Elettronica
Carburo di silicio: alimentare la rivoluzione dell'energia verde
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L'ascesa del carburo di silicio nell'era del silicio
In un futuro molto lontano, gli storici potrebbero riferirsi alla nostra era come all'Era del Silicio. A prima vista, questo sembra essere dovuto agli onnipresenti chip di silicio nei nostri computer, smartphone, elettrodomestici e forse presto anche il nostro cervello.
Ma questo non è l'unico utilizzo del silicio, un materiale abbondante che si trova nella sabbia comune. Il polisilicio è il componente base della maggior parte dei pannelli solari, che ci stanno avvicinando a un'economia alimentata dall'energia solare.
Un nuovo tipo di materiale a base di silicio sta diventando altrettanto importante, ma spesso meno conosciuto dagli investitori e dal grande pubblico: il carburo di silicio.
Questa associazione di silicio e carbonio è superiore al solo silicio per alcune caratteristiche chiave:
- Una capacità di campo elettrico 10 volte superiore, che gli consente di gestire carichi di potenza molto elevati.
- Di conseguenza, i dispositivi al carburo di silicio possono essere più piccoli e accendersi e spegnersi più rapidamente.
- Conduttività termica 3 volte superiore a quella del silicio “normale”, che consente una dissipazione del calore molto più rapida quando esposto a cariche elevate.
- Perdite molto più piccole comportano una maggiore efficienza e una produzione di calore indesiderata ancora inferiore.
Grazie a queste proprietà, il carburo di silicio è diventato essenziale in qualsiasi applicazione che preveda un impiego ad alta potenza e nell'elettronica: inverter solari, veicoli elettrici, alimentatori industriali, ecc.
Carburo di silicio 101
Il carburo di silicio, noto anche come carborundum o SiC, si trova naturalmente nei meteoriti, ma non in nessun altro luogo sulla Terra.
Fonte: IMI globale
Il materiale si presenta in molte forme cristalline diverse, fino a 200 strutture differenti, ciascuna con caratteristiche chimiche e fisiche leggermente differenti.
Fonte: MRF
Per quanto riguarda la conduttività elettrica e termica, il carburo di silicio supera di gran lunga il silicio in quasi tutti i parametri possibili.
Fonte: MRF
Produzione di carburo di silicio
La produzione in serie di carburo di silicio è relativamente semplice e fu brevettata per la prima volta nel 1893, utilizzando un metodo noto come forno elettrico a lotti. Il processo riscalda una miscela di silice (sabbia) e carbonio (carbone da coke) a temperature molto elevate, tipicamente tra 1,600 °C e 2,500 °C (tra 2,900 °F e 4,500 °F).
Azoto e alluminio sono impurità comuni in questo processo di produzione, ma influiscono sulla conduttività elettrica del SiC.
Metodi alternativi, utilizzati principalmente nella produzione di componenti elettronici che richiedono livelli di purezza più elevati, sono il trasporto fisico da vapore (PVT), la deposizione chimica da vapore (CVD) o l'epitassia in fase liquida (LPE).
Questi metodi differiscono nel modo in cui il carburo di silicio viene consegnato, ma tutti condividono l'idea di produrre un cristallo iniziale e poi farlo crescere. Il cristallo di grandi dimensioni viene quindi tagliato in fette estremamente sottili in wafer di carburo di silicio, in modo simile a come vengono realizzati i wafer di silicio per la produzione elettronica.
Fonte: MRF
Nel complesso, il processo di produzione del carburo di silicio e la relativa catena di fornitura sono molto simili all'industria di produzione del silicio, con CVD, wafer, ecc. simili.
A causa delle oltre 200 forme cristalline che il materiale può assumere, il processo di produzione deve essere testato e i calcoli devono essere eseguiti con precisione per la produzione su larga scala. Le informazioni relative a questi processi sono solitamente di proprietà esclusiva delle singole aziende, quindi è necessaria una fase di ricerca e sviluppo nelle fasi iniziali della creazione di un processo specifico per la produzione del carburo di silicio.
Metà della produzione mondiale di carburo di silicio è concentrata in Cina e si prevede che la capacità produttiva quasi quadruplicherà tra il 2023 e il 2027.
Fonte: McKinsey
Mercati del carburo di silicio
Il carburo di silicio è ancora un mercato limitato nel 2024, con un valore di soli 4.2 miliardi di dollari. Tuttavia, si prevede che... crescere molto rapidamente al 34.5% di CAGR, portando il valore a 80.2 miliardi di dollari entro il 2034.
Fonte: Mercati & Mercati
Si prevede che la crescita maggiore avrà luogo nelle applicazioni di potenza (moduli SiC), con conseguente aumento della domanda complessiva di carburo di silicio.
Il mercato può essere suddiviso tra carburo di silicio nero (con impurità metalliche) e carburo di silicio verde (SiC ad alta purezza).
Il carburo di silicio nero viene prodotto principalmente per abrasivi economici, mentre il carburo di silicio verde o la produzione diretta di cristalli ("altri tipi") è la materia prima utilizzata per applicazioni high-tech.
Nel settore energetico, si prevede che i veicoli elettrici e altri veicoli ecologici (ibridi, celle a combustibile, ecc.) saranno i principali motori della maggiore domanda di carburo di silicio.
Fonte: McKinsey
| Settore | Utilizzo di SiC | Benefici |
|---|---|---|
| Veicoli elettrici | Inverter, caricabatterie, controllo di potenza | Maggiore efficienza, autonomia, ricarica rapida |
| Energia solare | Inverter basati su SiC | Maggiore efficienza, ingombro ridotto |
| Aeronautico | Scudi termici, specchietti | Resistenza termica, bassa dilatazione |
| Robotica e centri dati | Elettronica di potenza, azionamenti motore | Minore perdita di potenza, miniaturizzazione |
| Difesa e sicurezza | Piastre di armatura, sistemi frenanti | Durezza, resistenza al calore e agli urti |
Applicazioni del carburo di silicio
Carburo di silicio nei veicoli elettrici
Di gran lunga l'applicazione più importante del carburo di silicio nel prossimo decennio è l'elettronica di potenza, dove questo materiale è più che mai insostituibile.
La sottosezione più ampia di questa categoria è quella dei veicoli elettrici, con una crescita prevista del 31% all'anno. Il SiC non è presente solo nell'elettronica di potenza e nei controller, ma anche nelle batterie, nei sistemi di monitoraggio e nei caricabatterie, sia nell'auto che nelle stazioni di ricarica.
Fonte: EV Meccanica
Già nel 2023 è stato dimostrato che un inverter al carburo di silicio può aumentare l'autonomia di un veicolo elettrico del 7%Da allora, molti nuovi progetti di veicoli elettrici hanno iniziato a incorporare più componenti SiC.
La crescita della domanda nel segmento dei veicoli elettrici potrebbe essere addirittura sottostimata nel caso di un passaggio all'elettrico per veicoli pesanti come i camion, che richiederebbero un sistema di ricarica molto più potente e pacchi batteria sufficienti ad alimentare decine di veicoli elettrici.
Il carburo di silicio è fondamentale anche per i cosiddetti "supercharger", un elemento chiave per risolvere un problema di resistenza nell'adozione dei veicoli elettrici, con l'obiettivo di ridurre i tempi di ricarica a pochi minuti.
Anche il minore stress termico e l'alimentazione più costante dovrebbero contribuire alla longevità delle batterie.
Il ruolo del carburo di silicio nell'energia verde e solare
Gli inverter al SiC per l'energia solare possono raggiungere un'efficienza fino al 99%, rispetto ai tradizionali inverter al silicio che raggiungono solo il 96-98%. Sebbene apparentemente piccolo, questo può tradursi in una grande quantità di energia extra per tutta la vita utile di un impianto solare.
Il carburo di silicio è anche molto più resistente al calore, in grado di resistere a temperature fino a 300° Celsius, mentre i dispositivi in silicio sono generalmente limitati a 150°Ce 10 volte la tensione.
Nel complesso, gli inverter SiC sono più efficienti, più durevoli, più piccoli e più economici rispetto ai vecchi inverter al silicio.
Altri usi high-tech del carburo di silicio
Il carburo di silicio è sempre più utilizzato anche in numerose applicazioni, come la robotica, dove le prestazioni superiori del SiC consentono di realizzare motori più piccoli e posizionati direttamente nelle articolazioni, riducendo notevolmente la complessità e il cablaggio necessario.
Fonte: Arrow
Stanno diventando sempre più importanti anche nei data center, dove chip sempre più potenti e la domanda di energia da parte dell'intelligenza artificiale richiedono un'alimentazione e un'elettronica di controllo più potenti di quelle che il silicio può fornire.
Nel 1907, per la creazione del primo LED, fu utilizzato un cristallo di carburo di silicio. Successivamente, negli anni '1970 e '1980, fu prodotto in serie sia nei paesi occidentali che in Unione Sovietica. In seguito, fu sostituito dal nitruro di gallio, con una luminosità da 10 a 100 volte superiore, che portò all'attuale adozione di massa dei LED.
Tuttavia, il SiC è ancora utilizzato nei LED, come substrato su cui viene depositato il nitruro di gallio e per disperdere il calore nei LED più potenti.
Abrasives
Il SiC è un materiale molto duro, il che lo rende utile come abrasivo in mole abrasive, carta vetrata e altri prodotti abrasivi per la macinazione di materiali come metalli e ceramiche. Di solito, per queste applicazioni viene utilizzato il SiC nero di qualità inferiore, più economico e ricco di impurità.
Negli utensili da taglio vengono utilizzati gradi più elevati di SiC, che sfruttano anch'essi l'elevatissima durezza di questo materiale, ma la sua maggiore purezza lo rende ancora più resistente e meno fragile.
Materiali protettivi
La combinazione di elevata durezza e resistenza termica rende il SiC importante anche in altre applicazioni. Viene generalmente sinterizzato (fusione parziale) in ceramiche dure.
Un'applicazione riguarda la produzione di piastre di armatura antiproiettile in ceramica, in particolare piastre in giubbotti antiproiettile personali, dove il SiC controlla il 27% del mercato, ma anche nei blindati per elicotteri.
Queste ceramiche temprate vengono utilizzate anche nei freni e nelle frizioni delle automobili.
La ceramica al carburo di silicio viene utilizzata anche in applicazioni aerospaziali, ad esempio nello strato esterno di protezione termica dello scudo termico gonfiabile LOFTID della NASA.
Un'altra applicazione spaziale del SiC è la produzione di telescopi astronomici, dove la deposizione chimica da vapore consente di realizzare grandi dischi di SiC utilizzati come specchi nei telescopi. La bassa dilatazione termica può anche essere utilizzata come struttura per i meccanismi di altissima precisione dei telescopi.
Catalisi chimica
L'elevata reattività del carburo di silicio all'elettricità lo rende un potenziale candidato per nuove forme di elettrocatalisi. Queste reazioni si basano solitamente su una forma di cristalli di carburo di silicio chiamata carburo di silicio cubico, con una superficie maggiore.
Ad esempio, è stato recentemente scoperto che è un buon candidato per una migliore fotocatalisi dell'idrogeno, ovvero la scomposizione diretta dell'acqua in idrogeno tramite la luce solare.
Il carburo di silicio cubico può essere utilizzato anche come supporto catalizzatore per l'ossidazione degli idrocarburi.
Infine, Il carburo di silicio potrebbe essere utilizzato per coltivare semiconduttori di grafene.
Energia nucleare
Il carburo di silicio ha un'elevata capacità di assorbire neutroni, per cui viene utilizzato come rivestimento per il combustibile nucleare e per contenere le scorie nucleari.
I sensori SiC vengono utilizzati per monitorare i livelli di radiazione negli impianti nucleari e in altre applicazioni di rilevamento delle radiazioni (ambiente, ambito medico, ecc.).
La resistenza del SiC alle radiazioni e alle variazioni termiche lo rende un buon materiale per i reattori nucleari destinati allo spazio, un campo in crescita con i piani della NASA e di altre nazioni per la Luna e forse anche per le basi su Marte.
Gioielli
Cristallo a base di carbonio, il SiC condivide molte caratteristiche con il diamante (carbonio puro) ed è noto in gioielleria come "moissanite sintetica". Può essere facilmente scambiato per diamante.
Fonte: MRF
Mitigazione dei rischi delle terre rare con il SiC
Mentre guerre commerciali, tariffe e sanzioni interrompono le relazioni commerciali tra Stati Uniti e Cina, l’industria automobilistica si trova ad affrontare il problema molto serio di esaurire potenzialmente i materiali di terre rare di produzione cinese. con, ad esempio, la chiusura di una fabbrica da parte della Ford.
"È un'attività quotidiana. Abbiamo dovuto chiudere le fabbriche. Al momento viviamo alla giornata."
Jim Farley – Amministratore delegato della Ford
Questo è un campo in cui il Sic può rivelarsi utile, grazie al carburo di silicio che consente di realizzare motori sincroni ad eccitazione separata, eliminando la necessità di magneti permanenti che richiedono terre rare.
Quindi, se da un lato le aziende produttrici di carburo di silicio potrebbero risentire di una grave interruzione della filiera dei veicoli elettrici, dall'altro il loro prodotto potrebbe essere adottato più ampiamente nei nuovi progetti di veicoli elettrici in futuro, al fine di ridurre la dipendenza dalle forniture di terre rare cinesi.
Conclusione
Il carburo di silicio non è un materiale nuovo, ma lo è la produzione in serie di componenti elettronici ultrapuri e di piccole dimensioni realizzati con esso, con proprietà elettriche di gran lunga superiori.
Ha aperto le porte a numerose nuove applicazioni e attualmente è ampiamente adottato per sostituire le vecchie opzioni basate sul silicio in una vasta gamma di settori in rapida crescita, in particolare nei settori dei veicoli elettrici e dell'energia solare.
Quanto più l'industria e i trasporti mondiali si elettrificano, tanto più sarà necessario carburo di silicio, poiché una domanda di energia più intensa richiede caricabatterie, batterie e controller più potenti per consentire una ricarica rapida e sicura, batterie più durevoli, ecc.
Oltre a queste applicazioni, la produzione in serie di SiC e il miglioramento dei metodi di produzione ne ridurranno probabilmente i costi. Di conseguenza, altre applicazioni come armature, scudi termici, applicazioni aerospaziali e utensili inizieranno probabilmente ad adottare il SiC più frequentemente.
Infine, si aprono nuovi potenziali campi di applicazione, in particolare la possibilità di utilizzare il carburo di silicio per la produzione di idrogeno verde.
Nel complesso, è probabile che il carburo di silicio diventi un materiale molto più noto al grande pubblico in futuro. Con un CAGR previsto tra il 20 e il 30% per il prossimo decennio, gli investitori potrebbero voler prestare attenzione a questo piccolo ma in rapida crescita sottosettore dell'industria dei semiconduttori.
Aziende di carburo di silicio
SU Semi
(ON )
ON Semi è un'azienda di semiconduttori specializzata nell'elettrificazione, compreso quello automobilistico, ma anche in altri settori come l'energia solare, le batterie, l'aerospaziale, le telecomunicazioni, i data center e la medicina.
Per questo motivo è un partner fondamentale per molte delle più grandi aziende industriali del mondo.
Fonte: SU Semi
Gran parte del vantaggio tecnologico di ON Semi si basa su Carburo di silicio, soprattutto nel caso di carichi di potenza molto elevati richiesti per la ricarica rapida dei veicoli elettrici.
La strategia di ON Semi di puntare sul carburo di silicio ha portato l'azienda a registrare un'impennata dei ricavi negli ultimi anni, trainata dalla rivoluzione dei veicoli elettrici.
Fonte: SU Semi
I sensori al carburo di silicio sono più efficienti dal punto di vista energetico e funzionano meglio in condizioni di scarsa illuminazione, il che sarà fondamentale per la realizzazione di auto a guida autonoma sicure.
I prodotti in carburo di silicio di ON Semi vengono utilizzati anche in impianti di energia solare di tutte le dimensioni, centri dati e sensori di ogni genere (ultrasonici, elettrochimici, come quelli per il monitoraggio della glicemia e quelli per il rilevamento di oggetti metallici).
Cavalcando la tendenza dell’elettrificazione, ON Semi controlla il 10% dei ricavi globali del SiC ed è una delle principali aziende nordamericane del settore, in competizione con le aziende europee Infineon (SENNY) e la più ampia società di semiconduttori STMicroelectronics (STM ).
Fonte: McKinsey
Poiché le catene di fornitura industriali occidentali si stanno allontanando dalla fornitura cinese, è probabile che ON Semi trarrà grandi vantaggi dalla tendenza all'elettrificazione, in particolare per quanto riguarda i veicoli elettrici e altre energie verdi.
(È anche possibile leggere un articolo più lungo su questa azienda in "On Semiconductor (ON): il carburo di silicio alimenta l'elettrificazione".)
Sistemi di prova Aehr
(AEHR )
Aehr è un'azienda produttrice di semiconduttori specializzata nel carburo di silicio.
Più precisamente, l'azienda produce apparecchiature per testare i wafer di carburo di silicio. Questo le consente di essere presente nel settore automobilistico dei veicoli elettrici, degli smartphone, dei chip per computer e della fotonica/telecomunicazioni.
Fonte: Ah
Ciò rende Aehr un'azienda di nicchia e molto tecnica, nonché una componente cruciale della catena di fornitura. Afferma di essere "sulla strada per diventare lo standard industriale per una fase di produzione critica per i semiconduttori di potenza in carburo di silicio. "
Aehr sta inoltre sviluppando attivamente nuovi mercati, in particolare il mercato del burn-in del nitruro di gallio, utilizzato in applicazioni ad alta potenza come gli inverter fotovoltaici, rendendolo presente in entrambe le alternative all'elettronica di potenza basata sul silicio.
Ciò conferisce ad Aehr una base di clienti molto diversificata, che assomiglia ai grandi nomi del settore dei semiconduttori e degli utensili, tra cui TSMC, Texas Instruments, Seagate, Nvidia, Cisco, Qualcomm e Bosch.
Fonte: Ah
L'azienda potrebbe trarre grandi vantaggi dai nuovi segmenti emergenti nel settore dei semiconduttori, come la fotonica del silicio.
Nel frattempo, occupando una nicchia piccola e importante (test del carburo di silicio) all'interno di un'altra nicchia nella filiera dei veicoli elettrici (elettronica di potenza del carburo di silicio), Aehr è ben posizionata per trarre vantaggio dalla crescita del volume di produzione dei veicoli elettrici, indipendentemente dalle più recenti tecnologie delle batterie, dai modelli di auto o dai cambiamenti negli standard delle spine di ricarica.
Dopo un'impennata imponente del prezzo delle azioni nel 2023, al culmine dell'entusiasmo per qualsiasi titolo legato ai veicoli elettrici, la società è ora tornata a una valutazione più ragionevole e rappresenta un'opzione "pick-and-shovel" per gli investitori nel settore del carburo di silicio.
