Koherentny węglik krzemu (SiC) jest kluczowym materiałem na zwierciadła dla teleskopów astronomicznych i energoelektroniki dla pojazdów elektrycznych

Twardość i sztywność powierzchni węglika krzemu sprawiają, że jest on doskonałym materiałem na lustra w teleskopach astronomicznych, a także stanowi kluczowy element elektroniki mocy stosowanej w pojazdach elektrycznych oraz sondach kosmicznych.

Khan zwraca uwagę, że DENSO i Mitsubishi Electric to dwie wiodące firmy systemowe, które aktywnie pozyskują układy SiC zarówno na poziomie podłoży, jak i płytek epitaksjalnych.

Czym jest Coherent?

Węglik krzemu, podobnie jak egzotyczne materiały półprzewodnikowe, takie jak azotek galu i tlenek galu, znalazł się ostatnio w centrum uwagi ze względu na swój potencjał zastąpienia tradycyjnego krzemu w niektórych zastosowaniach, takich jak elektronika mocy w pojazdach elektrycznych. Trend ten napędzany jest przez lukratywne możliwości związane z ekologicznymi technologiami, takimi jak pojazdy elektryczne, panele słoneczne i zaawansowane czujniki, które muszą działać w trudnych warunkach.

Firmy, które chcą skorzystać z gwałtownie rosnącego popytu na urządzenia elektroniki mocy, muszą mieć dostęp do dużych ilości wysokiej jakości płytek z węglika krzemu (SiC). Amerykańska firma Coherent, znana wcześniej jako II-VI, a obecnie zajmująca się produkcją laserów i przełączników do obwodów, planuje wykorzystać ten trend, tworząc spółkę zależną zajmującą się wyłącznie produkcją płytek SiC.

Niedawno firma ogłosiła, że pozyskała łączną inwestycję w wysokości $1 miliarda od japońskich przedsiębiorstw DENSO i Mitsubishi Electric na potrzeby swojej działalności w zakresie półprzewodników z węglika krzemu (SiC). Inwestycja ta przyspieszy realizację planów kapitałowych w nadchodzących latach, ponieważ umożliwi zwiększenie mocy produkcyjnych w zakresie podłoży SiC o średnicy 150 mm i 200 mm oraz płytek epitaksjalnych.

Inwestycja firmy Coherent ma miejsce w momencie, gdy szacunki rynkowe wskazują, że całkowita wartość rynku docelowego dla SiC osiągnie około $21 miliardów do 2030 roku, co skłoniło firmę Coherent do rozszerzenia działalności produkcyjnej w zakresie podłoży i płytek epitaksjalnych wytwarzanych z tego materiału, aby sprostać rosnącemu popytowi, umacniając jednocześnie swoją pozycję światowego lidera w dziedzinie technologii SiC.

Układy SiC cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na swoją wyjątkową wydajność, o czym świadczy fakt, że tracą one na ciepło o połowę mniej energii niż układy krzemowe. Dzięki temu elementy elektroniki mocy mogą pracować w niższych temperaturach, co pozwala obniżyć koszty i zmniejszyć masę; a mniejsze straty ciepła oznaczają dłuższą żywotność akumulatorów!

Kolejnym czynnikiem jest to, że półprzewodniki SiC są wykonane z materiału mocniejszego i bardziej odpornego na ścieranie niż krzem, co przyczynia się do wydłużenia ich żywotności. Z tych i innych powodów producenci elektroniki mocy chętnie wdrażają technologię SiC. W rezultacie firmy takie jak Wolfspeed ogłosiły latem 2018 r., że budują największy na świecie zakład produkcyjny SiC, a firma Infineon ogłosiła plany budowy własnego zakładu.

Zastosowania

SiC znajduje szerokie zastosowanie w elektronice półprzewodnikowej ze względu na doskonałą przewodność cieplną, twardość i sztywność – właściwości, które sprawiają, że idealnie nadaje się do pracy w wysokich temperaturach i przy wysokich napięciach. Doskonała przewodność cieplna SiC umożliwia stosowanie go w aplikacjach wymagających konwersji dużej mocy, takich jak falowniki i układy napędowe pojazdów elektrycznych, a także w systemach przesyłu mocy, które wykorzystują jego niską rezystancję elektryczną, co pomaga ograniczyć straty ciepła przy jednoczesnej poprawie sprawności. Podobnie technologia SiC jest wykorzystywana w obserwatoriach kosmicznych Herschel i Gaia ze względu na niski współczynnik rozszerzalności cieplnej; lustra wykonane z SiC mogą osiągać wymiary nawet do 3,5 metra (11 stóp).

Działalność firmy Coherent w zakresie węglika krzemu wzbudziła zainteresowanie trzech japońskich konglomeratów – Denso Corp, Hitachi Ltd i Mitsubishi Electric Corp – przy czym każdy z tych koncernów rozważa inwestycję w tę działalność przy wycenie sięgającej nawet $5 miliardów, jak podaje źródło zaznajomione ze sprawą, które poprosiło o zachowanie anonimowości, ponieważ sprawa ta została uznana za poufną.

Wraz z gwałtownym wzrostem globalnego popytu na pojazdy elektryczne gwałtownie rośnie również popyt na te urządzenia. Aby sprostać wymaganiom dotyczącym coraz większego zasięgu, obniżyć koszty akumulatorów i skutecznie ograniczyć emisje, oczekuje się, że przetworniki mocy oparte na węgliku krzemu (SiC) zaczną być powszechnie stosowane około 2025 roku w pojazdach elektrycznych klasy premium, a następnie znajdą zastosowanie w samochodach i przemysłowych układach zasilania.

Oprócz produkcji podłoży z węglika krzemu (SiC) spółka ta rozszerzyła swoją działalność o produkcję urządzeń i modułów. Khan uważa, że kluczem do ich sukcesu jest współpraca z wiodącymi producentami systemów, takimi jak Mitsubishi Electric i Denso, co pozwala czerpać jak najwięcej wiedzy z tej współpracy, a tym samym usprawniać procesy produkcyjne.

Firma ta zamierza produkować podłoża SiC typu n o grubości 200 mm i strukturze 4H, nadające się do wytwarzania wysokowydajnych tranzystorów mocy MOSFET z SiC, charakteryzujących się lepszą odpornością na napięcie i temperaturę oraz większą niezawodnością, wydajnością i trwałością w porównaniu z tradycyjnymi układami krzemowymi. Tranzystory MOSFET SiC zapewniają systemy elektroniki mocy, które muszą działać przy wyższych częstotliwościach, wyższych temperaturach, w szerszym zakresie mocy oraz przy niższych kosztach – są to idealne rozwiązania, które pomagają ograniczyć emisję CO₂ przy jednoczesnym przyspieszeniu przejścia na rozwiązania oparte na czystej energii.

Technologia

Węglik krzemu (SiC) to niezwykle twardy i kruchy materiał krystaliczny stosowany w półprzewodnikowych urządzeniach elektronicznych pracujących w wysokich temperaturach lub przy wysokich napięciach, a także doskonały przewodnik prądu elektrycznego w temperaturze pokojowej. SiC jest w stanie wytrzymać ekstremalnie wysokie temperatury lub napięcia i stanowi znakomity przewodnik prądu elektrycznego w temperaturze pokojowej; w związku z tym znajduje zastosowanie w diodach elektroluminescencyjnych (LED), detektorach we wczesnych odbiornikach radiowych, przetwornikach mocy (takich jak te stosowane w pojazdach elektrycznych) oraz w diodach elektroluminescencyjnych (LED) i przetwornikach mocy we wczesnych odbiornikach radiowych – przy czym wszystkie rodzaje zastosowań można znaleźć w urządzeniach elektroniki półprzewodnikowej wykorzystujących SiC. Naturalny moissanit wydobywa się jedynie w bardzo ograniczonych ilościach, podczas gdy praktycznie cały SiC sprzedawany na rynku jest wytwarzany syntetycznie z pozyskanych surowców.

W zastosowaniach z zakresu elektroniki mocy chipy wykonane z węglika krzemu mogą oferować szereg korzyści w porównaniu z ich krzemowymi odpowiednikami, w tym niższe temperatury pracy i częstotliwości przełączania. Niedawno firma Coherent trafiła na pierwsze strony gazet dzięki utworzeniu spółki zależnej zajmującej się wyłącznie produkcją węglika krzemu – idąc w ślady firmy Wolfspeed, która zbudowała największą w Niemczech fabrykę węglika krzemu, oraz firmy Infineon Technologies, produkującej układy półprzewodnikowe.

Działalność firmy Coherent w zakresie węglika krzemu rozwinęła się wykładniczo od momentu jej powstania, obejmując produkcję dużych płytek do wytwarzania wysokowydajnych elementów mocy. Uruchomiono linie produkcyjne obsługujące podłoża o średnicy do 200 mm, a narzędzia zostały zakwalifikowane do stosowania w tym procesie. Ponadto spółka zależna zajmująca się produkcją płytek epitaksjalnych stanowi również punkt wyjścia do wytwarzania szerokiej gamy półprzewodnikowych elementów mocy.

Aby zmaksymalizować wydajność i obniżyć koszty, spółka zależna zaczęła stosować proces Lely’ego, w ramach którego proszek węglika krzemu ulega sublimacji do form SiC o wyższej temperaturie topnienia, takich jak azotek krzemu (SiN) i dikarbid krzemu (Si₂C). Metoda Lely'ego pozwala na wzrost monokryształów o wysokiej czystości, które są następnie cięte w celu uzyskania płytek epitaksjalnych – choć może być ona droższa niż chemiczne osadzanie z fazy gazowej, uważa się ją za niezbędną do produkcji niezawodnych, a jednocześnie ekonomicznych urządzeń półprzewodnikowych z węglika krzemu.

Spółka zależna podpisała długoterminowe umowy dostaw z firmami DENSO i Mitsubishi Electric, które wykorzystują podłoża SiC i płytki epitaksjalne produkowane przez naszą spółkę zależną do wytwarzania przetworników mocy w samochodach elektrycznych. W ramach tych umów będą nabywane podłoża SiC o średnicy 150 mm i 200 mm w celu zaspokojenia ich potrzeb w zakresie elektroniki mocy.

Wycena

We wtorek kurs akcji firmy Coherent (COHR, +4,52%) gwałtownie wzrósł po ogłoszeniu, że jej dział zajmujący się półprzewodnikami z węglika krzemu otrzyma $1 mld od japońskich producentów samochodów: Denso (6902, -1,07%) i Mitsubishi Electric (6503) -0,68% zainwestują po $500 mln w zamian za 12,5% udziałów niekontrolujących; firma Coherent z siedzibą w Pittsburghu posiada 75% udziałów.

Inwestycja firmy Coherent przyspieszy realizację planów ekspansji kapitałowej i umożliwi zawarcie długoterminowych umów dostawczych. Ponadto transakcja ta pozwala firmie Coherent stać się podmiotem komercyjnym współpracującym z klientami na wszystkich etapach łańcucha wartości – od produkcji podłoży SiC i epireaktorów po projektowanie i produkcję urządzeń oraz modułów. Sohail Khan, starszy wiceprezes ds. nowych przedsięwzięć i elektroniki szerokopasmowej, będzie kierował nową spółką zależną jako dyrektor generalny.

W wyniku tej inwestycji segment komunikacyjny dawnej spółki Coherent wygenerował w roku obrotowym 2018 około 65% całkowitych przychodów; według agencji ratingowej Fitch, dzięki tej inwestycji przewiduje się, że do roku obrotowego 2023 działalność ta osiągnie roczny poziom przychodów przekraczający $2 mld oraz marżę zysku wyższą niż 15%. Stanowi to imponujący wzrost w porównaniu z rocznym wkładem w przychody wynoszącym około $650 mln w roku obrotowym 2018.

Węglik krzemu to rzadki związek chemiczny występujący w niewielkich ilościach wyłącznie w niektórych meteorytach, złożach korundu oraz w kamieniu szlachetnym zwanym moissanitem. Ze względu na swoje wyjątkowe właściwości węglik krzemu stał się nieodzownym składnikiem w elektronice wysokotemperaturowej i energoelektronice; jest on w stanie wytrzymać wyższe temperatury i napięcia niż krzem, a jednocześnie przewodzi prąd bardziej efektywnie niż aluminium czy stal. Ponadto węglik krzemu jest znacznie lżejszy i wytrzymalszy niż jego odpowiedniki wykonane z aluminium i stali.

W ciągu ostatnich dwóch lat firma Coherent poczyniła znaczne inwestycje w swoją działalność w celu zwiększenia mocy produkcyjnych i wsparcia dalszej ekspansji, w tym w budowę linii produkcyjnej płytek o średnicy 300 mm, a także w sprzęt do obróbki płytek epitaxjalnych oraz w potencjał badawczo-rozwojowy. Obecnie firma Coherent dostarcza płytki SiC o średnicach zarówno 200, jak i 400 mm do różnych klientów na całym świecie.

Agencja Fitch przewiduje, że rozwój działalności w segmencie węglika krzemu, w połączeniu z oszczędnościami wynikającymi z przejęcia firmy Coherent, pomoże zrównoważyć słabe wyniki w innych segmentach, co w okresie prognozy doprowadzi do wskaźnika pokrycia odsetek z EBITDA na poziomie zbliżonym do typowego dla ratingu “BB”.