Carboneto de silício (SiC) é um composto fascinante. Você pode encontrá-lo na indústria de semicondutores e em produtos cerâmicos avançados. Isso frequentemente causa confusão, pois as pessoas podem pensar que são o mesmo material. No entanto, não são. O carboneto de silício pode ser tanto uma cerâmica avançada dura e resistente ao desgaste quanto um semicondutor eficiente e com economia de energia. Embora ambas as formas compartilhem o mesmo químico Em termos de composição, desempenham dois papéis completamente distintos no setor industrial. O carboneto de silício cerâmico e o carboneto de silício semicondutor diferem significativamente em termos de estrutura cristalina, processos de preparação, características de desempenho e aplicações:
Requisitos de pureza da matéria-prima
O carboneto de silício de grau cerâmico possui requisitos de pureza relativamente baixos. Normalmente, está entre 90% e 98% para produtos industriais em geral. Cerâmicas estruturais de alto desempenho podem exigir pureza entre 98% e 99,5%. Por exemplo, o SiC sinterizado por reação requer baixo teor de silício livre, o que permite uma pequena quantidade de impurezas. Às vezes, são adicionados auxiliares de sinterização como alumina (Al₂O₃) ou ítria (Y₂O₃). Esses aditivos melhoram o desempenho da sinterização. Eles ajudam a reduzir a temperatura de sinterização e aumentam a densidade do produto final.
O carboneto de silício de grau semicondutor requer pureza extremamente alta. O SiC monocristalino em nível de substrato deve ter pureza ≥99,9999% (6N). Algumas aplicações de ponta exigem pureza de 7N (99,99999%). As concentrações de impurezas, especialmente boro (B), alumínio (Al) e vanádio (V), devem ser mantidas abaixo de 10¹⁶ átomos/cm³. Mesmo traços de impurezas como ferro (Fe) ou boro (B) podem afetar severamente o desempenho elétrico. Isso leva à dispersão de portadores, redução da resistência à ruptura e diminuição do desempenho e da confiabilidade do dispositivo.
Estrutura e qualidade cristalina
O carboneto de silício de grau cerâmico geralmente existe como pó policristalino ou corpos sinterizados. Estes consistem em pequenos cristais de SiC dispostos aleatoriamente. A estrutura cristalina inclui múltiplas formas cristalinas, como α-SiC e β-SiC. Não há requisitos rigorosos para um único tipo de cristal. O foco está na densidade e uniformidade do material. Sua estrutura interna contém contornos de grãos e pequenos poros. Pode também incluir auxiliares de sinterização, como alumina ou ítria.
O carboneto de silício de grau semicondutor deve ser um substrato monocristalino ou uma camada epitaxial. A estrutura cristalina é altamente ordenada. Tipos específicos de cristais devem ser controlados. Técnicas de crescimento cristalino de alta precisão, como 4H-SiC e 6H-SiC, são utilizadas. Propriedades elétricas, como mobilidade eletrônica e banda proibida, são altamente sensíveis ao tipo de cristal. O tipo de cristal 4H-SiC é o preferido para dispositivos de potência. Ele oferece alta mobilidade de portadores e resistência à ruptura.
Processo de preparação
O processo de preparação do carboneto de silício de grau cerâmico é relativamente simples. Envolve preparação de pó, conformação e sinterização. Este processo é semelhante à "queima de tijolos". Pó de SiC de grau industrial, tipicamente micrométrico, é misturado a um ligante. A mistura é prensada para moldar. Em seguida, é sinterizada em altas temperaturas (1600°C – 2200°C). Isso causa difusão entre as partículas para densificar o material. Uma densidade de 90% ou mais é normalmente suficiente. O processo não requer controle preciso do crescimento de cristais. Ele se concentra na estabilidade e consistência da conformação e sinterização. Essa flexibilidade permite a produção de componentes com formas complexas. Os requisitos de pureza da matéria-prima são relativamente baixos.
O processo de preparação do carboneto de silício de grau semicondutor é muito mais complexo. Inclui preparação de pó de alta pureza, crescimento de substrato monocristalino, deposição de camada epitaxial e fabricação de dispositivos. Substratos monocristalinos são geralmente cultivados usando transporte físico de vapor (PVT). Isso requer altas temperaturas (2200°C – 2400°C) e condições de alto vácuo. O controle preciso dos gradientes de temperatura (±1°C) e da pressão é necessário para garantir a integridade do cristal. Posteriormente, a deposição química de vapor (CVD) é usada para cultivar a camada epitaxial. O processo deve ocorrer em ambientes ultralimpos, como salas limpas Classe 10. A contaminação deve ser evitada para manter o desempenho do material. Este processo é altamente preciso. São necessários padrões rigorosos de pureza da matéria-prima (>99.9999%) e de equipamento.
Diferenças de custo e foco de mercado
O carboneto de silício de grau cerâmico é mais barato. Utiliza pó de SiC de grau industrial e um processo de preparação mais simples. O preço por tonelada normalmente varia de milhares a dezenas de milhares de yuans. Suas aplicações de mercado são amplas, principalmente em setores como abrasivos, materiais refratários e outros setores sensíveis ao custo.
O carboneto de silício de grau semicondutor é extremamente caro. O processo de preparação do substrato é demorado. O controle de defeitos é desafiador. A taxa de rendimento é baixa. Um substrato de 6 polegadas pode custar vários milhares de dólares. Seu mercado é focado em campos eletrônicos de ponta. Isso inclui dispositivos semicondutores de potência e componentes de RF. Com o rápido crescimento de setores como veículos elétricos e comunicações 5G, a demanda do mercado está aumentando rapidamente.
Áreas de aplicação
O carboneto de silício de grau cerâmico é o "cara durão" da indústria. É usado principalmente como material estrutural. Possui excelentes propriedades mecânicas, como alta dureza e resistência ao desgaste. Também possui excelentes propriedades térmicas, como resistência a altas temperaturas e resistência à oxidação. É amplamente utilizado em abrasivos (rebolos, lixas), materiais refratários (revestimentos de fornos) e componentes resistentes ao desgaste/corrosão (corpos de bombas, revestimentos de tubulações).
O carboneto de silício de grau semicondutor é a "elite eletrônica". Ele aproveita suas propriedades semicondutoras de ampla banda proibida. Oferece vantagens únicas em dispositivos eletrônicos. Em dispositivos de energia, como inversores para veículos elétricos e conversores para redes elétricas, melhora a eficiência da conversão de energia e reduz as perdas de energia. Em dispositivos de radiofrequência (RF), como estações base 5G e radares, o SiC semicondutor aprimora a frequência operacional e as capacidades de transmissão de sinal. Também é usado em dispositivos optoeletrônicos, como substratos de LED azul, contribuindo para fontes de luz azul brilhante.
| Dimensões | Carboneto de silício para cerâmica | Carboneto de silício para semicondutores |
| Estrutura cristalina | Policristalino, várias formas de cristal | Triagem de cristal único, forma de cristal estrita |
| Foco na preparação | Densificação e controle de forma | Controle de qualidade de cristal e desempenho elétrico |
| Prioridade de desempenho | Resistência mecânica, resistência à corrosão, estabilidade térmica | Propriedades elétricas (largura de banda proibida, campo elétrico de ruptura, etc.) |
| Cenários de aplicação | Peças estruturais, peças resistentes ao desgaste, peças resistentes a altas temperaturas | Dispositivos de alta potência, dispositivos de alta frequência, dispositivos optoeletrônicos |
| Orientado por custos | Flexibilidade de processo, custo de matéria-prima | Taxa de crescimento do cristal, precisão do equipamento, pureza da matéria-prima |
Pó épico
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