كربيد السيليكون كربيد السيليكون المتماسك (SiC) مادة مرآة رئيسية للتلسكوبات الفلكية وإلكترونيات الطاقة للمركبات الكهربائية

إن خصائص سطح كربيد السيليكون الصلبة والصلبة تجعله مادة مرآة ممتازة للتلسكوبات الفلكية، كما أنه يشكل جزءًا أساسيًا من إلكترونيات الطاقة في المركبات الكهربائية الأرضية ومسابير المركبات الفضائية.

ويشير خان إلى أن شركتي DENSO وميتسوبيشي إلكتريك هما شركتان رائدتان في مجال الأنظمة تعملان بنشاط على شراء رقائق SiC على مستوى الركيزة والرقاقة فوق الرقاقة.

ما هو المتماسك؟

وقد تصدرت كربيد السيليكون، إلى جانب مواد أشباه الموصلات الغريبة مثل نيتريد الغاليوم وأكسيد الغاليوم، عناوين الأخبار مؤخرًا بسبب قدرتها على استبدال السيليكون التقليدي في بعض التطبيقات مثل إلكترونيات الطاقة للسيارات الكهربائية. ويدفع هذا الاتجاه الفرص المربحة التي توفرها التقنيات الخضراء مثل السيارات الكهربائية والألواح الشمسية وأجهزة الاستشعار المتقدمة التي يجب أن تعمل في بيئات قاسية.

يجب أن يكون لدى الشركات التي تتطلع إلى الاستفادة من الطلب المتزايد على الأجهزة الإلكترونية للطاقة إمكانية الوصول إلى كميات كبيرة من رقائق كربيد السيليكون عالية الجودة (SiC). وتعتزم شركة Coherent الأمريكية، التي كانت تُعرف سابقًا باسم II-VI ولكنها الآن تقوم بتصنيع الليزر ومفاتيح الدوائر الكهربائية، الاستفادة من هذا الاتجاه من خلال إنشاء شركة فرعية مخصصة فقط لإنتاج رقائق SiC.

وقد أعلنت الشركة مؤخرًا أنها حصلت على استثمار مشترك بقيمة $1 مليار دولار أمريكي من شركتي DENSO وMitsubishi Electric اليابانيتين لأعمالها في مجال أشباه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC). وسيؤدي هذا الاستثمار إلى تسريع خطط رأس المال في السنوات القادمة حيث سيدعم هذا الاستثمار خطط رأس المال في السنوات القادمة حيث يدعم القدرة التصنيعية الموسعة لركائز كربيد السيليكون مقاس 150 مم و200 مم والرقائق الفوقية.

ويأتي استثمار Coherent في الوقت الذي تشير فيه تقديرات السوق إلى أن إجمالي السوق القابلة للتناول من SiC سيصل إلى حوالي $21 مليار بحلول عام 2030، مما يدفع Coherent إلى توسيع نطاق عملياتها التصنيعية للركائز والرقائق الفوقية المصنعة باستخدام هذه المادة لتلبية هذا الطلب المتزايد، مما يوسع من مكانة Coherent الرائدة عالمياً في تكنولوجيا SiC بالتوازي مع هذه العمليات.

اجتذبت رقائق SiC الكثير من الاهتمام بسبب كفاءتها الفائقة، كما يتضح من حقيقة أنها لا تفقد سوى نصف الطاقة التي تفقدها الرقائق القائمة على السيليكون بسبب الحرارة. وهذا يمكّن مكونات إلكترونيات الطاقة من العمل في درجات حرارة منخفضة مع توفير التكاليف والوزن؛ بالإضافة إلى أن إهدار حرارة أقل يعني أن البطاريات تدوم لفترة أطول!

والعامل الآخر هو أن أشباه موصلات SiC مصنوعة من مواد أقوى وأكثر مقاومة للتآكل من السيليكون، مما يساعد على إطالة عمرها التشغيلي. ونتيجة لهذه الأسباب وغيرها، تبنّت الشركات المصنعة لإلكترونيات الطاقة بشغف أشباه الموصلات السيليكونية. ونتيجة لذلك، أعلنت شركات مثل Wolfspeed في صيف 2018 أنها تقوم ببناء أكبر منشأة لتصنيع أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون في العالم، بينما أعلنت شركة Infineon عن خطط لتطوير مصنعها الخاص.

التطبيقات

تُستخدم SiC على نطاق واسع في تطبيقات الإلكترونيات شبه الموصلة بسبب توصيلها الحراري الممتاز وصلابتها وصلابتها، وهي خصائص تجعلها مثالية لدرجات الحرارة والجهود العالية. وتتيح الموصلية الحرارية الفائقة التي تتمتع بها SiC تطبيقات تحويل الطاقة الكبيرة مثل المحولات وأنظمة الدفع للمركبات الكهربائية وكذلك أنظمة نقل الطاقة التي تستخدم مقاومتها الكهربائية المنخفضة التي تساعد على تقليل فقدان الحرارة مع تحسين الكفاءة. وبالمثل، يتم استخدام تكنولوجيا SiC من قبل مراصد الفضاء Herschel وGaia بسبب معامل التمدد الحراري المنخفض؛ ويمكن أن تصل أبعاد المرايا المصنوعة من SiC إلى 3.5 متر (11 قدمًا).

استحوذت أعمال كربيد السيليكون الخاصة بشركة Coherent على اهتمام ثلاث تكتلات يابانية - شركة Denso Corp، وشركة Hitachi Ltd، وشركة Mitsubishi Electric Corp - حيث تدرس كل مجموعة من هذه التكتلات الاستثمار فيها بقيمة تصل إلى $5 مليار دولار، وفقًا لمصدر مطلع على الأمر طلب عدم الكشف عن هويته لأن الأمر يعتبر سريًا.

مع ارتفاع الطلب العالمي على السيارات الكهربائية، يرتفع الطلب عليها أيضاً. ومن المتوقع أن يتم اعتماد محولات الطاقة القائمة على كربيد السيليكون (SiC) على نطاق واسع ابتداءً من عام 2025 تقريبًا في السيارات الكهربائية المتطورة قبل أن تنتشر في جميع أنحاء السيارات وتطبيقات الطاقة الصناعية لتلبية مدى القيادة المتزايد وتقليل تكاليف البطارية والحد من الانبعاثات بشكل فعال.

بالإضافة إلى إنتاج ركائز SiC، توسعت هذه الشركة الفرعية في إنتاج الأجهزة والوحدات. ويعتقد خان أن مفتاح نجاحهم يكمن في العمل مع شركات الأنظمة الرائدة مثل ميتسوبيشي إلكتريك ودينسو لتحقيق أقصى قدر من التعلم من التعاون، وبالتالي تحسين عمليات الإنتاج.

تسعى هذه الشركة إلى إنتاج ركائز SiC 4H 4H من النوع n مقاس 200 مم مناسبة لتصنيع رقائق SiC MOSFET عالية الأداء ذات مقاومة فائقة للجهد ودرجة الحرارة وموثوقية وأداء وعمر افتراضي مقارنةً برقائق السيليكون التقليدية. وتوفر رقائق SiC MOSFETs أنظمة إلكترونيات الطاقة التي يجب أن تعمل بترددات ودرجات حرارة أعلى ونطاقات طاقة أوسع وبتكاليف منخفضة - وهي حلول مثالية تساعد على تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون مع تسريع الانتقال نحو حلول الطاقة النظيفة.

التكنولوجيا

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة بلورية شديدة الصلابة والهشاشة تُستخدم في الأجهزة الإلكترونية شبه الموصلة التي تعمل تحت درجات حرارة أو فولتية عالية، وموصل ممتاز للكهرباء في درجة حرارة الغرفة. يمكن أن يتحمل SiC درجات الحرارة أو الفولتية العالية للغاية وهو موصل ممتاز للكهرباء في درجة حرارة الغرفة؛ ولذلك فهو يستخدم في الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED)، وأجهزة الكشف في أجهزة الراديو المبكرة، ومحولات الطاقة (مثل تلك الموجودة في السيارات الكهربائية)، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED)، ومحولات الطاقة في أجهزة الراديو المبكرة - مع جميع أنواع التطبيقات الموجودة في أجهزة الإلكترونيات شبه الموصلة التي تستخدم SiC. لا يُستخرج المويسانيت الطبيعي إلا بكميات محدودة للغاية في حين أن كل سيكلوريد الكربون المباع تجاريًا تقريبًا يتم تصنيعه صناعيًا من المواد الخام الموجودة.

يمكن أن تحقق الرقائق المصنوعة من كربيد السيليكون العديد من المزايا مقارنة بنظيراتها المصنوعة من السيليكون في تطبيقات إلكترونيات الطاقة، بما في ذلك انخفاض درجات حرارة التشغيل وترددات التحويل. وفي الآونة الأخيرة، تصدرت شركة Coherent عناوين الأخبار لتأسيسها شركة تابعة لها مخصصة فقط لإنتاج كربيد السيليكون - على خطى شركة Wolfspeed التي أنشأت أكبر مصنع لكربيد السيليكون في ألمانيا وشركة Infineon Technologies التي تصنع أجهزة أشباه الموصلات.

توسعت أعمال شركة Coherent في مجال كربيد السيليكون بشكل كبير منذ تأسيسها، حيث تقوم بإنتاج رقائق كبيرة لتصنيع أجهزة الطاقة عالية الأداء. وقد تم إنشاء خطوط للتعامل مع الركائز التي يصل قطرها إلى 200 مم، وتم تأهيل الأدوات لاستخدامها خلال هذه العملية. وعلاوة على ذلك، تعمل شركة تابعة لتصنيع الرقائق الفوقية أيضاً كنقطة انطلاق لتصنيع مجموعة من أجهزة أشباه الموصلات الكهربائية.

ولتعظيم الإنتاجية وتقليل التكاليف، اتجهت الشركة الفرعية إلى اعتماد عملية Lely، التي يتم فيها تسخين مسحوق كربيد السيليكون إلى أنواع من كربيد السيليكون ذات درجة حرارة أعلى من سيليكون الكربون مثل نيتريد السيليكون (SiN) وثنائي كربيد السيليكون (Si2C). وتسمح طريقة Lely بنمو بلورة واحدة ذات نقاء عالٍ يتم تقطيعها بعد ذلك لإنشاء رقائق فوقية لرقائق فوقية فردية - قد تكون أكثر تكلفة من الترسيب الكيميائي بالبخار ولكنها تعتبر ضرورية لإنتاج أجهزة شبه موصلة من كربيد السيليكون موثوقة ومخفضة التكلفة.

وقعت الشركة الفرعية اتفاقيات توريد طويلة الأجل مع شركتي DENSO وميتسوبيشي إلكتريك، اللتين تستخدمان ركائز SiC والرقائق الفوقية التي تنتجها شركتنا الفرعية لتصنيع محولات الطاقة في السيارات الكهربائية. وبموجب هذه العقود، سيتم شراء ركائز SiC مقاس 150 مم و200 مم لدعم احتياجاتهما من إلكترونيات الطاقة.

التسعير

ارتفعت أسهم شركة Coherent COHR، +4.52% يوم الثلاثاء بعد أنباء عن أن أعمالها في مجال أشباه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون ستتلقى $P1 مليار دولار من شركتي صناعة السيارات اليابانية Denso 6902، -1.07% وMitsubishi Electric 6503 -0.68% سيستثمر كل منهما $P500 مليون دولار مقابل 12.5% حصص غير مسيطرة؛ وتمتلك شركة Coherent ومقرها بيتسبرغ 75%.

سيؤدي استثمار Coherent إلى تسريع خطط التوسع الرأسمالي وتمكين اتفاقيات التوريد طويلة الأجل. وعلاوة على ذلك، تتيح هذه الصفقة لشركة Coherent أن تصبح لاعباً تجارياً يتعامل مع العملاء على جميع مستويات سلسلة القيمة بدءاً من تصنيع ركائز SiC والمفاعلات فوق البنفسجية وصولاً إلى تصميم الأجهزة والوحدات وإنتاجها. وسيتولى سهيل خان، نائب الرئيس التنفيذي الأول للمشاريع الجديدة وأعمال الإلكترونيات ذات النطاق العريض، قيادة الشركة التابعة الجديدة بصفته الرئيس التنفيذي.

ونتيجة لاستثماراتها، استحوذ قطاع الاتصالات القديم في شركة Coherent على حوالي 651 تيرابايت 3 تيرابايت من إجمالي الإيرادات خلال السنة المالية 2018؛ وبفضل هذا الاستثمار، من المتوقع أن تحقق الشركة معدل إيرادات يزيد عن 1 تيرابايت 4 تيرابايت 2 مليار دولار أمريكي وهامش ربح يزيد عن 151 تيرابايت 3 تيرابايت بحلول السنة المالية 2023، وفقًا لتصنيفات وكالة فيتش. ويمثل ذلك زيادة كبيرة عن مساهماتها التي تبلغ حوالي $650 مليون تيرابايت سنويًا في الإيرادات خلال السنة المالية 2018.

كربيد السيليكون هو مركب غريب يوجد بكميات صغيرة فقط في بعض الرواسب النيزكية والكوراندوم والمويسانيت الأحجار الكريمة. ونظرًا لخصائصه الخاصة، أصبح كربيد السيليكون مكونًا أساسيًا في تطبيقات الإلكترونيات عالية الحرارة وإلكترونيات الطاقة؛ حيث إنه قادر على تحمل درجات حرارة وفولتية أعلى من السيليكون مع توصيل الكهرباء بكفاءة أكبر من الألومنيوم أو الفولاذ. وعلاوةً على ذلك، فإن كربيد السيليكون أخف وزناً وأقوى بكثير من نظرائه من الألومنيوم والصلب.

استثمرت Coherent بشكل كبير في أعمالها على مدى العامين الماضيين لتعزيز قدراتها ودعم توسعها المستمر، بما في ذلك بناء خط إنتاج رقاقات 300 مم، بالإضافة إلى الاستثمار في معدات معالجة الرقاقات فوق الرقائق وقدرات البحث والتطوير في مجال البحث والتطوير. توفر Coherent الآن رقاقات SiC بأقطار 200 و400 مم لمختلف العملاء في جميع أنحاء العالم.

وتتوقع فيتش أن يساعد النمو في أعمال كربيد السيليكون، إلى جانب كفاءة التكلفة من الاستحواذ على شركة Coherent في تعويض الضعف في القطاعات الأخرى، مما يؤدي إلى تغطية الفائدة قبل احتساب الفوائد والضرائب والإهلاك والاستهلاك وإطفاء الدين عند مستويات أقرب إلى المستويات النموذجية "BB" خلال فترة التوقعات.