Tendencias de la industria del carburo de silicio

El carburo de silicio ha sido noticia recientemente por sus prometedoras propiedades semiconductoras, lo que ha hecho especular con la posibilidad de que pueda sustituir al silicio en aplicaciones como la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos y los sensores avanzados para condiciones extremas.

Los semiconductores de SiC pueden reducir las pérdidas de energía y aumentar la eficiencia de la conversión de potencia, impulsando el crecimiento del mercado durante el período de previsión. El segmento de obleas de 1 a 4 pulgadas tuvo la mayor cuota de mercado en 2021.

Electrónica de potencia

El carburo de silicio está revolucionando la electrónica de potencia gracias a sus propiedades físicas y electrónicas únicas, que ofrecen a los diseñadores numerosas ventajas, como mayor eficiencia, menores costes y mayor vida útil. Su resistencia a la alta tensión es 10 veces superior a la del silicio ordinario e incluso supera a la del nitruro de galio en sistemas de más de 1000 V, lo que lo hace idóneo para numerosas aplicaciones, como cargadores de vehículos eléctricos, inversores de alta velocidad y sistemas de sensores.

Los sistemas de carga de vehículos eléctricos que utilizan dispositivos semiconductores de SiC proporcionan un tiempo de carga más rápido, un rendimiento mejorado y una fiabilidad a largo plazo para los sistemas de carga de vehículos eléctricos. Además, estas tecnologías avanzadas reducen las emisiones de gases de efecto invernadero y mejoran la sostenibilidad de la industria automovilística, que aumenta en todo el mundo a medida que los fabricantes se centran más en la movilidad eléctrica. La demanda de estas tecnologías avanzadas no hará sino aumentar con el tiempo.

Se espera que el mercado de módulos de potencia de carburo de silicio experimente un crecimiento moderado durante el periodo de previsión debido a la creciente adopción de vehículos eléctricos y su infraestructura de carga en Asia-Pacífico, junto con la creciente atención a las fuentes de energía renovables que impulsan la expansión del mercado.

Los dispositivos de potencia de SiC son más eficientes energéticamente que sus homólogos de silicio y funcionan a frecuencias y temperaturas más altas, además de tener menores pérdidas de energía y requisitos de refrigeración, lo que mejora el rendimiento y la durabilidad. Son habituales en cargadores de baterías, cargadores de a bordo, convertidores CC-CC, vehículos eléctricos híbridos, turbinas eólicas, inversores de energía solar, fuentes de alimentación para resonancia magnética y fuentes de alimentación para rayos X, entre otras muchas aplicaciones de electrónica de potencia.

El sector mundial del carburo de silicio es muy competitivo y está muy fragmentado. Para seguir siendo relevantes en este entorno, varios actores han puesto en marcha estrategias como lanzamientos de productos, acuerdos, asociaciones, contratos de colaboración y adquisiciones con el fin de reforzar su posición en la industria. Además, las soluciones tecnológicas innovadoras también les ayudarán a mantenerse por delante de sus rivales en este sector tan fragmentado.

Automoción

El mercado del carburo de silicio (SiC) para aplicaciones de automoción ha experimentado una rápida expansión en los últimos años debido a la creciente adopción de vehículos eléctricos (VE). Los dispositivos semiconductores de potencia basados en SiC ofrecen menores pérdidas de conmutación y de conducción que sus homólogos basados en silicio, lo que ayuda a los vehículos eléctricos a lograr una mayor eficiencia energética y una mayor autonomía.

A medida que aumenta la atención prestada a la reducción de las emisiones de carbono en el sector del transporte, aumenta la demanda de sistemas de baterías de alta eficiencia para vehículos eléctricos (VE) y de infraestructuras de recarga, así como de componentes electrónicos de potencia basados en SiC en los sistemas de propulsión, que ayudan a reducir el tamaño de los convertidores al tiempo que mejoran la eficiencia general del vehículo.

Se espera que los semiconductores de potencia del segmento de automoción lideren la industria del carburo de silicio durante el periodo de previsión. Su amplia banda prohibida les permite funcionar a tensiones y frecuencias más altas, lo que mejora significativamente los equipos de conversión de potencia, como los inversores y cargadores de los vehículos eléctricos (VE), reduciendo el consumo de energía y los costes operativos.

El SiC se utiliza ampliamente en aplicaciones industriales que implican operaciones de rectificado y corte, debido a sus excepcionales propiedades de dureza y resistencia al desgaste que garantizan su viabilidad a largo plazo en estos entornos. Como tal, el SiC se puede encontrar ampliamente utilizado en instalaciones de fabricación, así como en accionamientos de motores debido a su capacidad para soportar condiciones y temperaturas duras.

La industria norteamericana del carburo de silicio se está expandiendo rápidamente debido a la creciente demanda de semiconductores de potencia basados en SiC. La adopción de vehículos eléctricos está impulsando la adopción de SiC en los trenes motrices de los vehículos eléctricos y la infraestructura de carga, mientras que la expansión de las redes 5G y las iniciativas de automatización industrial también contribuyen a su expansión. Además, los principales fabricantes de SiC, como ROHM Co. Ltd, ON Semiconductor, Mitsubishi Electric Corporation Renesas Electronics Corporation Toshiba Corporation, desempeñan un papel clave en el impulso de la expansión regional de la industria del carburo de silicio.

Aeroespacial

Los dispositivos semiconductores de carburo de silicio (SiC) son conocidos desde hace tiempo por su excelente tolerancia térmica y a la radiación, así como por su fiabilidad a largo plazo en entornos difíciles, lo que los hace ideales para aplicaciones aeroespaciales. Los componentes de carburo de silicio suelen ser más resistentes y duraderos, por lo que los dispositivos semiconductores de SiC son la mejor opción.

El SiC está compuesto por átomos de silicio y carbono en igual proporción, y su estructura cristalina puede ser hexagonal o cúbica. El SiC es un material extremadamente duradero, con una dureza y resistencia increíbles, y más ligero que muchos materiales aeroespaciales tradicionales, como el titanio y el acero.

El SiC es conocido por su durabilidad, pero también ofrece un mayor rendimiento en aplicaciones de mayor potencia gracias a su amplia banda prohibida, que le permite funcionar a frecuencias, voltajes y temperaturas más elevados que los chips de silicio estándar, lo que lo hace ideal para aplicaciones de motores aeronáuticos en las que la versatilidad es de suma importancia.

El sector aeroespacial es uno de los mercados de mayor crecimiento para el carburo de silicio, y la tecnología de CoolCAD desempeña un papel fundamental en su expansión. Nuestra experiencia en el análisis de semiconductores de SiC a granel y con resolución espacial garantiza que nuestros clientes reciban productos de calidad superior. Los dopantes pueden añadirse a los semiconductores de SiC para alterar las propiedades electrotérmicas y conseguir características electrónicas específicas, como la banda prohibida, el voltaje de ruptura, la movilidad de los electrones, etc., por lo que la selección de los dopantes adecuados es imprescindible para producir componentes electrónicos de alto rendimiento.

Se prevé que el segmento de 10 pulgadas y más experimente la tasa de crecimiento más rápida durante el periodo de previsión. Esto se debe a la disponibilidad comercial de obleas de SiC que permiten fabricar dispositivos de nitruro de galio (GaN), incluidos dispositivos de potencia y LED. Las obleas de SiC ofrecen propiedades eléctricas superiores a las de silicio para la fabricación de dispositivos de potencia, lo que se traduce en un mejor rendimiento de los dispositivos de potencia; además, las soluciones de ahorro de energía han contribuido a su crecimiento como segmento de mercado.

Médico

El carburo de silicio (SiC), comúnmente conocido como carborundo, es un material industrial duro compuesto de silicio y carbono. Esta sustancia, que sólo se encuentra de forma natural en minerales extremadamente raros como la moissanita, se produce en masa desde 1893 en forma de polvo o cristales incoloros para su uso en uniones cerámicas como cerámicas duras que poseen características tanto de semiconductor como de aislante. Con un grado de dureza Mohs de 9 y un grado de dureza Mohs de 9 en la escala Mohs.

El SiC es un material versátil, capaz de soportar altas temperaturas, bajas pérdidas y funcionar en entornos de alta tensión, características que lo hacen idóneo para su uso en aplicaciones de electrónica de potencia. La popularidad de los vehículos eléctricos como opción de transporte sostenible ha impulsado la demanda de dispositivos de SiC que ofrezcan mayor densidad de potencia y eficiencia.

A medida que las tendencias del mercado comercial se desplazan hacia aplicaciones de menor voltaje, el Departamento de Defensa de Estados Unidos se ha encontrado sin acceso a la tecnología de SiC de alto voltaje que mejoraría las capacidades críticas de las misiones. Lamentablemente, esta situación continuará hasta que el gobierno asigne fondos estratégicos para la investigación del crecimiento de cristales y los procesos de fabricación de dispositivos de SiC.

Empresas de optoelectrónica como II-VI Incorporated y Cree han aprovechado los sustratos de SiC de 150 mm para desarrollar productos LED y láser con sustratos de 150 mm, lo que ha impulsado aún más el crecimiento del segmento. Además, el SiC se ha impuesto más que nunca en las aplicaciones láser y de iluminación de alta energía, lo que reforzará aún más el crecimiento de este segmento. El SiC se está convirtiendo en una atractiva alternativa de semiconductor de banda ancha a los dispositivos de silicio, debido a sus tensiones de ruptura y temperaturas de funcionamiento significativamente superiores a las del sílice. El SiC es un material ideal para aplicaciones que requieren una mayor fiabilidad en entornos difíciles, como la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos terrestres y los instrumentos utilizados en los vehículos exploradores y las sondas empleadas en la exploración espacial (Mantooth, Zetterling y Rusu). Además, el SiC no contiene metales tóxicos que comprometerían su uso, lo que lo convierte en un material especialmente adecuado para aplicaciones que necesitan componentes de alto rendimiento pero rentables.

Almacenamiento de energía

Dado que la demanda mundial de energía puede fluctuar drásticamente, uno de los factores que impulsan las iniciativas de energías renovables y movilidad eléctrica es satisfacer estos picos de forma fiable. Una forma de satisfacer las necesidades fluctuantes de energía es con sistemas de almacenamiento de energía (ESS) basados en baterías, que almacenan electricidad lista para suministrar cuando sea necesario.

Las etapas de potencia de los ESS, como los convertidores DC/DC, los inversores bidireccionales y los circuitos de carga de baterías, pueden obtener ventajas significativas si eligen semiconductores de SiC por sus mayores frecuencias de conmutación, menores pérdidas y temperaturas de funcionamiento más bajas, lo que reduce el tamaño de los encapsulados y los costes generales del sistema. Los dispositivos de SiC también presentan unos valores de mérito superiores a los de sus homólogos de silicio, lo que permite realizar diseños más eficientes desde el punto de vista energético con mayores densidades de potencia que satisfacen la creciente demanda de los sectores residencial, comercial, industrial y de servicios públicos.

Los diodos Schottky y MOSFET de SiC de Wolfspeed ofrecen una amplia gama de niveles de potencia en aplicaciones de almacenamiento de energía, desde dispositivos discretos hasta módulos de potencia de medio puente de 5,6 kV. Sus opciones de envasado, tanto en módulos WolfPACK con clasificación de corriente como en diodos desnudos, satisfacen las necesidades de los distintos sistemas de almacenamiento de energía.

Estos dispositivos pueden integrarse fácilmente en los diseños de ESS existentes sin necesidad de grandes ajustes, lo que acelera los plazos de desarrollo. Además, los componentes pasivos también pueden utilizarse con estos dispositivos para optimizar aún más los costes de gestión térmica y la reducción del espacio ocupado. Su uso puede dar lugar a importantes reducciones de los costes de la lista de materiales al disminuir los gastos de refrigeración, lo que en última instancia permite a los fabricantes ofrecer soluciones ESS más rentables en el mercado, especialmente a medida que este mercado se expande. Además, la energía almacenada en las baterías de los vehículos eléctricos puede reutilizarse en la red para prolongar su vida útil y reducir las emisiones, lo que convierte a los ESS en parte integrante de la combinación de energías renovables.