Überblick über das Wachstum der Fertigungskapazitäten von SiC

Die Nachfrage stellt für Hersteller von Siliziumkarbid (SiC)-Chips kein Problem dar. Die Abhängigkeit der nachgelagerten Bereiche von diesen Arten von Chips bedeutet, dass dieses Segment nun in einer festen Position ist, um die Produktion zu steigern. Allerdings ist es wahrscheinlich, dass die großen Akteure in diesem Bereich – STMicroelectronics, Onsemi, Wolfspeed und ROHM und ähnliche – ihre Aufmerksamkeit eng auf die aufkommenden Märkte für saubere Energie gerichtet haben. 

In den letzten Jahren haben wir gelernt, dass nachhaltige Industrien stark von globalen Ereignissen beeinflusst werden. Nebenbei gibt es verschiedene Gründe, warum Unternehmen SiC gegenüber Silizium bevorzugen – der primäre Faktor ist, dass das Material selbst widerstandsfähiger gegenüber komplexen Rechenumgebungen ist. 

Der Sektor der Elektrofahrzeuge (EV) ist eines dieser Beispiele und, da die Handelsbeziehungen mit China den Bedarf an lokaler Produktion und Beschaffung nur noch verstärken, liegt auch ein Schwerpunkt auf der Entwicklung von Produkten mit längeren Lebensdauern. Im Bereich der erneuerbaren Energien entwickeln sich Länder kontinuierlich weiter, um ihre Abhängigkeit vom globalen Energiehandel zu reduzieren. 

Als Ergebnis sehen wir, dass Technologien in diesen Bereichen exponentiell weiterentwickelt werden, was die Bemühungen unterstützt, eine höhere Leistungsdichte zu liefern und Lösungen zu bauen, die den Prüfungen verschiedener Umgebungen standhalten können.

Die Herstellung von SiC expandiert

SiC-Hersteller werden eine entscheidende Rolle dabei spielen, eine Reihe von Industrien voranzutreiben, indem sie es diesen ermöglichen, fortschrittlichere Technologien zu adoptieren, um Kosten zu senken und die Effizienz in ihren Operationen oder innerhalb ihrer Produkte zu steigern. Eine Kombination der Analysen von TrendForce und Future Market Insights (FMI) hilft dabei, die Wachstumsentwicklung im Sektor abzuschätzen. 

Marktwert: 

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• 2022: 2,8 Milliarden US-Dollar (FMI) 
• 2026: 5,33 Milliarden US-Dollar (Von TrendForce prognostiziert
• 2032: 5,8 Milliarden US-Dollar (Von FMI prognostiziert) 

Insgesamt gibt FMI eine zusammengesetzte jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 7,5 % von 2022 bis 2032 an.

Unternehmen erweitern SiC-Fab-Kapazitäten

STMicroelectronics

Einer der führenden SiC-Hersteller investiert erhebliche Mittel in die weitere Entwicklungskapazität. Nach einer Investition von 7,5 Millionen Euro mit GlobalFoundries kündigte STMicroelectronics eine weitere Investition von 5 Millionen Euro für die SiC-Chipfabrik in Italien an, die in die Produktion eines völlig neuen „Super-Halbleiterwafers“ fließen wird. Dies wird ein Joint Venture mit Sanan Optoelectronics sein (angekündigt im Juni 2024) und wird die Entwicklung eines acht Zoll großen SiC-Chips sehen, um intelligentere Technologien zu unterstützen.

Onsemi 

Mit einem großen Engagement aus dem Automobilsektor wird Onsemi neue Elektrofahrzeuge antreiben und hat Vereinbarungen mit Volkswagen getroffen, um einen Inverter der nächsten Generation für dessen Autos zu bauen. Die Entwicklung dieser Komponente wird die skalierbare Plattform von VW antreiben, da der Autohersteller einer ähnlichen Entwicklungsbahn anderer Marken folgt. Dies zeigt, wie Automobilunternehmen von der SiC-Innovation profitieren, indem sie leistungsstarke, kompakte Chips mit anpassbarer Architektur kombinieren.

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Wolfspeed

Das Unternehmen erreichte im März 2024 einen kritischen Meilenstein, als es die weltweit größte und fortschrittlichste SiC-Fertigungsanlage fertigstellte. Infineon wird als einer der Kernkunden seiner 150mm (sechs Zoll) SiC-Wafer genannt, die verwendet werden, um weiter in den Bereichen Energiespeicherung und E-Mobilität zu innovieren. Wolfspeed hatte bereits acht Monate zuvor einen 10-Jahres-Liefervertrag mit dem in Tokio ansässigen Halbleiterhersteller Renesas Electronics Corporation unterzeichnet.

ROHM Gruppe

Unterstützung des Sektors für erneuerbare Energien hat die ROHM-Gruppe im Juli 2023 die Unterzeichnung einer Grundvereinbarung mit Solar Frontier K.K. bekannt gegeben, einem Hersteller von Photovoltaik-(PV-)Paneelen. Das bereits erwähnte Unternehmen STMicroelectronics hat ebenfalls eine Vereinbarung mit der ROHM-Tochtergesellschaft SiCrystal unterzeichnet, um seine Lieferung von 150mm SiC-Substratwafern zu erweitern. Diese Vereinbarung erfolgt mit der Absicht beider Parteien, die Lieferung fortschrittlicher SiC-Chips zu steigern.

Häufige Probleme mit Silizium

Je mehr Energie durchgesetzt werden muss, desto weniger kann Silizium die erforderliche Spannung aushalten oder die dadurch entstehende Wärme. Für jede 200V, die durch eine SiliziumSchottky-Barrieren-Diode (SBD) fließen, können SiC SBDs 600V bewältigen.

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Weitere Vergleiche umfassen: 

Hohe Temperaturbeständigkeit

• Silizium: Geräte arbeiten typischerweise effizient bei Temperaturen bis zu 150°C, wobei die Leistung mit steigender Temperatur erheblich abnimmt. 
• SiC: Geräte haben eine viel höhere Stabilität in Szenarien mit hohen Temperaturen mit weniger Leistungsreduktion – betreibbar bei 600°C. 

Durchbruchspannung

• Silizium: Niedrigere Durchbruchspannung, was seinen Einsatz in Hochspannungsanwendungen begrenzt. 
• SiC: Höhere Durchbruchspannung (ungefähr 10x die von Silizium), was großartig ist, um den Energiefluss zu erweitern.

Größe und Gewicht

Generell ist bekannt, dass SiC eine überlegene Energiedichte besitzt, die die von Silizium übertrifft, was die Effizienz der Energieumwandlung fördert und durch seine höhere Wärmeleitfähigkeit ermöglicht wird. Die allgemeinen Leistungsvorteile von SiC überwiegen gegenüber der Verwendung von Silizium in Anwendungen mit hohen Anforderungen. 

Nachhaltige Industrien fordern SiC-Chips

Zwei Trends zeichnen sich ab, wenn wir über einen wachsenden SiC-Fußabdruck sprechen. Dies ist wahrscheinlich das Ergebnis globaler Bemühungen, nachhaltige Lösungen auszubauen – die Integration sauberer Energie hängt von effizienteren und robusteren Halbleitern ab. SiC ist zentral für die meisten Infrastrukturprojekte, da Anbieter danach streben, ihre Vermögenswerte in ihre eigenen digitalen Ökosysteme zu integrieren. 

Automobilindustrie: Effizienz ist entscheidend für Autohersteller, da die Mehrheit von ihnen ihre Aufmerksamkeit auf die Elektrifizierung richtet; der Bau von Elektrofahrzeugen mit größerer Reichweite aus kleineren Batterien und schnelleren Ladezeiten. Die Reduzierung der Energieverluste durch Schalten sowie die Verluste durch Systemleitung ist in EVs, die eine begrenzte Reichweite haben, sehr vorteilhaft. 

Diese Fahrzeuge integrieren zunehmend fortschrittlichere Systeme, die von dem Bordcomputer betrieben werden und Strom aus der Batterie ziehen. Die Eliminierung jeglicher unnötiger Verluste, die durch fortgeschrittene Fahrerassistenzsysteme (ADAS) verursacht werden, hilft Unternehmen, so viel Reichweite oder Leistung wie möglich aus ihren Batterien und Plattformen herauszuholen. 

Erneuerbare Energie: Bezugnehmend auf das Element höherer Effizienz können mehrere Energieinfrastruktur-Anlagen von der Verwendung von SiC-Chips profitieren, um Verluste zu reduzieren und Maschinen widerstandsfähiger gegenüber Temperaturänderungen zu machen. Systeme wie Batterie-Energiespeicher (BESS) können effizienter betrieben werden als Ergebnis von SiC und seiner Fähigkeit, höheren Temperaturen standzuhalten und die Energieleitung zu begrenzen. 

Wie in der Vergangenheit gesehen, sind Batteriespeicheranlagen anfällig für hohe Hitzeeinwirkung und, um dies zur Unterstützung nachhaltiger Energielösungen zu erweitern, müssen die Komponenten innerhalb in der Lage sein, die härtesten Bedingungen auszuhalten – nämlich Temperaturen bis zu 150°C. Es gibt auch ein Element des Raumes, da Unternehmen nur begrenzten Spielraum haben, ihre Speicher- oder Ausgabekapazität mit dem Raum, den sie haben, zu erweitern. Lösungen, die die Leistungsdichte erhöhen, werden Betreibern unweigerlich helfen, mehr Energie mit derselben Infrastruktur zu verarbeiten. 

Dies gilt auch im EV-Sektor, da Unternehmen darauf abzielen, die Größen ihrer Batteriepakete zu reduzieren, während sie deren Kapazität erhöhen. 

Fortschritte in der SiC-Technologie

Zuvor bevorzugten Unternehmen reine Siliziumteile, die nun von SiC überholt werden. Dieses neue Chipformat bringt ein größeres Potenzial mit sich, um die Leistung der internen Architektur zu steigern und eine höhere Energie- und Wärmeeffizienz zu erreichen. 

SiC-Chips haben eine höhere kritische Durchbruchspannung als reines Silizium. Für moderne Anwendungen ermöglicht dies die Erstellung kompakterer Chips bei gleichzeitiger Reduzierung des Fehlerrisikos. Komponentenhersteller können auch seine hohe Dotierungskonzentration nutzen, um unterstützende Materialien für spezifische Anwendungen einzuführen. 

In Hochspannungssystemen sowie in Branchen, die eine minimale bis keine Ausfallzeit der Anlagen erfordern, ist SiC dem zuvor verwendeten Silizium weit überlegen. Diese werden oft in der Entwicklung von sauberen Energieindustrien genutzt, wie z.B. Elektrofahrzeuge (EVs) und erneuerbare Energien, sowie in der Verteidigung, Luft- und Raumfahrt und Telekommunikation – alles Branchen, in denen Ausfälle aus Sicherheitsperspektive verheerend sein könnten. Es gibt viele andere Industrien, die von der Umstellung auf SiC-Chips profitieren, und viele von ihnen integrieren neue Technologien – einschließlich künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML).