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>> 産業用アプリケーション
● 結論
● よくある質問
>> 3.炭化シリコンのコストは、電気自動車の価格にどのように影響しますか？
>> 4.パワーエレクトロニクスで炭化シリコンを使用することの利点は何ですか？
>> 5。炭化シリコンの価格は将来的に低下すると予想されていますか？
● 引用：
炭化シリコン（SIC）は、最新の技術において極めて重要な材料として浮上しており、自動車、電子機器、航空宇宙、再生可能エネルギーなどの多様なセクターにわたってアプリケーションを見つけました[2]。その例外的な硬度、高い熱伝導率、高温および化学腐食に対する耐性で知られる、 SICは 、多くの要求の厳しい用途でシリコンのような従来の素材と比較して優れた性能を提供します[5] [3]。ただし、炭化シリコンの強化された特性には価格が付いています。この記事では、炭化シリコンに関連するコスト要因、その価格動向、およびその費用の背後にある理由を掘り下げています。
Carborundumとしても知られる炭化シリコン（SIC）は、化学式SICを備えたシリコンと炭素の化合物です。 1893年にエドワード・グッドリッチ・アチソンによって発見されたSICは、met石での非常にまれな出来事を除いて、地球上で自然に見られません[5]。アケソンプロセスを使用して大規模に合成されます。これは、電気抵抗炉の高温にシリカ砂と炭素を加熱することを含みます[3]。
- 高硬度：SICは非常に硬く、硬度の点でダイヤモンドのすぐ下にランク付けされているため、優れた研磨材料になります[8]。
- 熱伝導率が高い：熱伝導率が高いため、熱を効率的に消散させることができます[5]。
- 高い熱抵抗：SICは非常に高温に耐えることができ、融点は2,700°Cです[3]。
- 化学的不活性：化学腐食に対して非常に耐性があり、過酷な環境に適しています[5]。
- 半導体特性：SICはワイドバンドギャップ半導体であり、シリコンよりも高い電圧、周波数、温度で動作できるようにします[2]。
- 研磨剤：その硬度により、SICは粉砕車輪、切削工具、およびサンドペーパーで広く使用されています[5] [8]。
- 自動車：SICは、高性能セラミックブレーキディスク、ディーゼル微粒子フィルター、および摩擦を減らすためのオイル添加物として使用されます[5] [2]。
- 電子機器：SICは、MOSFET、ダイオード、トランジスタなどの高出力、高周波デバイスで使用されます[3]。
- 産業：るつぼ、触媒サポート、加熱要素を保持するためにるつぼで使用されています[5]。
- 航空宇宙：SICは、高温用途向けの構造材料で使用されます[3]。
- 再生可能エネルギー：SICは、太陽および風力エネルギーシステムの電力インバーターで利用され、効率を高め、サイズを削減します[2]。
いくつかの要因は、原材料価格から複雑な製造プロセスに至るまで、炭化シリコンの高コストに寄与しています[1] [7]。これらの要因を理解することは、SICの全体的な費用を評価するために重要です。
炭化シリコンの生産に必要な主要な原材料は、シリコン金属と石油コークスです[7]。これらの材料のコストは、供給と需要のダイナミクスと生産コストに基づいて変動する可能性があります[7] [4]。
- シリコンメタル：高品質のシリコン金属は、高品質の炭化シリコンを生産するために不可欠です。シリコン金属の価格は、採掘コスト、精製プロセス、市場の可用性の影響を受けます[7]。
- 石油コークス：石油精製の副産物である石油コークスは、SIC合成の炭素源として機能します。そのコストは、原油の価格、精製能力、環境規制の影響を受けます[4] [7]。
シリコン金属と石油コークスの価格が上昇すると、それに応じてシリコン炭化物の生産の全体的なコストが上昇します[4]。
炭化シリコンの製造プロセスは複雑でエネルギー集約型であり、コストに大きな影響を与えるいくつかのステップが含まれます[3] [7]。
-ACHESONプロセス： SICを生産する最も一般的な方法は、最大2,500°Cまでの温度での電気抵抗炉でのシリカ砂と炭素の混合物を加熱することを伴うAchesonプロセスです[3]。このプロセスには、生産コストが高いことに貢献して、実質的なエネルギー消費が必要です。
- 結晶成長： 半導体用途向けの高品質のSIC単結晶の生成には、Lely Methodや化学蒸気堆積（CVD）などの洗練された技術が含まれます。これらの方法は遅く、正確な制御が必要であるため、高価です[3]。 Thunderのエネルギーによると、2,000ºCの収益で1時間あたり100〜300μmの速度でSIC結晶を形成します。これは、単結晶ポリシリコンを形成するよりもかなり遅い[3]。
- ウェーハの生産： 半導体デバイスのウェーハにSIC単結晶を処理することは、材料の硬度と脆性のために困難です。高度なスライス、研削、研磨技術が必要であり、コストを追加します[3]。
これらの製造ステップの複雑さは、特殊な機器と専門知識の必要性と相まって、炭化シリコンのコストを削減します[3]。
生産された炭化シリコンの量も、そのコストを決定する上で重要な役割を果たしています[7]。規模の経済は、生産量が増加するにつれて、ユニットごとのコストが削減される可能性があります。
- 生産能力が限られている： シリコンと比較して、炭化シリコンの生産能力は比較的限られています。これは、結晶の成長とウェーハ処理の課題によるものです[1]。
- 高資本投資： SIC生産施設の設立には、専門の機器とインフラストラクチャへの大幅な資本投資が必要です[3]。 1か月あたり30,000のウェーハを生産する大規模なSICファブは、年間約50トンのSICしか使用できず、実質的な資本支出があります[3]。
- コスト削減の可能性： SICの需要が増加し、生産技術が向上するにつれて、規模の経済が実現し、潜在的にコストの削減につながる可能性があります[1]。
さまざまな用途での炭化シリコンの需要は、市場価格に影響します[1] [4]。電気自動車や再生可能エネルギーなどの高需要の用途は、供給の制約により価格を引き上げることができます[2]。
- 電気自動車（EVS）： SICは、EVの電力インバーターやその他のコンポーネントでますます使用されており、効率と性能の向上を提供します[2]。 SICに対する自動車セクターの需要の高まりは、その市場価格の重要な要因です[1]。
- 再生可能エネルギー： SICは、電力変換効率を高めるために太陽および風力エネルギーシステムで採用されています。再生可能エネルギー部門の拡大は、SICの需要に貢献しています[2]。
- 産業用アプリケーション： 電源や自動車制御などのさまざまな産業用アプリケーションでのSICの使用は、市場の需要をさらにサポートしています[2]。
炭化シリコンの必要な品質と純度もそのコストに影響します[3]。半導体アプリケーションに必要な高純度SIC結晶は、関与する厳しい製造制御と精製プロセスのためにプレミアム価格をコマンドします[7]。
- 半導体グレードSIC： 半導体デバイスで使用されるSICは、最適なパフォーマンスを確保するために非常に低い不純物レベルを持っている必要があります。このレベルの純度を達成するには、高度な精製技術が必要であり、コストを増加させます[3]。
- 物質的欠陥： SIC結晶の欠陥は、デバイスのパフォーマンスに悪影響を与える可能性があります。欠陥を最小化するには、結晶の成長条件を正確に制御する必要があります。これは挑戦的で高価な場合があります[3]。
- ウェーハの品質： 表面仕上げや構造の完全性を含むSICウェーハの品質は、デバイスの製造に重要です。高品質のウェーハは、高度な処理技術を必要とし、コストが増加します[3]。
炭化シリコンの価格は、その形、品質、および用途によって異なります[1]。価格の傾向を理解することで、コストの促進要因と将来の潜在的な変化に関する洞察を提供できます。
- 炭化物の黒いシリコン： 炭化物の黒いシリコンは通常、メートルトンあたり約850ドルかかります[1]。この形式は、その硬度が高いため、一般的に研磨アプリケーションで使用されています[5]。
- 炭化シリコンウェーハ： シリコン炭化物ウェーハの価格は、1平方インチあたり約1,200ドルになる可能性があります[1]。これらのウェーハは、高純度と構造的完全性が不可欠な半導体アプリケーションで使用されます[3]。
- 炭化シリコングリット： 2022年3月、シリコン炭化物のグリットの価格が上昇し、原材料コストは1トンあたり約65〜80ドル上昇しました[4]。
いくつかの要因は、炭化シリコンの価格動向に影響します[1] [4]：
- 生産能力の向上：新しい生産能力への投資は、供給の増加につながり、価格に下方に圧力をかける可能性があります[1]。
- 市場需要：自動車や再生可能エネルギーなどの主要なセクターからの強い需要は、価格を高めることができます[2]。
- 原材料コスト：シリコン金属や石油コークスなどの原材料のコストの変動は、SICの価格に影響を与える可能性があります[7]。
- 技術の進歩：結晶の成長やウェーハ処理などの製造プロセスの革新は、コストを削減する可能性があります[3]。
炭化シリコンの将来の価格は、技術の進歩、市場のダイナミクス、経済状況など、さまざまな要因の対象となります[1] [4]。
- 需要の高まり： 電気自動車、再生可能エネルギーシステム、および産業用途でのSICの採用の増加は、需要を促進し、価格をサポートする可能性がある[2]。
- 技術革新： SIC製造技術の進歩は、効率の向上と生産コストの削減につながる可能性があります[3]。
- サプライチェーンの開発： SICの生産能力の拡大への投資は、需要の増加に対応し、価格を安定させるのに役立ちます[1]。
Carbideのユニークな特性は、幅広い用途にとって魅力的な素材になります。これらのセクターからの需要は、市場のダイナミクスとコストに大きく影響します[2]。
炭化シリコンは、より効率的で高性能のパワーエレクトロニクスを可能にすることにより、電気自動車産業に革命をもたらしています[2]。
- パワーインバーター： SIC MOSFETとダイオードは、電源インバーターで使用され、DCバッテリー電源をモーターのACに変換します。 SICデバイスは、シリコンデバイスと比較して、より低いスイッチング損失、効率が高く、熱性能が向上します[3]。
- オンボード充電器： SICは、オンボード充電器で使用され、AC電源をグリッドからDCに効率的に変換してバッテリーを充電します。その高周波スイッチング機能により、充電器の設計が小さく、軽量の設計が可能になります[2]。
-DC-DCコンバーター： SICデバイスはDC-DCコンバーターで使用され、車両内の電圧レベルを調節し、効率的な電力分布を確保します[2]。
EVSでSICを採用すると、走行範囲が長くなり、充電時間が短くなり、全体的な車両性能が向上します[2]。
炭化シリコンは、再生可能エネルギーシステムの効率と信頼性を高める上で重要な役割を果たしています[2]。
- ソーラーインバーター： SICは、ソーラーインバーターで使用され、DC電力をソーラーパネルからグリッド統合のためのAC電源に変換します。その高効率と高温操作は、エネルギーの損失を減らし、システムのパフォーマンスを向上させます[2]。
- 風力タービン： SICは風力タービン電力コンバーターで使用され、可変頻度AC電源をグリッド互換AC電源に効率的に変換します。 SICデバイスは、よりコンパクトで信頼性の高いコンバーター設計を可能にします[2]。
- エネルギー貯蔵システム： SICは、エネルギー貯蔵システムで使用され、バッテリーとグリッド間の電力流量を効率的に管理しています。その高出力処理機能と高速スイッチング速度により、システムの応答性が向上します[2]。
再生可能エネルギーシステムでのSICの使用は、より高いエネルギー収量、運用コストの削減、およびグリッド安定性の改善に貢献します[2]。
炭化シリコンは、その堅牢性、高温安定性、化学的不活性のため、さまざまな産業用途で広く使用されています[5]。
- 電源： SICは、産業機器の電源で使用され、高効率、高出力密度、信頼性の向上を提供します[2]。
- モーター制御： SICは、エネルギー効率を向上させ、モーターサイズを削減するために、モーター制御システムで採用されています。その高速スイッチング速度と低損失により、正確なモーター制御が可能になります[2]。
- 高温炉： SIC加熱要素は、さまざまな産業プロセスの高温炉で使用され、優れた熱安定性と長いサービス寿命を提供します[5]。
- 化学処理： SICは、化学腐食に対する耐性と高温安定性のため、化学処理装置で使用されます[5]。
シリコン炭化物とシリコンは、最も一般的に使用される2つの半導体材料です。ただし、SICは、高出力、高温、および高周波アプリケーションでシリコンよりもいくつかの利点を提供します[2]。
| 特徴 | シリコン（SI） | 炭化シリコン（原文） |
|---|---|---|
| バンドギャップエネルギー | 1.1 eV | 3.26 eV |
| 故障フィールド | 0.3 mV/cm | 2.8 mV/cm |
| 熱伝導率 | 1.5 w/cm・k | 4.9 w/cm・k |
| 電子移動度 | 1400cm²/v・s | 900cm²/v・s |
| マックス。動作温度。 | 150°C | 400°C以上 |
| 頻度の切り替え | より低い | より高い |
| アプリケーション | 一般的な電子機器、低電力 | 高出力、高周波、EVS、 |
- より高いバンドギャップエネルギー：SICにはシリコンよりも広いバンドギャップがあり、より高い温度と電圧で動作することができます[2]。
- 故障フィールドの高い：SICの故障フィールドが高く、壊れずに高い電界に耐えることができます[2]。
- 熱伝導率が高くなる：SICの熱伝導率が高く、熱をより効率的に放散できるようにします[2]。
- より高いスイッチング周波数：SICデバイスは、より高い周波数で切り替え、スイッチング損失を減らし、効率を改善できます[3]。
シリコンは安価で、電子移動度が高くなりますが、炭化シリコンの優れた特性により、アプリケーションを要求するための好ましい材料になります[2]。
結論として、炭化シリコンは、原材料コスト、複雑な製造プロセス、限られた生産量、市場需要の高い、厳しい品質要件などの要因の組み合わせにより、実際に高価な材料です。高コストにもかかわらず、高出力、高温、および高頻度のアプリケーションでの炭化シリコンの優れた性能は、自動車、再生可能エネルギー、産業用エレクトロニクスなどのセクターで貴重な材料となります。技術の進歩と生産量が増加するにつれて、炭化シリコンのコストが減少する可能性があり、より広範なアプリケーションでよりアクセスしやすくなります。
炭化シリコンは、いくつかの要因により、シリコンよりも高価です。
- 複雑な製造：SICの生産には、シリコンの生産よりも挑戦的で費用がかかるアケソンプロセスやクリスタル成長技術など、複雑でエネルギー集約型のプロセスが含まれます[3] [7]。
- 原材料の純度：SICの生産には高純度の原材料が必要であり、コストの増加が必要です[7]。
- 限られた生産量：SICの生産量はシリコンの生産量よりも低く、その結果、規模の経済が少なくなります[1]。
- 高い需要：電気自動車や再生可能エネルギーなどのセクターからの強い需要は、価格を引き上げます[2]。
炭化シリコンは、独自の特性により、さまざまなアプリケーションで使用されています。
- 研磨剤：硬度が高いため、粉砕ホイール、切削工具、およびサンドペーパーで使用されます[5] [8]。
- 自動車：高性能セラミックブレーキディスク、ディーゼル微粒子フィルター、および電気自動車用のパワーエレクトロニクスで使用されます[5] [2]。
- 電子機器：MOSFETやダイオードなどの高出力、高周波デバイスで使用されます[3]。
- 産業：るつぼ、触媒サポート、および高温炉のためにるつぼで使用されます[5]。
- 再生可能エネルギー：太陽および風力エネルギーシステムの電力インバーターで使用されます[2]。
パワーインバーターやオンボード充電器などのシリコン炭化物コンポーネントのコストは、電気自動車の全体的な価格に貢献しています[2]。 SICはパフォーマンスと効率の向上を提供しますが、そのコストが高いと、シリコンベースのコンポーネントを使用するのと比較してEVの価格を上げる可能性があります[3]。 SICの生産量が増加し、製造プロセスが向上すると、SICコンポーネントのコストが減少し、より手頃な価格のEVにつながる可能性があります[1]。
炭化シリコンは、パワーエレクトロニクスアプリケーションでシリコンよりもいくつかの利点を提供します。
- 効率が高くなる：SICデバイスのスイッチング損失が低く、効率が高く、エネルギー消費が削減されます[2]。
- 高温動作：SICは高温で動作し、冷却要件を簡素化できます[2]。
- 高電圧機能：SICはより高い電圧に耐えることができ、高出力アプリケーションに適しています[2]。
- より高いスイッチング周波数：SICデバイスは、より高い周波数で切り替えることができ、小さくて軽い設計を可能にします[3]。
これらの利点は、パフォーマンスの向上、電力密度の高い、および電子電子システムのより良い信頼性をもたらします[2]。
炭化シリコンの価格は、いくつかの要因により、将来的に減少すると予想されます。
- 生産能力の向上：SIC生産能力の拡大への投資は供給を増加させ、価格を引き下げる可能性があります[1]。
- 技術の進歩：結晶の成長、ウェーハ処理、およびデバイスの製造の革新により、効率が向上し、コストが削減されます[3]。
- 規模の経済：SICの需要が高まるにつれて、規模の経済はユニットごとのコストが低くなります[1]。
- 競争：SICメーカー間の競争の激化により、価格が下がります[4]。
これらの要因は、より広い範囲のアプリケーションのために、シリコン炭化物をよりアクセスしやすくすることが期待されています[2]。
[1] https://hsachn.com/blog/silicon-carbide-price-trend.html
[2] https://www.wolfspeed.com/applications/
[3] https://thundersaidenergy.com/downloads/silicon-carbide-production-costs/
[4] https://greensiliconcarbide.com/silicon-carbide-grit-price/
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/silicon_carbide
[6] https://www.edn.com/silicon-carbides-wafer-cost-conundrum-and-theway-forward/
[7] https://www.silicon-carbides.com/blog/silicon-carbide-cost-per-kg-understanding-the-factors-affecting-the-price.html
[8] https://www.preciseceramic.com/blog/what-are-the-silicon-carbide.html
