Silikon Karbida: Memicu Revolusi Energi Hijau

Kebangkitan Karbida Silikon di Era Silikon

Di masa depan yang jauh, para sejarawan mungkin menyebut era kita sebagai Era Silikon. Sekilas, hal ini tampaknya terjadi berkat chip silikon yang ada di mana-mana di komputer, ponsel pintar, peralatan, dan mungkin segera otak kita juga.

Namun, ini bukan satu-satunya kegunaan silikon, material berlimpah yang ditemukan di pasir biasa. Polisilikon adalah komponen dasar sebagian besar panel surya, yang membawa kita lebih dekat ke ekonomi bertenaga surya.

Jenis baru bahan berbasis silikon menjadi sama pentingnya, tetapi sering kali kurang dikenal oleh investor dan masyarakat luas: silikon karbida.

Asosiasi silikon dan karbon ini lebih unggul dibandingkan silikon saja dalam beberapa karakteristik utama:

• Kapasitas medan listrik 10x lebih tinggi, membuatnya mampu menangani beban daya yang sangat besar.
  • Hasilnya, perangkat silikon karbida dapat lebih kecil serta menyala dan mati lebih cepat.
• Konduktivitas termal 3x lebih tinggi dari silikon “normal”, memungkinkan pembuangan panas lebih cepat saat terkena muatan tinggi.
• Kerugian yang jauh lebih kecil menghasilkan efisiensi yang lebih besar dan produksi panas yang tidak diinginkan yang lebih sedikit.

Karena sifat-sifat ini, silikon karbida telah menjadi penting dalam aplikasi apa pun yang berkaitan dengan penggunaan daya tinggi dan elektronik: inverter surya, EV, catu daya industri, dll.

Silikon Karbida 101

Silikon karbida, juga dikenal sebagai karborundum, atau SiC, dapat ditemukan secara alami di meteorit, tetapi hampir tidak ditemukan secara alami di tempat lain di Bumi.

Sumber: IMI Global

Bahan tersebut hadir dalam berbagai bentuk kristal, hingga 200 struktur berbeda, masing-masing memiliki karakteristik kimia dan fisika yang sedikit berbeda.

Sumber: MRF

Dalam hal konduktivitas listrik dan termal, silikon karbida jauh mengungguli silikon dalam hampir semua metrik yang memungkinkan.

Sumber: MRF

Produksi Silikon Karbida

Produksi massal silikon karbida relatif sederhana dan pertama kali dipatenkan pada tahun 1893, menggunakan metode yang dikenal sebagai tungku batch listrik. Proses ini memanaskan campuran silika (pasir) dan karbon (batu bara kokas) hingga suhu yang sangat tinggi, biasanya 1,600°C-2,500°C (2,900°F-4,500°F).

Nitrogen dan aluminium merupakan pengotor umum dari proses produksi ini, tetapi mereka memengaruhi konduktivitas listrik SiC.

Metode alternatif, yang paling banyak digunakan dalam memproduksi komponen elektronik yang memerlukan tingkat kemurnian lebih tinggi, adalah pengangkutan uap fisik (PVT), deposisi uap kimia (CVD), atau Epitaksi Fasa Cair (LPE).

Metode-metode ini berbeda dalam cara silikon karbida disalurkan, tetapi semuanya memiliki kesamaan, yaitu menghasilkan kristal awal dan kemudian menumbuhkannya. Kristal besar tersebut kemudian dipotong menjadi irisan-irisan yang sangat tipis untuk membentuk wafer silikon karbida, serupa dengan cara pembuatan wafer silikon untuk produksi elektronik.

Sumber: MRF

Secara keseluruhan, proses produksi silikon karbida dan rantai pasokannya sangat mirip dengan industri produksi silikon, dengan CVD, wafer, dll. yang serupa.

Karena material ini dapat memiliki lebih dari 200 bentuk kristal, proses produksinya perlu diuji dan perhitungan yang tepat dilakukan untuk produksi skala besar. Informasi untuk proses ini biasanya merupakan hak milik masing-masing perusahaan, sehingga penelitian dan pengembangan diperlukan pada tahap awal pengembangan proses khusus untuk pembuatan silikon karbida.

Setengah dari produksi silikon karbida global berada di Cina, dan kapasitas produksi diperkirakan akan meningkat hampir empat kali lipat antara tingkat tahun 2023 dan 2027.

Sumber: McKinsey

Pasar Karbida Silikon

Silikon karbida masih merupakan pasar kecil pada tahun 2024, dengan nilai hanya $4.2 miliar. Namun, diperkirakan tumbuh sangat cepat pada CAGR 34.5%, sehingga mencapai $80.2 miliar pada tahun 2034.

Sumber: Pasar & Pasar

Aplikasi daya (modul SiC) merupakan tempat sebagian besar pertumbuhan diharapkan berasal, yang mendorong permintaan keseluruhan untuk silikon karbida semakin tinggi.

Pasar dapat dibagi antara silikon karbida hitam (dengan kotoran logam) dan silikon karbida hijau (SiC kemurnian tinggi).

Karbida silikon hitam sebagian besar diproduksi untuk bahan abrasif murah, sedangkan karbida silikon hijau atau produksi kristal langsung (“jenis lain”) adalah bahan baku yang digunakan untuk aplikasi teknologi tinggi.

Sumber: Wawasan Pasar Global

Dalam aplikasi daya, kendaraan listrik dan kendaraan ramah lingkungan lainnya (hibrida, sel bahan bakar, dll.) diperkirakan menjadi pendorong utama tingginya permintaan silikon karbida.

Sumber: McKinsey

Aplikasi Karbida Silikon

Silikon Karbida dalam Kendaraan Listrik

Sejauh ini aplikasi silikon karbida yang paling penting dalam dekade mendatang, elektronika daya adalah tempat material ini paling tak tergantikan.

Sub-sektor terbesar dalam kategori ini adalah kendaraan listrik, yang diperkirakan tumbuh sebesar 31% per tahun. SiC tidak hanya terdapat pada elektronika daya dan pengontrol, tetapi juga pada baterai, sistem pemantauan, dan pengisi daya, baik di dalam mobil maupun di stasiun pengisian daya.

Sumber: Mekanika EV

Pada tahun 2023 sudah terbukti bahwa inverter silikon karbida dapat meningkatkan jangkauan EV sebesar 7%Sejak saat itu, banyak desain kendaraan listrik baru mulai menggabungkan lebih banyak komponen SiC.

Pertumbuhan permintaan dari segmen EV bahkan mungkin diremehkan dalam kasus peralihan ke listrik untuk kendaraan berat seperti truk, yang akan membutuhkan sistem pengisian daya yang jauh lebih kuat dan paket baterai yang cukup untuk memberi daya pada puluhan EV.

Silikon karbida juga merupakan kunci untuk apa yang disebut “supercharger”, kunci untuk memecahkan titik hambatan dalam adopsi kendaraan listrik, dengan tujuan mengurangi waktu pengisian daya menjadi hanya beberapa menit.

Tekanan termal yang lebih rendah dan pasokan daya yang lebih konsisten juga akan membantu umur panjang baterai.

Peran Silikon Karbida dalam Energi Hijau dan Tenaga Surya

Inverter berbasis SiC untuk tenaga surya dapat mencapai efisiensi hingga 99%, dibandingkan dengan inverter berbasis silikon tradisional yang hanya 96-98%. Meskipun tampak kecil, hal ini dapat menghasilkan energi ekstra yang sangat besar selama masa pakai instalasi surya.

Karbida silikon juga jauh lebih tahan panas, dapat tahan suhu hingga 300° Celsius, sedangkan perangkat silikon umumnya dibatasi hingga 150°C, dan tegangan 10x.

Secara keseluruhan, inverter SiC lebih efisien, lebih tahan lama, lebih kecil, dan lebih murah daripada inverter lama berbasis silikon.

Penggunaan Teknologi Tinggi Lainnya untuk Karbida Silikon

Karbida silikon juga semakin banyak digunakan dalam banyak aplikasi seperti robotika, di mana kinerja SiC yang unggul memungkinkan penggerak motor menjadi lebih kecil dan terletak langsung pada artikulasi, sehingga sangat mengurangi kompleksitas dan kabel yang diperlukan.

Sumber: panah

Mereka juga semakin penting di pusat data, di mana chip yang semakin kuat dan permintaan daya dari AI memerlukan pasokan daya dan kontrol elektronik yang lebih kuat daripada yang dapat disediakan silikon.

Kristal silikon karbida digunakan dalam pembuatan LED pertama pada tahun 1907. LED kemudian diproduksi secara massal di negara-negara Barat dan Uni Soviet pada tahun 1970-an dan 1980-an. Kristal ini kemudian digantikan oleh galium nitrida, dengan cahaya 10-100 kali lebih terang, yang mengarah pada adopsi LED secara massal saat ini.

Namun, SiC masih digunakan dalam LED, sebagai substrat tempat galium nitrida disimpan, dan untuk menyebarkan panas dalam LED yang kuat.

abrasive

SiC adalah material yang sangat keras, sehingga cocok digunakan sebagai bahan abrasif pada roda gerinda, amplas, dan produk abrasif lainnya untuk menggiling material seperti logam dan keramik. SiC hitam dengan kualitas lebih rendah, lebih murah, dan kaya akan pengotor biasanya digunakan untuk aplikasi ini.

Kualitas SiC yang lebih tinggi digunakan pada peralatan pemotong, juga memanfaatkan tingkat kekerasan material yang sangat tinggi ini, tetapi dengan kemurnian yang lebih tinggi membuatnya semakin kuat dan tidak mudah rapuh.

Bahan Pelindung

Kombinasi kekerasan tinggi dan ketahanan termal juga menjadikan SiC penting dalam aplikasi lain. SiC umumnya disinter (peleburan sebagian) menjadi keramik keras.

Salah satu aplikasinya adalah dalam produksi pelat baja antipeluru keramik, terutama pelat pada pelindung tubuh pribadi, di mana SiC menguasai 27% pasar, tetapi juga pada lapisan pelindung helikopter.

Keramik yang dikeraskan ini juga digunakan dalam rem mobil dan kopling mobil.

Keramik silikon karbida juga digunakan dalam aplikasi kedirgantaraan, misalnya, di lapisan pelindung termal luar pelindung panas tiup LOFTID NASA.

Aplikasi SiC lain yang berfokus pada ruang angkasa adalah dalam produksi teleskop astronomi, dengan deposisi uap kimia yang memungkinkan penggunaan cakram SiC berukuran besar sebagai cermin di dalam teleskop. Ekspansi panas yang rendah juga dapat digunakan sebagai rangka untuk mesin teleskop yang sangat presisi.

Katalisis Kimia

Reaktivitas silikon karbida yang tinggi terhadap listrik menjadikannya kandidat potensial untuk bentuk-bentuk baru elektrokatalisis. Reaksi-reaksi ini biasanya bergantung pada bentuk kristal silikon karbida yang disebut silikon karbida kubik, dengan luas permukaan yang lebih besar.

Misalnya saja, baru-baru ini ditemukan bahwa kandidat yang baik untuk peningkatan fotokatalisis hidrogen, atau pemecahan air langsung menjadi hidrogen oleh sinar matahari.

Karbida silikon kubik juga dapat digunakan sebagai pendukung katalis untuk oksidasi hidrokarbon.

Terakhir, silikon karbida dapat digunakan untuk menumbuhkan semikonduktor grafena.

Energi nuklir

Silikon Karbida memiliki kapasitas yang sangat kuat untuk menyerap neutron, sehingga digunakan sebagai pelapis bahan bakar nuklir, serta untuk menampung limbah nuklir.

Sensor SiC digunakan untuk memantau tingkat radiasi di fasilitas nuklir dan aplikasi deteksi radiasi lainnya (lingkungan, pengaturan medis, dll.).

Ketahanan SiC terhadap radiasi dan variasi termal menjadikannya material yang baik untuk reaktor nuklir di luar angkasa, bidang yang berkembang dengan rencana NASA dan negara lain untuk Bulan dan bahkan mungkin pangkalan Mars.

Perhiasan

Kristal berbasis karbon, SiC, memiliki banyak kesamaan dengan berlian (karbon murni), dan dikenal sebagai "moissanite sintetis" dalam perhiasan. Kristal ini mudah disalahartikan sebagai berlian.

Sumber: MRF

Mengurangi Risiko Logam Tanah Jarang dengan SiC

Ketika perang dagang, tarif, dan sanksi mengganggu hubungan dagang AS-Tiongkok, industri otomotif menghadapi masalah yang sangat serius yaitu kemungkinan kehabisan bahan tanah jarang buatan Tiongkok, misalnya, Ford menutup pabriknya.

“Ini terjadi setiap hari. Kami terpaksa menutup pabrik. Sekarang ini pas-pasan.”

Jim Farley – CEO Ford

Ini adalah bidang di mana Sic dapat membantu, berkat silikon karbida yang memungkinkan motor sinkron tereksitasi secara terpisah, menghilangkan kebutuhan akan magnet permanen yang membutuhkan tanah jarang.

Jadi di satu sisi, bisnis silikon karbida bisa menderita kerugian jika rantai pasokan kendaraan listrik terganggu parah, di sisi lain, produk mereka bisa diadopsi secara lebih luas dalam desain kendaraan listrik baru di masa mendatang, guna mengurangi ketergantungan pada pasokan tanah jarang Tiongkok.

Kesimpulan

Silikon karbida bukanlah material baru, tetapi produksi massal peralatan elektronik ultra-murni dan kecil yang terbuat darinya, dengan sifat listrik yang jauh lebih unggul, merupakan hal baru.

Hal ini telah membuka pintu bagi banyak aplikasi baru, yang saat ini tengah diadopsi secara luas untuk menggantikan opsi lama berbasis silikon dalam beragam industri yang tumbuh pesat, terutama energi listrik & energi surya.

Semakin banyak industri dan transportasi dunia yang menggunakan listrik, semakin banyak silikon karbida yang dibutuhkan, karena permintaan daya yang semakin besar memerlukan pengisi daya, baterai, dan pengontrol yang lebih kuat untuk membantu pengisian daya yang cepat dan aman, baterai yang lebih tahan lama, dll.

Selain aplikasi-aplikasi ini, produksi massal SiC dan peningkatan metode produksi kemungkinan akan menurunkan biaya produksinya. Akibatnya, aplikasi lain seperti pelindung, pelindung panas, kedirgantaraan, dan perkakas kemungkinan akan lebih sering mengadopsi SiC.

Terakhir, bidang aplikasi potensial baru masih terbuka, terutama kemungkinan penggunaan silikon karbida untuk produksi hidrogen hijau.

Secara keseluruhan, silikon karbida kemungkinan akan menjadi material yang jauh lebih dikenal oleh masyarakat luas di masa mendatang. Dengan CAGR yang diperkirakan mencapai 20-30% untuk dekade mendatang, investor mungkin ingin memperhatikan sub-sektor industri semikonduktor yang kecil namun berkembang pesat ini.

Perusahaan Silikon Karbida

PADA Semi

ON Semi adalah perusahaan semikonduktor yang berspesialisasi dalam elektrifikasi, termasuk di bidang otomotif, tetapi juga di sektor lain seperti energi surya, baterai, ruang angkasa, telekomunikasi, pusat data, dan medis..

Oleh karena itu, ia menjadi mitra utama bagi banyak perusahaan industri terbesar di dunia.

Sumber: PADA Semi

Sebagian besar keunggulan teknologi ON Semi didasarkan pada silikon karbida, terutama dalam kasus beban daya sangat tinggi yang diperlukan untuk pengisian cepat kendaraan listrik.

Strategi ON Semi untuk menggandakan produksi silikon karbida menyebabkan perusahaan mengalami lonjakan pendapatan yang besar dalam beberapa tahun terakhir, yang didorong oleh revolusi kendaraan listrik.

Sumber: PADA Semi

Sensor silikon karbida lebih hemat energi dan berkinerja lebih baik dalam kondisi minim cahaya, yang sangat penting untuk membangun mobil self-driving yang aman.

Produk silikon karbida ON Semi juga digunakan dalam semua ukuran instalasi energi surya, pusat data, dan sensor semua jenis (ultrasonik, elektrokimia, seperti pemantauan gula darah, dan deteksi objek logam).

Mengikuti tren elektrifikasi, ON Semi mengendalikan 10% pendapatan SiC global, dan merupakan salah satu perusahaan Amerika Utara terkemuka di sektor ini, bersaing dengan perusahaan Eropa Infineon (JIKA) dan perusahaan semikonduktor yang lebih luas STMicroelectronics (STM + 1.39%).

Sumber: McKinsey

Karena rantai pasokan industri Barat berpindah dari pasokan Cina, ON Semi kemungkinan akan mendapat keuntungan besar dari tren elektrifikasi, terutama pada kendaraan listrik dan energi hijau lainnya.

(Anda juga dapat membaca tulisan yang lebih panjang tentang perusahaan ini di “On Semiconductor (ON): Karbida Silikon yang Mendorong Elektrifikasi".)

Sistem Uji Aehr

Aehr adalah perusahaan semikonduktor dengan spesialisasi silikon karbida.

Lebih tepatnya, perusahaan ini memproduksi peralatan untuk menguji wafer silikon karbida. Hal ini menjadikannya hadir di sektor otomotif kendaraan listrik, ponsel pintar, chip komputer, dan fotonik/telekomunikasi.

Sumber: aehr

Hal ini menjadikan Aehr sebagai perusahaan yang sangat khusus dan teknis, serta komponen penting dari rantai pasokan. Perusahaan ini mengklaim “dalam perjalanan menjadi standar industri untuk langkah manufaktur penting untuk semikonduktor daya silikon karbida. "

Aehr juga aktif mengembangkan pasar baru, terutama pasar burn-in galium nitrida, yang digunakan dalam aplikasi daya tinggi seperti inverter fotovoltaik, membuatnya hadir dalam alternatif elektronika daya berbasis silikon.

Hal ini memberi Aehr basis pelanggan yang sangat beragam, tampak seperti tokoh-tokoh terkemuka di industri semikonduktor dan industri perkakas, termasuk TSMC, Texas Instruments, Seagate, Nvidia, Cisco, Qualcomm, dan Bosch.

Sumber: aehr

Perusahaan dapat memperoleh keuntungan besar dari munculnya segmen baru dalam industri semikonduktor, seperti silikon fotonik.

Sementara itu, dengan menempati ceruk kecil dan penting (pengujian silikon karbida) di dalam ceruk lain dalam rantai pasokan EV (elektronika daya silikon karbida), Aehr diposisikan dengan baik untuk mendapatkan keuntungan dari pertumbuhan volume produksi EV, terlepas dari teknologi baterai terbaru, model mobil, atau perubahan dalam standar colokan pengisi daya.

Setelah lonjakan harga saham yang sangat besar pada tahun 2023, di puncak antusiasme terhadap saham terkait kendaraan listrik, perusahaan kini kembali ke valuasi yang lebih wajar dan menjadi pilihan yang menarik bagi investor di sektor silikon karbida.