Koherent kiselkarbid (SiC) är ett viktigt spegelmaterial för astronomiska teleskop och kraftelektronik för elfordon

Kiselkarbidens hårda och styva ytegenskaper gör den till ett utmärkt spegelmaterial för astronomiska teleskop, och den utgör också en viktig del av kraftelektroniken i markbundna elfordon och rymdsonder.

Khan noterar att DENSO och Mitsubishi Electric är två ledande systemföretag som aktivt upphandlar SiC-chip på både substrat- och epiwafernivå.

Vad är Coherent?

Kiselkarbid, tillsammans med exotiska halvledarmaterial som galliumnitrid och galliumoxid, har nyligen skapat rubriker på grund av sin potential att ersätta traditionellt kisel i vissa applikationer som kraftelektronik för elfordon. Denna trend drivs på av de lukrativa möjligheter som grön teknik erbjuder, t.ex. elfordon, solpaneler och avancerade sensorer som måste fungera i tuffa miljöer.

Företag som vill dra nytta av den ökande efterfrågan på kraftelektronik måste ha tillgång till stora mängder högvärdiga kiselkarbidskivor (SiC-wafers). Det amerikanska företaget Coherent, som tidigare var känt under namnet II-VI men som nu tillverkar lasrar och switchar för kretsar, planerar att dra nytta av denna trend genom att skapa ett dotterbolag som enbart ägnar sig åt produktion av SiC-wafers.

Nyligen meddelade bolaget att det hade säkrat en kombinerad investering på $1 miljard från de japanska företagen DENSO och Mitsubishi Electric för sin verksamhet inom halvledare av kiselkarbid (SiC). Denna investering kommer att påskynda kapitalplanerna under de kommande åren eftersom den stöder utökad tillverkningskapacitet av 150 mm och 200 mm SiC-substrat och epitaxiala wafers.

Coherents investering kommer vid en tidpunkt då marknadsuppskattningar visar att den totala adresserbara marknaden för SiC kommer att uppgå till cirka $21 miljarder år 2030, vilket föranleder Coherent att skala upp sin tillverkning av substrat och epitaxiella wafers som tillverkas med detta material för att möta den ökande efterfrågan och samtidigt utöka Coherents globala ledarposition inom SiC-teknik.

SiC-chip har väckt stort intresse på grund av sin överlägsna effektivitet, vilket framgår av det faktum att de bara förlorar hälften så mycket energi till värme som kiselbaserade chip gör. Detta gör att kraftelektronikkomponenter kan arbeta vid lägre temperaturer och samtidigt spara kostnader och vikt; dessutom innebär mindre värmeförluster att batterierna håller längre!

En annan faktor är att SiC-halvledare är tillverkade av starkare och mer nötningsbeständigt material än kisel, vilket bidrar till att förlänga deras livslängd. På grund av dessa och andra skäl har tillverkare av kraftelektronik ivrigt anammat SiC. Som ett resultat av detta meddelade företag som Wolfspeed sommaren 2018 att de bygger världens största SiC-fabrik, medan Infineon meddelade att de planerar att utveckla sin egen fabrik.

Tillämpningar

SiC används ofta i halvledarelektroniktillämpningar tack vare sin utmärkta värmeledningsförmåga, hårdhet och styvhet - egenskaper som gör den idealisk för höga temperaturer och spänningar. SiC:s överlägsna värmeledningsförmåga möjliggör stora applikationer för kraftomvandling, t.ex. inverterare och drivlinor för elfordon, samt kraftöverföringssystem som använder det låga elektriska motståndet, vilket bidrar till att minska värmeförlusterna och samtidigt förbättra effektiviteten. På samma sätt används SiC-tekniken av rymdobservatorierna Herschel och Gaia på grund av dess låga värmeutvidgningskoefficient; speglar tillverkade av SiC kan till och med nå dimensioner på upp till 3,5 meter (11 fot).

Coherents kiselkarbidverksamhet har rönt intresse från tre japanska konglomerat - Denso Corp, Hitachi Ltd och Mitsubishi Electric Corp - och varje konglomerat överväger att investera i verksamheten till en värdering på upp till $5 miljarder, enligt en källa som är insatt i ärendet och som bad att inte bli identifierad eftersom ärendet betraktas som konfidentiellt.

I takt med att den globala efterfrågan på elfordon ökar kraftigt skjuter också efterfrågan på dessa fordon i höjden. För att klara den ökande räckvidden, minska batterikostnaderna och effektivt begränsa utsläppen förväntas effektomvandlare baserade på kiselkarbid (SiC) bli allmänt använda med början runt 2025 i avancerade elbilar innan de sprids till bilar och industriella kraftapplikationer.

Förutom att producera SiC-substrat har detta dotterbolag expanderat till att även producera enheter och moduler. Khan anser att nyckeln till deras framgång ligger i att arbeta tillsammans med ledande systemföretag som Mitsubishi Electric och Denso för att dra maximal nytta av samarbetet och därmed förbättra produktionsprocesserna.

Företaget vill tillverka 200 mm n-typ 4H SiC-substrat som lämpar sig för tillverkning av högpresterande SiC power MOSFETs med överlägsen spännings- och temperaturtålighet samt tillförlitlighet, prestanda och livslängd jämfört med traditionella kiselchip. SiC MOSFETs ger kraftelektroniksystem som måste fungera vid högre frekvenser, temperaturer, bredare effektområden och till lägre kostnader - idealiska lösningar som hjälper till att minska koldioxidutsläppen samtidigt som de påskyndar övergången till rena energilösningar.

Teknik

Kiselkarbid (SiC) är ett extremt hårt och sprött kristallmaterial som används i halvledarelektronik som arbetar under höga temperaturer eller spänningar och är en utmärkt ledare av elektricitet vid rumstemperatur. SiC tål extremt höga temperaturer eller spänningar och är en enastående ledare av elektricitet vid rumstemperatur; som sådan finner den tillämpning i ljusdioder (LED), detektorer i tidiga radioapparater, kraftomvandlare (som de som finns i elfordon), ljusdioder (LED) och kraftomvandlare i tidiga radioapparater - med alla typer av applikationer som finns inom halvledarelektronikenheter som använder SiC. Naturlig moissanit bryts endast i mycket begränsade mängder medan praktiskt taget all SiC som säljs kommersiellt är syntetiskt tillverkad från råmaterial som hittats.

Chip tillverkade av kiselkarbid kan ge flera fördelar jämfört med motsvarande chip av kisel i kraftelektronikapplikationer, bland annat lägre driftstemperaturer och switchfrekvenser. Nyligen skapade Coherent rubriker genom att etablera ett dotterbolag som enbart ägnar sig åt kiselkarbidproduktion - i fotspåren av Wolfspeed som byggde Tysklands största kiselkarbidfabrik och Infineon Technologies som tillverkar halvledarkomponenter.

Coherent's kiselkarbidverksamhet har expanderat exponentiellt sedan starten och producerar stora wafers för tillverkning av högpresterande kraftelektronik. Linjer för att hantera substrat med en diameter på upp till 200 mm har etablerats och verktyg har kvalificerats för att användas i denna process. Dessutom finns ett dotterbolag för tillverkning av epitaxiala wafers som också fungerar som utgångspunkt för tillverkning av en rad olika krafthalvledarkomponenter.

För att maximera utbytet och minska kostnaderna har dotterbolaget börjat använda Lely-processen, i vilken kiselkarbidpulver sublimeras till SiC-arter med högre temperatur, såsom kiselnitrid (SiN) och kiseldikarbid (Si2C). Lely-metoden möjliggör tillväxt av enkristaller med hög renhet som sedan skärs för att skapa epitaxiala skivor för individuella epitaxiala skivor - det kan vara dyrare än kemisk ångdeposition men anses vara avgörande för att producera tillförlitliga men kostnadsbesparande halvledaranordningar av kiselkarbid.

Dotterbolaget har tecknat långsiktiga leveransavtal med DENSO och Mitsubishi Electric, som använder SiC-substrat och epitaxiala wafers producerade av vårt dotterbolag för tillverkning av kraftomvandlare i elbilar. Enligt dessa avtal kommer SiC-substrat på 150 mm och 200 mm att köpas in för att tillgodose deras respektive behov av kraftelektronik.

Prissättning

Coherent COHR, +4,52%-aktierna steg på tisdag efter nyheten om att dess kiselkarbidhalvledarverksamhet kommer att få $1 miljard från de japanska biltillverkarna Denso 6902, -1,07% och Mitsubishi Electric 6503 -0,68% kommer vardera att investera $500 miljoner för 12,5% icke-kontrollerande andelar; Pittsburgh-baserade Coherent äger 75%.

Coherents investering kommer att påskynda kapitalutvidgningsplanerna och möjliggöra långsiktiga leveransavtal. Dessutom gör transaktionen det möjligt för Coherent att bli en merkantil aktör som samarbetar med kunder på alla nivåer i värdekedjan, från tillverkning av SiC-substrat och epireaktorer till design och produktion av enheter och moduler. Sohail Khan, Senior EVP för New Ventures och Widebandgap Electronics Business, kommer att leda det nya dotterbolaget som VD.

Som ett resultat av investeringen stod Legacy Coherents kommunikationssegment för cirka 65% av de totala intäkterna under räkenskapsåret 2018; på grund av denna investering förväntas deras verksamhet uppnå en omsättning på mer än $2 miljarder och en vinstmarginal på mer än 15% under räkenskapsåret 2023, enligt Fitch Ratings. Detta är en imponerande ökning jämfört med bolagets bidrag på cirka $650 miljoner i årliga intäkter under räkenskapsåret 2018.

Kiselkarbid är en exotisk förening som endast finns i små mängder i vissa meteorit- och korundfyndigheter och i ädelstenen moissanit. På grund av sina speciella egenskaper har kiselkarbid blivit en integrerad komponent i högtemperaturelektronik och kraftelektronikapplikationer; den kan motstå högre temperaturer och spänningar än kisel samtidigt som den leder elektricitet mer effektivt än aluminium eller stål. Dessutom är kiselkarbid betydligt lättare och starkare än motsvarande material av aluminium och stål.

Coherent har gjort betydande investeringar i sin verksamhet under de senaste två åren för att öka kapaciteten och stödja den fortsatta expansionen, bland annat genom att bygga en produktionslinje för 300 mm wafers samt investera i utrustning för bearbetning av epi-wafers och i FoU-kapacitet för forskning och utveckling. Coherent levererar nu SiC-wafers i både 200 och 400 mm diameter till olika kunder över hela världen.

Fitch förväntar sig att tillväxten inom kiselkarbidverksamheten, tillsammans med kostnadseffektiviteten från förvärvet av Coherent, kommer att bidra till att kompensera för svagheten i andra segment, vilket leder till en EBITDA-räntetäckning på nivåer som ligger närmare de typiska "BB"-nivåerna under prognosperioden.