Защо чиповете от силициев карбид са „осъдени на щастие“ (ще имат феноменален успех) ?

Чиповете за електрически превозни средства от силициев карбид са готови за „главоломно“ развитие а производителите на автомобили и доставчиците харчат милиарди, за да осигурят доставки на материала, който обещава по-бързо зареждане и голяма ефективност в сравнение с чистия силиций.

Силициевият карбид е открит случайно през 1891 г. от изобретател, който се надява да направи синтетични диаманти, бързо се превръща в изключително важен за електромобилите, а най-големите световни доставчици инвестират милиарди, за да могат да изпълнят очакваната вълна от поръчки за инвертори за електромобили от производителите на автомобили.

Чиповете, изработени от силициев карбид или SiC – един от най-твърдите материали в света след диамантите – са в основата на новото поколение инвертори, които са критичната връзка между постоянния ток от батериите и променливия ток, използван от електрическите двигатели.   

Чиповете от силициев карбид за инвертори предлагат редица предимства пред тези на силициева основа. Те са много по-стабилни при по-високи напрежения (800 волта и повече), което позволява по-бързо зареждане.

Използват по-малко количество материал, което спестява място и тегло. Могат да работят при по-високи температури, което намалява необходимостта от скъпоструващо управление на топлинните процеси.

Имат до 70% по-малко загуби при превключване или преобразуване, както и по-бързи честоти на превключване, което потенциално удължава пробега с около 5 до 6%, твърдят експерти от индустрията.

„При силициевия карбид в сравнение със силиция можете да подобрите ефективността си със значителен коефициент“, заяви главният изпълнителен директор на BorgWarner Фредерик Лисалде пред Automotive News Europe.

BorgWarner инвестира 500 млн. долара в американската компания Wolfspeed в сделка, която ще позволи на доставчика да купува чипове от силициев карбид на стойност до 650 млн. долара годишно. 

„Благодарение на всички предимства на технологията, пазарното търсене на устройства, базирани на силициев карбид, ще се ускорява с главоломна скорост през следващите години“, заяви в интервю Клаудио Витори от S&P Global Mobility. Това е „обезпокоително от гледна точка на търсенето и предлагането“, добави той. 

Според данните на S&P инверторите, базирани на силициев карбид, ще доминират до 2034 г., като обемът им ще нараства с 32% годишно. Витори каза, че те ще се появят първо в премиум и луксозни автомобили с 800-волтови електрически системи, а след това ще се разпространят до масовите модели с по-нисковолтови системи.

Освен в инверторите, SiC чиповете ще се използват и в бордовите зарядни устройства и DC-to-DC преобразувателите, добави той.

Визуализация на планирания завод за производство на чипове от силициев карбид на ZF-Wolfspeed, който ще бъде построен в германския регион Саарланд.

Засилва се сключването на сделки за осигуряване на доставки

ZF отива още по-далеч от BorgWarner, като става партньор на Wolfspeed в „фабрика за пластини“ на стойност 3 млрд. долара, която ще произвежда 200-милиметрови пластини от силициев карбид, както и ще има център за научноизследователска и развойна дейност в германския регион Саарланд.

„Силициевият карбид е отговорът на някои от най-големите проблеми на нашето време: пестенето на енергия и изменението на климата“, заяви Грег Лоу, главен изпълнителен директор на Wolfspeed, през април при обявяването на фабриката заедно с представители на ZF и Германия. 

„С полупроводниците, изработени от силициев карбид, електрическите автомобили могат да стигат по-далеч и да се зареждат по-бързо, което спомага за ускоряване на прехода от бензинови автомобили към изцяло електрически превозни средства.“

През декември Лоу заяви пред „Файненшъл таймс“, че пазарът на силови полупроводници от SiC може да нараства с 14% годишно до 2030 г. „Всички ние ще тичаме колкото се може по-бързо, опитвайки се да наваксаме с търсенето“, каза той.

ZF също така е подписала споразумение със STMicroelectronics за силициевокарбидни чипове за своите инвертори от 2025 г. – с обем на поръчките в „десетки милиони“, заявиха компаниите през април. 

„С помощта на силициевия карбид можем да оптимизираме системата с 5 процента, а това е нещо доста важно за електрическата мобилност“, заяви за Automotive News Europe Отмар Шарер, ръководител на инженерния отдел за електрифицирани задвижвания в ZF. 

Infineon и Stellantis подписаха меморандум за разбирателство през септември миналата година, в който германският производител на чипове ще запази производството на SiC през втората половина на десетилетието за собствените доставчици на автомобилния производител, в сделка на стойност над 1 млрд. евро.

Сред значимите скорошни сделки, през април Robert Bosch купи TSI, базиран в Калифорния производител на чипове от силициев карбид, и заяви, че ще инвестира 1,5 млрд. долара в модернизирането на фабриката на TSI, за да произвежда SiC чипове за електрически превозни средства до 2026 г.

На 19 юни Vitesco заяви, че е подписала с Rohm партньорство за доставка на силициев карбид до 2030 г. на стойност над 1 млрд. долара за чипове за своите инвертори, като серийното производство ще започне през 2024 г. за „два значими клиента“. 

През януари Volkswagen Group подписа стратегическо споразумение с американската технологична компания Onsemi за предоставяне на модули от силициев карбид и полупроводници за инвертори за следващото поколение платформи за електрически превозни средства на VW. 

В края на май Onsemi също така постигна важна победа с 10-годишен договор за 1,9 млрд. долара с Vitesco за доставка на продукти на базата на силициев карбид; като част от споразумението Vitesco ще инвестира 250 млн. долара за укрепване на производствените мощности на Onsemi за SiC.

Плочи от силициев карбид в завода за полупроводници на Bosch в Ройтлинген, Германия. Доставчикът похарчи 1,5 млрд. долара, за да придобие TSI, амерканска компания специалист в областта на силициевия карбид.

КАК СЕ ПРОИЗВЕЖДА СИЛИЦИЕВ КАРБИД 

Силициевият карбид обикновено се произвежда по т.нар. процес на Ачесън, по името на американския изобретател, който открива материала случайно (и по-късно го патентова като карборунд) през 1891 г. по време на опит за създаване на синтетичен диамант.

Силициевият пясък и въглеродът се нагряват при температури до 2 500 градуса по Целзий в продължение на четири седмици – около половината от температурата на повърхността на слънцето и интензивно енергоемък процес – в резултат на което се получава „було“ от няколко килограма.

След това „булото“ се преработва на пластини, които могат да се използват в полупроводниците. Пластините от силициев карбид обаче са склонни към дефекти, които могат да ги направят неизползваеми, твърдят експерти.

Пазар за 4 млрд. долара

„Силовите полупроводници от силициев карбид са в началото на голям ръст в търсенето“, заяви в изявление главният изпълнителен директор на Vitesco Андреас Волф. „За нас е важно да получим достъп до цялата верига за създаване на стойност на SiC. С тази инвестиция имаме сигурни доставки на ключова технология през следващите 10 години и след това.“

Пазарът на полупроводници от силициев карбид в автомобилостроенето се очаква да възлиза на повече от 4 млрд. долара годишно до 2027 г., според доклад на Yole Group. Като процент от пазара спрямо силиция, силициевият карбид ще нарасне от 20 % през 2021 г. до над 50 % до 2030 г., изчислява S&P. 

Очевидно е, че силициевият карбид е бъдещето не само за инверторите, но и за приложения, включително за пренос на енергия от превозни средства към мрежата. Но материалът има и някои недостатъци.

Тъй като той трябва да се генерира синтетично от силиций и въглерод – въпреки че е открит в метеорити – той изисква екстремни температури, достигащи до 2500 градуса по Целзий, и налягания, а оттам и огромни енергийни разходи. А получените пластини могат да бъдат дефектни.

Tesla Model 3 (на снимката) е първият сериен автомобил, в който се използва инвертор от силициев карбид, през 2018 г.

Както и при много други иновации в областта на електромобилите, Tesla беше пионер в използването на чипове от силициев карбид в своите автомобили, като започна през 2018 г. в Model 3.

Най-новите EV на Hyundai и Kia на тяхната платформа E-GMP, включително Kia EV6 и Hyundai Ionic 5 и 6, също използват инвертори от силициев карбид, както и Porsche Taycan и Audi E-tron GT и луксозния EV Air на Lucid.

Електрическият SUV Lotus Eletre на марката Geely също има инвертор SiC, както и Maserati GranTurismo Folgore и предстоящия MC20 Folgore. С изключение на Tesla, всички тези автомобили имат и 800-волтови системи. 

Наскоро и други автомобилни производители обявиха споразумения с водещи доставчици на SiC чипове. Бъдещите електрически автомобили Mercedes-Benz ще използват SiC чипове Wolfspeed, обявиха компаниите през януари. BMW ще използва чипове на Onsemi. JLR ще си партнира с Wolfspeed. Renault-Nissan ще работи със STMicroelectronics.

Асоциираният доставчик на Toyota, Denso, сам създава чиповете за груповите електромобили, включително за новия Lexus RZ.

Цената на чиповете от силициев карбид – до пет пъти по-висока от тази на силиция – както и трудността да се гарантират достатъчни и качествени доставки на пластини, карат някои компании да преосмислят начина, по който използват материала.

В едно от най-провокативните изказвания Колин Кембъл, ръководител на инженерния екип на Tesla, заяви през март, че автомобилният производител ще намали използването на SiC със 75 % в следващата си платформа за задвижване, без да обясни как, като част от общото намаляване на разходите с 1000 USD на единица.

„Силициевият карбид е невероятен полупроводник, но също така е скъп и е трудно да се мащабира“, каза Кембъл. „Така че използването на по-малко количество от него е голяма победа за нас.“

Maserati GranTurismo Folgore EV има инвертор от силициев карбид, както и предстоящият електрически суперавтомобил MC20 Folgore.

Бъдещи насоки

Цените на акциите на големите играчи на пазара на силициев карбид спаднаха след съобщението на Кембъл (но по-късно се възстановиха). Въпреки това, други също мислят за начини за намаляване на употребата му, без да правят компромис с производителността.

Soitec, френска компания за полупроводници, чиито конструирани субстрати станаха почти повсеместно използвани в радиочестотните чипове за смартфони, разработва метод, наречен SmartSIC, който може да получи от 10 до 15 пъти повече материал за чипове от една пластинка силициев карбид.

Процесът SmartCut на Soitec – представете си го като атомен нож – извлича фин слой монокристален силициев карбид от т.нар. донорна пластина, която след това се свързва с поликристална пластина от силициев карбид със свръхниско съпротивление. След това донорната пластина може да се използва 10 пъти, казва Емануел Сабонадиер, вицепрезидент на автомобилната и индустриалната промишленост в Soitec.

Процесът SmartSIC може да спести 4 000 тона CO2 на всеки 100 000 пластини, казва Сабонадиер. 

По думите му разработените свойства на субстрата го правят по-ефективен, което в крайна сметка води до по-ефективни чипове и инвертори за електромобили. „Производителите на автомобили могат да намалят размера на инверторите си и да намалят нуждата от топлинен мениджмънт“, каза той. 

Soitec си партнира със STMicroelectronics за квалифициране на системата, както и за разговори с производители на автомобили и доставчици от първи ред за търговско внедряване. Сабонадиер заяви, че очаква процесът на квалификация да приключи до края на 2024 г. „Има голям интерес от страна на производителите на автомобили, дори и да сме далеч един от друг във веригата на доставки“, каза той. 

Една от компаниите, които водят разговори със Soitec, е Volkswagen Group, която се стреми да интегрира вертикално веригата си за създаване на стойност за електрически превозни средства, включително да произвежда собствени батерии със своето звено PowerCo и да проектира собствени инвертори за използване в бъдещите електрически превозни средства с архитектура PPE.

Чиповете от силициев карбид ще бъдат неразделна част от производителността и цената на тези инвертори, казва Бертолд Хелентал, стратегически мениджър по полупроводници в Audi, който участва и в цялостната стратегия за проектиране на полупроводници на VW Group.

„Решихме, че всичко в задвижването [на електромобила] ще бъде в наши ръце“, каза той. „И за да имаме добро симбиотично представяне на системата, инверторът е от ключово значение. Той свързва батерията с електронното задвижване – и именно тук се случва магията. „Чиповете от силициев карбид може да са по-скъпи от силициевите, но те могат да доведат до икономии в други области, каза Хелентал.

„Силициевият карбид може да направи превозните средства по-достъпни, защото можете или да получите по-голям пробег от същия размер на батерията, или да използвате по-малко батерийни клетки“, каза той. „Можете да спестите и от охлаждането – въпросът е как искате да го изиграете.“ 

Дирк Вализер, ръководител на отдела за научноизследователска и развойна дейност в ZF, казва, че цените ще се понижат с увеличаване на мащаба и с развитието на опита на компаниите в областта на материала.

„Сега, когато знаем как да работим със SiC, предимството на силиция като продукт за масово производство отпада“, казва той пред Automotive News Europe.

„С идването на толкова много нови електрически автомобили обемът на производството на силициев карбид се увеличи, така че мащабът е налице, за да се изплатят инвестициите.“