekiyor.
1907’de ışık yayan ilk katı hal aygıtlarından biri silisyum karbür kristaliyle gösterildi. SiC LED’ler 1970’ler ve 1980’lerde Batı ülkelerinde ve Sovyetler Birliği’nde seri üretildi; daha sonra çok daha parlak galyum nitrür LED’lerin yaygınlaşmasıyla önemlerini yitirdiler.
Bununla birlikte SiC, galyum nitrürün biriktirildiği altlık ve yüksek güçlü LED’lerde ısıyı dağıtan bir malzeme olarak hâlâ kullanılır.
Aşındırıcılar
SiC çok sert bir malzemedir. Bu nedenle metal ve seramiklerin işlenmesinde kullanılan taşlama taşları, zımpara kâğıtları ve diğer aşındırıcı ürünlerde yer alır. Bu uygulamalarda genellikle daha düşük kaliteli, ucuz ve safsızlık oranı yüksek siyah SiC kullanılır.
Daha yüksek saflıktaki SiC türleri, yüksek sertlik ve daha iyi mekanik özellikleri nedeniyle kesici takımlarda da kullanılır.
Koruyucu Malzemeler
Yüksek sertlik ile ısı direncinin birleşimi SiC’yi başka uygulamalarda da değerli kılar. Malzeme genellikle sinterlenerek sert seramiklere dönüştürülür.
Uygulamalardan biri, özellikle kişisel vücut zırhındaki seramik balistik plakaların üretimidir; SiC’nin bu pazardaki payının yaklaşık %27 olduğu bildiriliyor; malzeme helikopter zırhında da kullanılır.
Bu sertleştirilmiş seramikler otomobil frenlerinde ve debriyajlarında da kullanılır.
Silisyum karbür seramikler havacılık ve uzay uygulamalarında da kullanılır; örneğin NASA’nın LOFTID şişirilebilir ısı kalkanının dış ısıl koruma katmanında.
SiC’nin uzaya yönelik bir diğer uygulaması astronomik teleskoplardır. Kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle teleskop aynalarında kullanılan büyük SiC diskleri üretilebilir. Düşük ısıl genleşmesi, hassas teleskop mekanizmalarının taşıyıcı yapılarında da avantaj sağlar.
Kimyasal Kataliz
Silisyum karbürün elektronik özellikleri, onu yeni elektrokataliz yöntemleri için olası bir aday yapar. Bu çalışmalar çoğunlukla daha geniş etkin yüzey sunabilen kübik silisyum karbür kristallerine odaklanır.
Örneğin kısa süre önce, güneş ışığıyla suyu doğrudan ayrıştırarak hidrojen üretmeye yönelik geliştirilmiş fotokataliz için iyi bir aday.
Kübik silisyum karbür, hidrokarbonların oksidasyonunda katalizör desteği olarak da kullanılabilir.
Lastly, silisyum karbür grafen tabanlı yarı iletkenlerin büyütülmesinde kullanılabilir.
Nükleer Enerji
Silisyum karbürün nötron ışınımına ve yüksek sıcaklıklara dayanımı yüksektir; bu nedenle nükleer yakıt kaplamalarında ve nükleer atıkların tutulmasına yönelik malzemelerde kullanılabilir.
SiC sensörler nükleer tesislerde ve çevresel ya da tıbbi radyasyon algılama uygulamalarında ışınım düzeylerini izlemek için kullanılır.
SiC’nin radyasyona ve sıcaklık değişimlerine dayanımı, onu uzayda kullanılacak nükleer reaktörler için ilgi çekici bir malzeme yapar; NASA ile diğer ülkelerin Ay ve olası Mars üslerine yönelik planları bu alandaki araştırmaları artırıyor.
Takı
Karbon içeren bir kristal olan SiC, elmasa bazı görsel özellikler bakımından benzer. Mücevher sektöründe sentetik mozanit olarak bilinir ve deneyimsiz kişilerce elmasla karıştırılabilir.
Kaynak: MRF
SiC ile Nadir Toprak Risklerini Azaltma
Ticaret savaşları, tarifeler ve yaptırımlar ABD-Çin ilişkilerini etkilerken otomotiv sektörü Çin kaynaklı nadir toprak elementlerinde ciddi tedarik sorunlarıyla karşı karşıya; örneğin Ford bu nedenle bir fabrikasında üretimi durdurdu.
«Durum günü gününe değişiyor. Fabrikaları kapatmak zorunda kaldık. Şu anda stoklar ancak günlük ihtiyeti karşılıyor.»
Jim Farley — Ford CEO’su
Silisyum karbür, ayrı uyartımlı senkron motorların verimli güç elektroniğini destekleyerek nadir toprak elementleri içeren kalıcı mıknatıslara duyulan ihtiyacın azaltılmasına yardımcı olabilir.
Elektrikli araç tedarik zincirindeki ciddi aksamalar SiC şirketlerini olumsuz etkileyebilir. Öte yandan yeni araç tasarımlarında Çin kaynaklı nadir toprak elementlerine bağımlılığı azaltma çabaları SiC güç elektroniğinin kullanımını artırabilir.
Sonuç
Silisyum karbür yeni bir malzeme değildir; yeni olan, üstün elektriksel özelliklerinden yararlanan yüksek saflıktaki küçük elektronik bileşenlerin seri üretimidir.
Bu gelişme, özellikle elektrikli araçlar ve güneş enerjisi gibi hızla büyüyen sektörlerde eski silisyum tabanlı seçeneklerin yerini alan birçok yeni uygulamanın önünü açtı.
Sanayi ve ulaşım daha fazla elektriklendikçe, yüksek güç talebini karşılayan şarj cihazları, invertörler ve kontrol birimleri için daha fazla silisyum karbüre ihtiyaç duyulabilir.
SiC’nin seri üretimi ve süreçlerin gelişmesi üretim maliyetlerini düşürebilir. Bunun sonucunda zırh, ısı kalkanı, havacılık-uzay ve takım üretimi gibi alanlarda kullanım yaygınlaşabilir.
Ayrıca silisyum karbürün düşük emisyonlu hidrojen üretiminde kullanılması gibi yeni olası uygulama alanları açılıyor.
Genel olarak silisyum karbürün gelecekte kamuoyu tarafından daha iyi tanınması bekleniyor. Önümüzdeki on yıl için öngörülen yüksek büyüme oranları nedeniyle yatırımcılar yarı iletken sektörünün bu küçük ancak hızla büyüyen alt alanını izleyebilir.
Silisyum Karbür Şirketleri
ON Semi
ON Fiyat Grafiği
ON Semiconductor, elektrifikasyona odaklanan bir yarı iletken şirketidir; otomotiv yanında güneş enerjisi, batarya, havacılık-uzay, telekomünikasyon, veri merkezi ve tıbbi uygulamalarda da faaliyet gösterir.
Bu nedenle dünyanın en büyük sanayi şirketlerinden birçoğunun önemli tedarikçilerinden biridir.
Kaynak: ON Semi
ON Semiconductor’ın teknolojik avantajının önemli bir bölümü, özellikle elektrikli araçların hızlı şarjında gereken çok yüksek güç yükleri için silisyum karbür teknolojisine dayanır.
Şirketin silisyum karbüre yaptığı yatırımlar, elektrikli araç pazarındaki büyümenin de etkisiyle son yıllardaki gelir artışına katkıda bulundu.
Kaynak: ON Semi
Şirketin sensör portföyü enerji verimliliği ve düşük ışık performansına odaklanıyor; bu özellikler gelişmiş sürücü destek sistemleri ve otonom araçlar için önem taşıyor.
ON Semiconductor’ın SiC ürünleri çeşitli ölçeklerdeki güneş enerjisi tesislerinde ve veri merkezlerinde kullanılır. Şirket ayrıca ultrasonik ve elektrokimyasal algılama ile metal nesne tespiti gibi alanlara yönelik sensörler üretir.
Elektrifikasyon eğiliminden yararlanan ON Semiconductor, küresel SiC gelirlerinin yaklaşık %10’unu oluşturur ve sektörde Avrupa merkezli Infineon (IFNNY) ve daha geniş bir yarı iletken portföyüne sahip STMicroelectronics (STM ) ile rekabet eden başlıca Kuzey Amerikalı üreticilerden biridir.
Kaynak: McKinsey
Batılı sanayi tedarik zincirleri Çin dışındaki üretimi artırırken ON Semiconductor, özellikle elektrikli araçlar ve düşük karbonlu enerji alanlarındaki elektrifikasyon eğiliminden yararlanabilir. Bununla birlikte yarı iletken talebinin döngüselliği ve yoğun rekabet yatırım riskleri oluşturmaktadır.
(Bu şirket hakkında daha uzun bir yazıyı “ON Semiconductor (ON): Elektrifikasyona Güç Veren Silisyum Karbür” içinde okuyabilirsiniz.)
AEHR Fiyat Grafiği
Aehr, silisyum karbür yarı iletkenlerinin test ekipmanlarında uzmanlaşan bir şirkettir.
Şirket özellikle silisyum karbür wafer’ların test edilmesine yönelik ekipman üretir. Böylece elektrikli araçlar, akıllı telefonlar, bilgisayar çipleri ve fotonik ile telekomünikasyon pazarlarında dolaylı olarak yer alır.
Kaynak: Aehr
Bu konum Aehr’i tedarik zincirinde dar bir teknik alana odaklanan önemli bir sağlayıcı yapar. Şirket, «silisyum karbür güç yarı iletkenlerinin kritik bir üretim aşamasında sektör standardı olma yolunda».
Aehr ayrıca fotovoltaik invertörler gibi yüksek güçlü uygulamalarda kullanılan galyum nitrür bileşenlerinin burn-in testi pazarını geliştiriyor. Böylece silisyum tabanlı güç elektroniğine iki alternatifte de yer alıyor.
Bu durum Aehr’e TSMC, Texas Instruments (TXN ), Seagate, Nvidia (NVDA ), Cisco, Qualcomm (QCOM ) ve Bosch gibi yarı iletken ve üretim ekipmanı şirketlerinden oluşan çeşitli bir müşteri tabanı sağlar.
Kaynak: Aehr
Şirket, silisyum fotoniği gibi yarı iletken sektöründe gelişmekte olan yeni alanlardan yararlanabilir.
Aehr, elektrikli araç tedarik zincirindeki SiC güç elektroniği alanı içinde yer alan SiC test ekipmanı nişinde faaliyet gösterir. Bu konum, batarya teknolojisi veya şarj standardından bağımsız olarak elektrikli araç üretimindeki büyümeden yararlanmasını sağlayabilir.
Hisse fiyatı 2023’te elektrikli araç şirketlerine yönelik iyimserlikle keskin biçimde yükseldikten sonra geriledi. Aehr, silisyum karbür sektörüne üretim ekipmanı üzerinden dolaylı maruz kalmak isteyen yatırımcılar için bir seçenek olabilir; ancak müşteri yoğunlaşması ve döngüsel sermaye harcamaları önemli risklerdir.
