يدخل كربيد السيليكون (SiC)، وهو مادة أساسية لأشباه الموصلات ذات الفجوة الواسعة، في دورة تطوير سريعة مدفوعة بالتقدم المتزامن في تكنولوجيا المواد والطلب المتزايد في إلكترونيات الطاقة عالية الكفاءة. بفضل سماته المتفوقة مثل جهد الانهيار العالي، والفجوة الواسعة، والتوصيل الحراري العالي، والخسائر المنخفضة في التبديل، أصبح SiC ضروريًا في السيارات الكهربائية، والطاقة المتجددة، وشبكات الطاقة، والأنظمة الصناعية، وإلكترونيات الطاقة من الدرجة الجوية.

تتحول الصناعة من “التحقق من التكنولوجيا” إلى التسويق على نطاق واسع، مما يفتح نافذة استراتيجية حاسمة للنمو المتسارع.

1. الطلب والتكنولوجيا يعزز كل منهما الآخر:

يدخل SiC مرحلة تطوير عالية السرعة**

تدفع كهربة العالم وإزالة الكربون وأنظمة الطاقة الرقمية متطلبات أشباه الموصلات إلى ما هو أبعد مما يمكن أن يدعمه السيليكون. توفر أجهزة SiC—ثنائيات شوتكي، وأجهزة MOSFET، ووحدات الطاقة—كفاءة أعلى، وحجمًا أصغر، وأداءً حراريًا أفضل، مما يجعلها مثالية لـ:

• محولات الجر في السيارات الكهربائية

• أجهزة الشحن المدمجة (OBC) وأنظمة الشحن السريع

• محولات الطاقة الشمسية ومحولات تخزين الطاقة

• إمدادات الطاقة الصناعية عالية التردد

• معدات تحويل ونقل شبكات الطاقة

لا تزال السيارات الكهربائية هي المحرك الأقوى، خاصة مع اعتماد منصات الجهد العالي 800 فولت، والتي تزيد بشكل كبير من استهلاك أجهزة SiC لكل مركبة. في الوقت نفسه، تعمل الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة والأتمتة الصناعية على زيادة اختراق SiC بثبات في إلكترونيات الطاقة عالية الأداء.

2. هيكلية ترقية عبر سلسلة التوريد بأكملها

تمتد سلسلة توريد SiC على الركائز، والنمو البلوري، وتصنيع الأجهزة، والتعبئة والتغليف، وتكامل النظام. مع تصاعد الطلب، يتحول المشهد التنافسي العالمي نحو تعاون أعمق وتكامل رأسي.

(1) المنبع: ركائز أكبر وكثافة عيوب أقل

تشكل ركائز SIC الجزء الأكثر تحديًا والأعلى قيمة. تنتقل الصناعة من رقائق 4 بوصات و 6 بوصات إلى 8 بوصات، مع التطوير المبكر لمنصات 12 بوصة.

تشمل الاختراقات الرئيسية:

• تحسين التحكم في تشوهات المستوى القاعدي وعيوب الأنابيب الدقيقة

• النمو المستقر للكتل البلورية المفردة الأكبر

• تحسين توحيد الطبقات البلورية

• عائد أعلى في التقطيع والتلميع وتشكيل البلورات

تعتبر الرقائق الأكبر ضرورية لتقليل التكلفة لكل أمبير وتمكين الأجهزة ذات الجهد العالي في تطبيقات مثل محولات الشبكة وأنظمة الجر عالية الطاقة.

(2) منتصف الطريق: يصبح تكامل IDM والعمليات هو القدرة التنافسية الأساسية

يتطلب تصنيع أجهزة SiC خبرة كبيرة في:

• تصميمات MOSFET المتقدمة (منخفض Rds(on)، جهد عالي، موثوقية عالية)

• زرع الأيونات والتنشيط في درجات الحرارة العالية

• ملفات تعريف المنشطات البلورية المحسنة

• تقنيات التعدين والتخميل

• تقييمات الاختبار والموثوقية في درجات الحرارة العالية والتيار العالي

نماذج IDM (الشركة المصنعة للأجهزة المتكاملة)—توحيد التصميم والتصنيع والتعبئة والتغليف—تكتسب قوة جذب لأنها تقصر دورات التطوير وتحسن العائد وتسرع تكرار المنتج.

(3) تطبيقات المصب: السيارات الكهربائية تقود، وتتوسع أسواق الطاقة والصناعية

يستمر اختراق SiC في السيارات الكهربائية في الارتفاع، خاصة في:

• محولات الجر

• منصات الشحن السريع 800 فولت

• محولات DC–DC

• أنظمة الدفع الكهربائي

بالإضافة إلى السيارات، تعتمد قطاعات جديدة ذات قيمة عالية SiC بسرعة:

• الطاقة الشمسية + تخزين الطاقة: كفاءة تحويل أعلى ومتطلبات تبريد أقل

• نقل الطاقة: محطات فرعية DC مرنة، محولات على مستوى الشبكة

• الأنظمة الصناعية: الروبوتات، محركات المؤازرة، إمدادات الطاقة الصناعية

• الفضاء والدفاع: حجم صغير، خفيف الوزن، تشغيل في درجات حرارة عالية

تعمل هذه السيناريوهات المتنوعة على فتح زخم نمو طويل الأجل لـ SiC.

3. لا تزال التحديات الأساسية قائمة: التكنولوجيا والتكلفة وضغط سلسلة التوريد

على الرغم من الزخم القوي، لا تزال صناعة SiC تواجه العديد من العقبات الهيكلية:

التحدي 1: حواجز فنية عالية

تشمل الاختناقات الرئيسية:

• التحكم في كثافة التشوه في الركائز الكبيرة

• تحقيق نمو بلوري موحد وسميك وعالي الجودة

• تحسين حركة قناة MOSFET

• تعزيز الموثوقية على المدى الطويل في ظل درجات الحرارة العالية والجهد العالي

تحد هذه التحديات من تحسين العائد وإبطاء التوسع على نطاق واسع.

التحدي 2: لا يزال خفض التكلفة متخلفًا عن توقعات السوق

أجهزة SiC هي أكثر تكلفة بـ 3–5 مرات من حلول السيليكون.
تشمل الأسباب الرئيسية:

• ارتفاع تكلفة الركائز

• انخفاض العائد خلال المراحل الأولى من إنتاج 8 بوصات

• معدات متخصصة باهظة الثمن (مفاعلات النمو البلوري، وأنظمة الزرع)

• ارتفاع تكلفة إهلاك خطوط الإنتاج

لا تزال التكلفة هي القيد الأساسي للتطبيقات الاستهلاكية والصناعية متوسطة المدى.

التحدي 3: تحتاج مرونة سلسلة التوريد إلى تحسين

لا تزال بعض المعدات والمواد الأولية الهامة تعتمد على الموردين في الخارج، ويؤثر الوقت الطويل للأدوات المتخصصة على وتيرة التوسع. يعد بناء سلسلة توريد محلية أكثر مرونة أمرًا ضروريًا لتحقيق الاستقرار على المدى الطويل.

4. الاتجاه المستقبلي: يتحول التنافس من الأجهزة الفردية إلى القدرة على مستوى النظام

سيتم تشكيل المرحلة التالية من صناعة SiC من خلال ثلاثة اتجاهات رئيسية:

الاتجاه 1: جهد أعلى، وكفاءة أعلى، وموثوقية أعلى

ستركز التطورات على:

• أجهزة MOSFET ذات الجهد العالي للغاية

• تحسين هيكل الخندق

• تصميمات بلورية منخفضة الفقد

• تغليف عالي التوصيل الحراري

ستعمل هذه التحسينات على فتح تطبيقات جديدة في معدات الطاقة على مستوى الشبكة والصناعية.

الاتجاه 2: التكامل الرأسي كميزة تنافسية رئيسية

نظرًا لأن متطلبات العملاء تؤكد على الأداء والموثوقية وقدرة التسليم، يصبح التكامل العميق من الركيزة إلى الوحدة ذا أهمية متزايدة.

ستعمل التكلفة والعائد والوقت اللازم للتسويق على تمييز القادة المستقبليين.

الاتجاه 3: سيؤدي توسيع التطبيقات إلى خلق فرصة سوقية تريليون دولار

تتشكل ثلاثة محركات تطبيقات أساسية:

1. السيارات الكهربائية (محولات الجر، الشحن السريع)

2. تحويل شبكة الطاقة (DC مرن، أنظمة HVDC)

3. تخزين الطاقة والطاقة المتجددة (محولات ذات كفاءة أعلى)

ستوفر محركات الأقراص الصناعية وطاقة الطيران ومعدات التشغيل الآلي طلبًا تدريجيًا مستمرًا.

5. منظور الاستثمار: تظهر الفرص الهيكلية بوضوح

توفر ثلاثة اتجاهات أكثر الفرص إقناعًا على المدى المتوسط إلى الطويل:

(1) الركائز والنمو البلوري في المنبع

لا تزال الرقائق ذات القطر الكبير والعيوب المنخفضة والنمو البلوري المتقدم هي قطاعات النمو الأكثر تحديدًا.

(2) الأجهزة عالية الجهد وعالية الطاقة

ستستفيد الشركات المصنعة للأجهزة التي تركز على أجهزة MOSFET ووحدات الطاقة عالية الأداء من زيادة الانتشار في تطبيقات الطاقة والشبكات.

(3) تطبيقات على مستوى النظام

ستولد منصات السيارات الكهربائية ومحولات تخزين الطاقة والإلكترونيات الصناعية عالية الكفاءة طلبًا مستمرًا متعدد السنوات.

الخلاصة

تنتقل صناعة SiC العالمية من التبني المبكر إلى التوسع المتسارع. مع الاختراقات في المواد، وزيادة القدرة الإنتاجية، وتوسيع سيناريوهات التطبيقات بسرعة، يعيد SiC تشكيل مستقبل إلكترونيات الطاقة.

ستكون السنوات القادمة فترة حاسمة—أولئك الذين يحققون الريادة على مستوى النظام عبر المواد والأجهزة والتطبيقات سيشكلون الجيل التالي من تقنيات الطاقة عالية الكفاءة.