Quel est le prix du carbure de silicium ?

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau réfractaire non oxydé de haute technologie, obtenu par fusion dans un four à résistance électrique à partir de sable de quartz de haute pureté et de coke de pétrole à faible teneur en cendres.

Le coût des matières premières a une incidence notable sur le prix de production du SiC, y compris dans le cadre des procédés Acheson et Lely. Les dépenses énergétiques ont également une incidence.

Matières premières

Le carbure de silicium, dont la formule chimique est SiC, est un composé cristallin synthétique extrêmement dur et dense, composé de silicium et de carbone, utilisé depuis la fin du XIXe siècle pour diverses applications, notamment comme abrasif (par exemple dans le papier de verre), les meules et les outils de coupe ; mais aussi comme revêtement de fours industriels et d'éléments chauffants, ainsi que comme substrats semi-conducteurs dans les diodes électroluminescentes (LED).

La qualité et le rendement du carbure de silicium dépendent fortement de ses matières premières, ce qui nécessite l'utilisation de sable de silice naturel de haute qualité et de quartz broyé dont la teneur en SiO₂ devrait idéalement dépasser 99,7%, ainsi que de coke de pétrole à faible teneur en cendres comme source de carbone – le charbon de bois ou l’anthracite peuvent constituer des alternatives, mais ils ne présentent pas la pureté requise pour la fabrication de produits en carbure de silicium brut.

L'inertie chimique du carbure de silicium en fait un excellent matériau pour la fabrication de réfractaires résistants aux hautes températures, tels que les parois de chaudières, les briques à damier, les moufles, les accessoires de four et les auges utilisés dans les usines de purification du zinc. De plus, sa résistance mécanique, sa résistance à l'usure et son faible coefficient de dilatation thermique en font également un matériau adapté à la fabrication d'outils à pointe.

La dureté et la stabilité du carbure de silicium à des températures et des tensions élevées en font un composant indispensable pour les dispositifs semi-conducteurs de puissance, tels que les MOSFET et les IGBT. De plus, ses tensions de fonctionnement plus élevées et ses bandes passantes plus larges que celles des matériaux en silicium classiques permettent une conversion d’énergie plus efficace tout en réduisant les pertes de puissance – ce qui en fait un matériau idéal pour les véhicules électriques, les systèmes de communication 5G et les systèmes de production d’énergie photovoltaïque.

Processus de fabrication

Le carbure de silicium n'est présent à l'état naturel qu'en quantités très limitées dans la moissanite, un minéral opaque et transparent. Par conséquent, le carbure de silicium doit être produit artificiellement à l'aide de méthodes de production de masse, telles que le procédé Acheson, afin de répondre à la forte demande de l'industrie et d'autres secteurs d'application. L'un de ces procédés consiste à mélanger de la silice et du coke, puis à les chauffer à haute température afin de provoquer une réaction chimique à cette température élevée, ce qui permet d'obtenir des cristaux de carbure de silicium.

Le brut issu de ce procédé est soigneusement broyé et trié, puis souvent broyé à nouveau avant d'être soumis à un traitement chimique visant à lui conférer des propriétés spécifiques adaptées à diverses applications. Il peut par exemple être transformé en matériau d'isolation thermique, tel que des fibres céramiques destinées aux appareils électroniques, ou en produits abrasifs durs.

Le produit final issu du moulage par injection de céramique est un matériau céramique exceptionnellement solide, durable, résistant à la corrosion et aux hautes températures, qui occupe la troisième place au classement des duretés parmi les composés connus, après le diamant et le nitrure de bore cubique. Ce matériau peut être moulé sous diverses formes pour des usages industriels, notamment pour la fabrication de meules et d'outils de coupe ; sa faible section efficace neutronique et sa résistance aux dommages causés par les rayonnements le rendent utile dans les applications liées aux réacteurs nucléaires ; en outre, il est largement utilisé pour les applications abrasives ainsi que comme matériau résistant aux hautes températures, notamment comme désoxydant dans les installations de fabrication de métaux et pour diverses applications industrielles nécessitant une résistance aux hautes températures.

Normes de qualité

Les céramiques de carbure de silicium de haute qualité ont une incidence sur leur coût global et revêtent une importance cruciale dans les applications où les performances sont primordiales, telles que les applications impliquant des boues denses et les conditions de pompage où la résistance à l’abrasion et à la corrosion est essentielle. Le carbure de silicium se distingue par sa dureté et son inertie chimique, qui le rendent adapté à ces conditions exigeantes. En comparaison, le carbure de tungstène (WC) peut se fissurer en raison de son liant à base de tungstène ; pour obtenir une résistance à la corrosion comparable, il faut recourir à des additifs coûteux à base de molybdène ou de chrome.

Les procédés de fabrication utilisés pour produire le carbure de silicium jouent également un rôle important dans sa qualité et son coût. Le frittage par pressage à chaud permet d'obtenir un matériau plus homogène que les procédés Acheson et Lely ; le SiC fritté de meilleure qualité peut en outre être usiné avec précision, tandis que sa conductivité thermique en fait un matériau idéal pour des applications exigeantes telles que les composants de fours et les revêtements de barrière thermique.

Les propriétés liées à sa large bande interdite font du carbure de silicium une technologie incontournable dans les véhicules électriques à batterie, où elles permettent une densité de puissance par plaquette plus faible, des fréquences de commutation plus élevées et des temps de recharge plus courts. Cependant, il peut s'avérer difficile pour les fabricants de substrats en carbure de silicium de respecter les objectifs stricts de zéro défaut imposés par l'industrie ; ils doivent s'assurer que leurs produits sont capables de résister à des environnements et à des processus de production difficiles en collaborant avec des fournisseurs proposant des solutions complètes.

Volume de production

La production de carbure de silicium nécessite d'énormes quantités d'énergie et de temps, ce qui a un impact négatif sur l'environnement en raison des émissions de dioxyde de carbone et de la consommation d'eau. Il est donc essentiel que les matériaux utilisés dans la fabrication du carbure de silicium proviennent de sources écologiquement durables.

La demande en carbure de silicium a explosé à l'échelle mondiale, à mesure que son utilisation se développe dans les domaines de l'électronique de puissance et de l'automobile. Les puces semi-conductrices en carbure de silicium permettent aux voitures de parcourir de plus longues distances avec une seule charge, réduisant ainsi la consommation de carburant. Leur essor devrait stimuler l'intérêt pour les véhicules électriques.

Le carbure de silicium est un matériau idéal pour les dispositifs de puissance en raison de sa résistance aux chocs thermiques et aux hautes tensions présentes au sein de ces dispositifs, ainsi que de sa capacité à fonctionner à des températures plus élevées que ses homologues traditionnels en silicium.

Face à la hausse de la demande en carbure de silicium, les fabricants ont commencé à investir dans de nouvelles installations. Bosch a récemment agrandi son usine de plaquettes à Reutlingen afin de produire des plaquettes de 8 pouces ; cela lui permettra de fabriquer de plus grandes quantités de semi-conducteurs par lot tout en réduisant ses coûts.

ROHM Co., Ltd (Japon), STMicroelectronics N.V (Suisse), Infineon Technologies AG (Allemagne), Semiconductor Components Industries LLC (États-Unis), WOLFSPEED INC (États-Unis) et GeneSiC Semiconductor Inc. (États-Unis). Chacune de ces entreprises a mis en œuvre diverses stratégies, telles que le lancement de produits, la conclusion de partenariats, la signature de contrats de collaboration, des acquisitions et des expansions, afin de renforcer leur position sur ce marché.