Silic cacbua (SiC) là một hợp chất hấp dẫn. Bạn có thể tìm thấy nó trong ngành công nghiệp bán dẫn và trong các sản phẩm gốm sứ tiên tiến. Điều này thường gây nhầm lẫn, vì mọi người có thể nghĩ chúng là cùng một loại vật liệu. Tuy nhiên, không phải vậy. Silicon carbide có thể vừa là một loại gốm sứ tiên tiến cứng, chống mài mòn, vừa là một chất bán dẫn hiệu quả, tiết kiệm năng lượng. Mặc dù cả hai dạng đều có chung hóa chất Về thành phần, chúng đóng hai vai trò hoàn toàn khác nhau trong lĩnh vực công nghiệp. Cacbua silic gốm và cacbua silic bán dẫn khác nhau đáng kể về cấu trúc tinh thể, quy trình chế tạo, đặc tính hiệu suất và ứng dụng:
Yêu cầu về độ tinh khiết của nguyên liệu thô
SiC cấp gốm có yêu cầu độ tinh khiết tương đối thấp. Độ tinh khiết thường nằm trong khoảng từ 90% đến 98% đối với các sản phẩm công nghiệp thông thường. Gốm kết cấu hiệu suất cao có thể yêu cầu độ tinh khiết từ 98% đến 99,5%. Ví dụ, SiC thiêu kết phản ứng yêu cầu hàm lượng silic tự do thấp. Điều này cho phép một lượng nhỏ tạp chất. Đôi khi, các chất trợ thiêu kết như nhôm oxit (Al₂O₃) hoặc yttria (Y₂O₃) được thêm vào. Các chất phụ gia này cải thiện hiệu suất thiêu kết, giúp giảm nhiệt độ thiêu kết và tăng mật độ sản phẩm cuối cùng.
SiC cacbua cấp bán dẫn đòi hỏi độ tinh khiết cực cao. SiC đơn tinh thể cấp nền phải có độ tinh khiết ≥99,9999% (6N). Một số ứng dụng cao cấp yêu cầu độ tinh khiết 7N (99,99999%). Nồng độ tạp chất, đặc biệt là boron (B), nhôm (Al) và vanadi (V), phải được giữ dưới 10¹⁶ nguyên tử/cm³. Ngay cả một lượng nhỏ tạp chất như sắt (Fe) hoặc boron (B) cũng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất điện. Điều này dẫn đến tán xạ hạt mang điện, giảm cường độ đánh thủng, đồng thời làm giảm hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị.
Cấu trúc và chất lượng tinh thể
SiC-Cacbua cấp gốm thường tồn tại dưới dạng bột đa tinh thể hoặc vật liệu thiêu kết. Chúng bao gồm các tinh thể SiC nhỏ được sắp xếp ngẫu nhiên. Cấu trúc tinh thể bao gồm nhiều dạng tinh thể, chẳng hạn như α-SiC và β-SiC. Không có yêu cầu nghiêm ngặt nào về một loại tinh thể duy nhất. Trọng tâm là mật độ và độ đồng đều của vật liệu. Cấu trúc bên trong của nó chứa các ranh giới hạt và các lỗ rỗng nhỏ. Nó cũng có thể bao gồm các chất trợ thiêu kết như alumina hoặc yttria.
SiC cấp bán dẫn phải là chất nền đơn tinh thể hoặc lớp epitaxy. Cấu trúc tinh thể được sắp xếp rất trật tự. Các loại tinh thể cụ thể phải được kiểm soát. Các kỹ thuật nuôi cấy tinh thể có độ chính xác cao, chẳng hạn như 4H-SiC và 6H-SiC, được sử dụng. Các tính chất điện như độ linh động điện tử và khoảng cách vùng cấm rất nhạy cảm với loại tinh thể. Loại tinh thể 4H-SiC được ưu tiên sử dụng cho các thiết bị điện. Nó có độ linh động hạt tải điện cao và cường độ đánh thủng cao.
Quá trình chuẩn bị
Quá trình chuẩn bị cho silicon carbide cấp gốm tương đối đơn giản. Nó bao gồm chuẩn bị bột, tạo hình và thiêu kết. Quy trình này tương tự như “nung gạch”. Bột SiC cấp công nghiệp, thường có kích thước micron, được trộn với chất kết dính. Hỗn hợp được ép thành hình. Sau đó, nó được thiêu kết ở nhiệt độ cao (1600°C – 2200°C). Quá trình này gây ra sự khuếch tán giữa các hạt để làm đặc vật liệu. Mật độ 90% trở lên thường là đủ. Quy trình này không yêu cầu kiểm soát sự phát triển tinh thể chính xác. Nó tập trung vào tính ổn định và đồng nhất của quá trình tạo hình và thiêu kết. Tính linh hoạt này cho phép sản xuất các thành phần có hình dạng phức tạp. Yêu cầu về độ tinh khiết của nguyên liệu thô tương đối thấp.
Quá trình chuẩn bị cho silicon carbide cấp bán dẫn phức tạp hơn nhiều. Nó bao gồm chế phẩm bột có độ tinh khiết cao, phát triển nền đơn tinh thể, lắng đọng lớp epitaxial và sản xuất thiết bị. Nền đơn tinh thể thường được nuôi cấy bằng phương pháp vận chuyển hơi vật lý (PVT). Phương pháp này đòi hỏi nhiệt độ cao (2200°C – 2400°C) và điều kiện chân không cao. Cần kiểm soát chính xác các gradient nhiệt độ (±1°C) và áp suất để đảm bảo tính toàn vẹn của tinh thể. Sau đó, lắng đọng hơi hóa học (CVD) được sử dụng để nuôi cấy lớp epitaxial. Quy trình này phải diễn ra trong môi trường siêu sạch, chẳng hạn như phòng sạch Cấp 10. Phải ngăn ngừa ô nhiễm để duy trì hiệu suất vật liệu. Quy trình này có độ chính xác cao. Yêu cầu độ tinh khiết nguyên liệu thô nghiêm ngặt (>99.9999%) và các tiêu chuẩn thiết bị.
Sự khác biệt về chi phí và tập trung vào thị trường
SiC gốm sứ có giá thành rẻ hơn. Nó sử dụng bột SiC cấp công nghiệp và quy trình chế tạo đơn giản hơn. Giá mỗi tấn thường dao động từ vài nghìn đến vài chục nghìn nhân dân tệ. Ứng dụng thị trường của nó rất rộng, chủ yếu nhắm vào các ngành công nghiệp như vật liệu mài mòn, vật liệu chịu lửa và các lĩnh vực nhạy cảm về chi phí khác.
SiC-630 cấp bán dẫn cực kỳ đắt đỏ. Quá trình chuẩn bị đế rất dài. Việc kiểm soát khuyết tật rất khó khăn. Hiệu suất thấp. Một đế 6 inch có thể tốn vài nghìn đô la. Thị trường của nó tập trung vào các lĩnh vực điện tử cao cấp, bao gồm các thiết bị bán dẫn công suất và linh kiện RF. Với sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp như xe điện và truyền thông 5G, nhu cầu thị trường đang tăng nhanh chóng.
Lĩnh vực ứng dụng
Silic cacbua cấp gốm là "vật liệu bền bỉ trong công nghiệp". Nó chủ yếu được sử dụng làm vật liệu kết cấu. Nó có các đặc tính cơ học tuyệt vời, chẳng hạn như độ cứng cao và khả năng chống mài mòn. Nó cũng có các đặc tính nhiệt tuyệt vời, chẳng hạn như khả năng chịu nhiệt độ cao và chống oxy hóa. Nó được sử dụng rộng rãi trong vật liệu mài mòn (đá mài, giấy nhám), vật liệu chịu lửa (lớp lót lò nung) và các bộ phận chống mài mòn/chống ăn mòn (thân bơm, lớp lót đường ống).
SiC cấp bán dẫn là “tinh hoa điện tử”. Nó tận dụng các đặc tính bán dẫn có khoảng cách dải rộng. Nó mang lại những lợi thế độc đáo trong các thiết bị điện tử. Trong các thiết bị điện, chẳng hạn như bộ biến tần cho xe điện và bộ chuyển đổi cho lưới điện, nó cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng và giảm tổn thất năng lượng. Trong các thiết bị RF, như trạm gốc 5G và radar, SiC bán dẫn tăng cường tần số hoạt động và khả năng truyền tín hiệu. Nó cũng được sử dụng trong các thiết bị quang điện tử, chẳng hạn như đế LED xanh lam, góp phần tạo ra nguồn sáng xanh lam rực rỡ.
| Kích thước | Silicon carbide cho gốm sứ | Silicon carbide cho chất bán dẫn |
| Cấu trúc tinh thể | Đa tinh thể, nhiều dạng tinh thể khác nhau | Tinh thể đơn, sàng lọc dạng tinh thể nghiêm ngặt |
| Tập trung chuẩn bị | Kiểm soát độ đặc và hình dạng | Kiểm soát chất lượng tinh thể và hiệu suất điện |
| Ưu tiên hiệu suất | Độ bền cơ học, khả năng chống ăn mòn, độ ổn định nhiệt | Tính chất điện (chiều rộng khoảng cách dải, trường điện đánh thủng, v.v.) |
| Các tình huống ứng dụng | Các bộ phận kết cấu, các bộ phận chống mài mòn, các bộ phận chịu nhiệt độ cao | Thiết bị công suất cao, thiết bị tần số cao, thiết bị quang điện tử |
| Chi phí thúc đẩy | Tính linh hoạt của quy trình, chi phí nguyên liệu thô | Tốc độ phát triển tinh thể, độ chính xác của thiết bị, độ tinh khiết của nguyên liệu thô |
Bột Epic
Tóm lại, Epic Powder đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sản xuất silicon carbide cấp gốm và cấp bán dẫn. Bằng cách cung cấp các thiết bị nghiền tiên tiến như máy nghiền bi, máy nghiền tia và máy phân loại, Epic Powder đảm bảo nguyên liệu thô đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về độ tinh khiết, cấu trúc và hiệu suất cho nhiều ứng dụng khác nhau. Các giải pháp được thiết kế riêng của chúng tôi hỗ trợ các ngành công nghiệp từ gốm sứ đến chất bán dẫn, mang lại tiêu chuẩn cao nhất trong xử lý vật liệu và thúc đẩy những tiến bộ công nghệ trong nhiều lĩnh vực khác nhau.