Il carburo di silicio (SiC), un materiale di base dei semiconduttori ad ampio gap di banda, sta entrando in un rapido ciclo di sviluppo guidato dai progressi simultanei nella tecnologia dei materiali e dalla crescente domanda di elettronica di potenza ad alta efficienza. Con caratteristiche superiori quali elevata tensione di rottura, ampio gap di banda, elevata conduttività termica e basse perdite di commutazione, il SiC sta diventando indispensabile nei veicoli elettrici, nelle energie rinnovabili, nelle reti elettriche, nei sistemi industriali e nell'elettronica di potenza di livello aeronautico.

Il settore si sta spostando dalla “convalida tecnologica” alla commercializzazione su larga scala, aprendo una finestra strategica cruciale per una crescita accelerata.

1. Domanda e tecnologia si rafforzano a vicenda:

Il SiC entra in una fase di sviluppo ad alta velocità**

L’elettrificazione globale, la decarbonizzazione e i sistemi di alimentazione digitale stanno spingendo i requisiti dei semiconduttori ben oltre ciò che il silicio può supportare. I dispositivi SiC (diodi Schottky, MOSFET e moduli di potenza) offrono maggiore efficienza, dimensioni ridotte e migliori prestazioni termiche, rendendoli ideali per:

• Invertitori di trazione per veicoli elettrici

• Caricabatterie di bordo (OBC) e sistemi di ricarica rapida

• Inverter solari e convertitori per l'accumulo di energia

• Alimentatori industriali ad alta frequenza

• Apparecchiature di conversione e trasmissione della rete elettrica

I veicoli elettrici rimangono il driver più forte, soprattutto con l’adozione di piattaforme ad alta tensione da 800 V, che aumentano significativamente il consumo di dispositivi SiC per veicolo. Nel frattempo, l’energia rinnovabile, lo stoccaggio dell’energia e l’automazione industriale stanno aumentando costantemente la penetrazione del SiC nell’elettronica di potenza ad alte prestazioni.

2. StrutturaleAggiornamentoAttraverso l'intera catena di fornitura

La catena di fornitura del SiC abbraccia substrati, epitassia, produzione di dispositivi, imballaggio e integrazione di sistemi. Con l’aumento della domanda, il panorama competitivo globale si sta spostando verso una collaborazione più profonda e un’integrazione verticale.

(1) A monte: substrati più grandi e densità di difetti inferiore

Substrati SICcostituiscono il segmento più impegnativo e di maggior valore. L'industria si sta spostando dai wafer da 4 e 6 pollici verso quelli da 8 pollici, con lo sviluppo iniziale di piattaforme da 12 pollici.

Le principali innovazioni includono:

• Controllo migliorato delle dislocazioni del piano basale e dei difetti dei microtubi

• Crescita stabile di bocce monocristalline più grandi

• Migliore uniformità degli strati epitassiali

• Maggiore resa nella waferatura, lucidatura e modellatura dei cristalli

Wafer più grandi sono essenziali per ridurre il costo per ampere e consentire dispositivi a tensione più elevata in applicazioni quali convertitori di rete e sistemi di trazione ad alta potenza.

(2) Midstream: IDM e integrazione dei processi diventano la competitività fondamentale

La produzione di dispositivi SiC richiede competenze significative in:

• Design MOSFET avanzati (basso Rds(on), alta tensione, alta affidabilità)

• Impianto e attivazione ionica ad alta temperatura

• Profili di drogaggio epitassiale ottimizzati

• Tecnologie di metallizzazione e passivazione

• Test ad alta temperatura e corrente elevata e valutazioni di affidabilità

I modelli IDM (Integrated Device Manufacturer), che unificano progettazione, produzione e packaging, stanno guadagnando terreno poiché accorciano i cicli di sviluppo, migliorano la resa e accelerano l'iterazione del prodotto.

(3) Applicazioni a valle: i veicoli elettrici guidano l’espansione dei mercati dell’energia e dell’industria

La penetrazione del SiC nei veicoli elettrici continua ad aumentare, in particolare in:

• Invertitori di trazione

• Piattaforme di ricarica rapida da 800 V

• Convertitori CC-CC

• Sistemi di azionamento elettrico

Oltre all’automotive, nuovi settori ad alto valore stanno rapidamente adottando il SiC:

• Solare + accumulo di energia: maggiore efficienza di conversione e minori esigenze di raffreddamento

• Trasmissione di potenza: sottostazioni DC flessibili, convertitori a livello di rete

• Sistemi industriali: robotica, servoazionamenti, alimentatori industriali

• Aerospaziale e difesa: dimensioni ridotte, leggerezza, funzionamento ad alta temperatura

Questi diversi scenari stanno sbloccando lo slancio di crescita a lungo termine per il SiC.

3. Rimangono le sfide principali: tecnologia, costi e pressione sulla catena di fornitura

Nonostante il forte slancio, l’industria del SiC deve ancora far fronte a diversi ostacoli strutturali:

Sfida 1: barriere tecniche elevate

I principali colli di bottiglia includono:

• Controllo della densità delle dislocazioni in substrati di grandi dimensioni

• Ottenimento di un’epitassia uniforme, densa e di alta qualità

• Miglioramento della mobilità del canale MOSFET

• Miglioramento dell'affidabilità a lungo termine ad alte temperature e alte tensioni

Queste sfide limitano il miglioramento della resa e rallentano l’espansione su larga scala.

Sfida 2: la riduzione dei costi è ancora in ritardo rispetto alle aspettative del mercato

I dispositivi SiC lo sono3-5 volte più costosorispetto alle soluzioni in silicio.
I motivi principali includono:

• Costo elevato dei substrati

• Resa bassa durante le prime fasi della produzione da 8 pollici

• Attrezzature specializzate costose (reattori epitassia, sistemi di impianto)

• Elevato costo di ammortamento delle linee di produzione

Il costo rimane il vincolo principale per le applicazioni consumer e industriali di fascia media.

Sfida 3: La resilienza della supply chain necessita di miglioramenti

Alcune attrezzature e materiali critici a monte fanno ancora affidamento su fornitori esteri, e i lunghi tempi di consegna degli strumenti specializzati influiscono sul ritmo di espansione. Costruire una catena di fornitura più resiliente e localizzata è essenziale per la stabilità a lungo termine.

4. Direzione futura: la concorrenza si sposta dai singoli dispositivi alle capacità a livello di sistema

La prossima fase dell’industria del SiC sarà modellata da tre tendenze principali:

Tendenza 1: tensione più elevata, efficienza più elevata, affidabilità più elevata

I progressi si concentreranno su:

• MOSFET ad altissima tensione

• Ottimizzazione della struttura della trincea

• Disegni epitassiali a basse perdite

• Imballaggio ad alta conduttività termica

Questi miglioramenti sbloccheranno nuove applicazioni nelle apparecchiature elettriche a livello di rete e industriali.

Tendenza 2: integrazione verticale come vantaggio competitivo chiave

Poiché i requisiti dei clienti enfatizzano prestazioni, affidabilità e capacità di consegna,profonda integrazione dal substrato al modulodiventa sempre più importante.

Costo, rendimento e time-to-market differenzieranno i futuri leader.

Tendenza 3: l’espansione delle applicazioni creerà un’opportunità di mercato da trilioni di dollari

Si stanno formando tre motori applicativi principali:

1. Veicoli elettrici(inverter di trazione, ricarica rapida)

2. Trasformazione della rete elettrica(sistemi DC flessibili, HVDC)

3. Accumulo di energia ed energie rinnovabili(inverter ad alta efficienza)

Le trasmissioni industriali, l’energia aeronautica e le apparecchiature per l’automazione forniranno una domanda incrementale sostenuta.

5. Prospettive di investimento: le opportunità strutturali stanno diventando chiare

Tre direzioni offrono le opportunità più interessanti a medio-lungo termine:

(1) Substrati a monte ed epitassia

I wafer di grande diametro e a basso difetto e l’epitassia avanzata rimangono i segmenti di crescita più deterministici.

(2) Dispositivi ad alta tensione e alta potenza

I produttori di dispositivi che si concentrano su MOSFET e moduli di potenza ad alte prestazioni trarranno vantaggio dalla crescente penetrazione nelle applicazioni energetiche e di rete.

(3) Applicazioni a livello di sistema

Le piattaforme di veicoli elettrici, i convertitori per lo stoccaggio dell’energia e l’elettronica industriale ad alta efficienza genereranno un’espansione della domanda sostenuta nel corso di più anni.

Conclusione

L’industria globale del SiC sta passando da un’adozione anticipata a un’espansione accelerata. Grazie alle innovazioni nel campo dei materiali, alla crescente capacità produttiva e agli scenari applicativi in ​​rapida espansione, il SiC sta rimodellando il futuro dell’elettronica di potenza.

I prossimi anni saranno un periodo decisivo: coloro che raggiungeranno la leadership a livello di sistema nel campo dei materiali, dei dispositivi e delle applicazioni daranno forma alla prossima generazione di tecnologie energetiche ad alta efficienza.