چگونه کاربید سیلیکون برای مصارف صنعتی تولید می شود؟

منوی محتوا

● مبانی تاریخی تولید SIC

● مواد اولیه برای سنتز کاربید سیلیکون

● جریان فرآیند تولید صنعتی

>> مرحله 1: واکنش کوره آچسون

>> مرحله 2: پردازش پس از سنتز

● تکنیک های پیشرفته تولید

>> حمل و نقل بخار فیزیکی (PVT)

>> رسوب بخار شیمیایی (CVD)

● برنامه های صنعتی توسط بخش

● چالش ها و راه حل های تولید

>> استراتژی های کاهش هزینه

● روندهای آینده در تولید SIC

>> رشد کریستال بزرگتر

>> تولید افزودنی

>> تولید پایدار

● پایان

● متداول

>> Q1: چرا روند Acheson در تولید SIC حاکم است؟

>> Q2: چگونه تولید کنندگان ساختار کریستال را در طول تولید کنترل می کنند؟

>> Q3: تأثیر زیست محیطی تولید SIC چیست؟

>> Q4: آیا کاربید سیلیکون می تواند سه بعدی چاپ شود؟

>> Q5 چگونه یک چرخه تولید کامل طول می کشد؟

● استنادها:

کاربید سیلیکون (SIC) به دلیل سختی شدید (9.5 MOHS) ، پایداری حرارتی (تا 1650 درجه سانتیگراد عمل می کند) و مقاومت شیمیایی در صنعت مدرن ضروری شده است. این مواد سرامیکی مصنوعی برنامه های کاربردی از زره های ضد گلوله تا EV Electronics EV. در هسته اتخاذ صنعتی خود یک فرآیند تولید قرن که طی دهه های نوآوری تصحیح شده است ، نهفته است.

مبانی تاریخی تولید SIC

کشف تصادفی ادوارد آچسون

در سال 1891 ، ضمن تلاش برای سنتز الماس ، ادوارد آچسون با گرمایش الکتریکی خاک رس و کربن ، کاربید سیلیکون را ایجاد کرد. این آزمایش سرنوشت ساز منجر به فرآیند ثبت اختراع Acheson شد - هنوز مسئولیت 80 ٪ از تولید SIC جهانی را بر عهده داشت. اولین کارخانه تجاری در نزدیکی آبشارهای نیاگارا (1893) برای دستیابی به دمای شدید مورد نیاز ، نیروگاه برق را به دست آورد.

تکامل تکنیک های تولید

تا دهه 1920 ، پیشرفت در عایق کوره با استفاده از آجرهای نسوز 40 ٪ باعث افزایش راندمان انرژی شد. در دهه 1950 شاهد افزایش فرآیند Lely برای کریستال های با خلوص بالا بود و برنامه های نیمه هادی را قادر می سازد. امروزه سالانه بیش از 600 کیلووتون SIC تولید می شود که چین 70 ٪ از تولید جهانی را بر عهده دارد.

مواد اولیه برای سنتز کاربید سیلیکون

تولید کاربید سیلیکون نیاز به سه مؤلفه اصلی دارد:

مادی	نقش	منابع معمولی	نیازهای خلوص
سیلیس (Sio₂)	اهدا کننده سیلیکون	شن و ماسه کوارتز ، خاکستر پوسته برنج	> 98.5 ٪ sio₂
کربن (ج)	کاهش دهنده	نفت کک ، زغال سنگ آنتراسیت	محتوای خاکستر کم
مطلب	بهینه سازی فرآیند	تراشه های چوبی ، کلرید سدیم	نسبت های کنترل شده

تراشه های چوبی در طی واکنش کانال های فرار گاز ایجاد می کنند ، در حالی که NaCl دمای واکنش را 200-300 درجه سانتیگراد کاهش می دهد. قراضه SIC بازیافت شده (تا 30 ٪) هزینه های مواد اولیه را کاهش می دهد.

نوآوری های آماده سازی مواد

گیاهان مدرن از مرتب سازی لیزر برای از بین بردن ناخالصی ها در مواد اولیه استفاده می کنند و به خلوص خوراکی 99.8 ٪ دست می یابند. سیستم های خشک کن پیشرفته باعث کاهش رطوبت به <0.1 ٪ می شوند و از انفجار بخار در هنگام پردازش درجه حرارت بالا جلوگیری می کنند.

جریان فرآیند تولید صنعتی

مرحله 1: واکنش کوره آچسون

1. آماده سازی شارژ

-ماسه سیلیس (55-60 ٪) ، کک نفتی (35-40 ٪) و 5 ٪ مواد افزودنی را مخلوط کنید

- به ترکیب همگن از طریق میکسرهای دوار که در 30 دور در دقیقه کار می کنند ، دست یابید

- توزیع اندازه ذرات: 80 ٪ بین 100-200 میکرومتر

2. سنتز درجه حرارت بالا

- مخلوط 50 تنی را در کوره مستطیل 15 متر × 4M بارگذاری کنید

- جریان 10،000-12000a از طریق الکترودهای گرافیت (گرمایش مقاومت) را اعمال کنید

- گرادیان دما:

- هسته الکترود: 2500 درجه سانتیگراد

- مناطق بیرونی: 1800-2،000 درجه سانتیگراد

3 پویایی رشد کریستال

- کریستال های شعاعی β-sic در اطراف الکترودها (ساختار مکعب) تشکیل می شوند

-مناطق بیرونی α-SIC (شش ضلعی) با اندازه دانه 50-200 میکرومتر توسعه می یابد

- فاز خنک کننده: نزول کنترل شده 24 ساعته تا 800 درجه سانتیگراد

مرحله 2: پردازش پس از سنتز

خرد کردن و فرز

- خرد کردن اولیه: سنگ شکن های فک هیدرولیک بول ها را به تکه های <50 میلی متر کاهش می دهند

- فرز ثانویه: کارخانه های توپ کاربید تنگستن به ذرات 10-500μm دست می یابند

تکنیک های پیشرفته:

- آسیاب جت برای پودرهای زیر میکرون (0.1-1μm)

- سنگ زنی کرایوژنیک در -196 درجه سانتیگراد از تخریب حرارتی جلوگیری می کند

شیمیایی

فرآیند	پارامترهای	تصفیه
شستشوی اسیدی	15 ٪ HF + 20 ٪ HNO₃ ، 80 درجه سانتیگراد ، 2H	ناخالصی های آهن ، آل ، کالیفرنیا را از بین می برد
شستشوی قلیایی	10 ٪ NaOH ، 60 درجه سانتیگراد ، 1H	سیلیکون باقیمانده را حل می کند
شناور	جریان هوا 2 m⊃3 ؛/دقیقه	SIC (چگالی 3.21 گرم در cm⊃3 ؛) را از گرافیت جدا می کند

فن آوری های طبقه بندی

- آنالایزرهای پراش لیزر ذرات را با دقت 0.5 میکرومتر مرتب می کنند

- جداسازی الکترواستاتیک آلاینده های غیر رسانا را از بین می برد

نمرات نهایی محصول:

- درشت درشت (8-220 مش): 65 ٪ از تولید

- میکروپودرها (0.1-10μm): 25 ٪

- نانوکریستالی (<100nm): 10 ٪

تکنیک های پیشرفته تولید

حمل و نقل بخار فیزیکی (PVT)

کریستال های تک با امنیت بالا برای الکترونیک رشد می کند:

1. ماده منبع SIC SIC در 2،300 درجه سانتیگراد زیر 10 درجه خلاء MBAR

2. انتقال بخار به کریستال بذر (جهت گیری 4H-SIC)

3. بول های قطر 100-150 میلی متر با سرعت 0.2-0.5 میلی متر در ساعت سپرده

4. دستیابی به <10⊃3 ؛ cm⊃2 ؛ تراکم ریزگردها

رسوب بخار شیمیایی (CVD)

لایه های اپیتاکسیال فوق العاده را تولید می کند:

- پیش سازها: SIH₄ (100 SCCM) + C₃H₈ (50 SCCM)

شرایط رشد:

- دما: 1.500-1،800 درجه سانتیگراد

- فشار: 100-200 MBAR

- نرخ رشد: 10-50μm/ساعت

برنامه ها:

- لایه های ضخامت 10 میکرومتر برای MOSFET 1.2kV

- لایه های 100μm برای IGBT 10 کیلو ولت

برنامه های صنعتی توسط بخش

الکترونیک انرژی و برق

- اینورترهای کشش Tesla مدل 3 از 48 MOSFET SIC استفاده می کنند و تلفات را 75 ٪ کاهش می دهند

- ماژول های SIC 3300 ولت 99 ٪ راندمان را در اینورترهای خورشیدی فعال می کنند

سیستم های زرهی پیشرفته

- کامپوزیت های B₄C-SIC (70 ٪ SIC) دور API 14.5 میلی متر را با 18 کیلوگرم در M⊃2 متوقف کنید. تراکم

اجزای هوافضا

- موتورهای GE9X از کفپوش های توربین CMC SIC/SIC استفاده می کنند و هوای خنک کننده را 30 ٪ کاهش می دهند

تولید نیمه هادی

- ویفرهای SIC 200 میلی متر با <10⊃3 ؛ cm⊃2 ؛ تراکم نقص (نقشه راه گرگ 2024)

-ایستگاه های پایه 5G از تراشه های RF GAN-ON-SIC استفاده می کنند (عملکرد 3-6 گیگاهرتز)

چالش های تولید و راه حل ها

راه	حل صنعت	تأثیر اقتصادی
شدت انرژی (30mww/ton)	کوره های قوس DC با 40 ٪ مصرف کمتر	سالانه 1.2 میلیون دلار در هر کوره صرفه جویی می کند
انتشار گازهای گلخانه ای (1.2 تن در تن sic)	تبدیل CO → CO₂ CO (با کمک پلاسما (راندمان 95 ٪)	مطابق با استانداردهای EU ETS
نقص کریستالی	بهینه سازی مشخصات حرارتی AI محور	میزان قراضه را از 15 ٪ به 4 ٪ کاهش می دهد

استراتژی های کاهش هزینه

- سیلیکون متالورژیکی بازیافت شده (حداکثر 50 ٪ ورودی) هزینه های مواد را کاهش می دهد

- کوره های مداوم توان را با پردازش 3 × در مقابل دسته افزایش می دهند

روندهای آینده در تولید SIC

رشد کریستال بزرگتر

- نمونه های اولیه ویفر 300 میلی متر نشان داده شد (II-VI Incorporated ، 2023)

- سیستم های PVT اصلاح شده با گرمایش چند منطقه ای به بول های 200 میلی متری دست می یابند

تولید افزودنی

اتصال اتصال دهنده با پودر sic:

- ضخامت لایه: 50μm

- پخت: 2،100 درجه سانتیگراد جو آرگون

برنامه ها:

- اتاق های محرک موشک (Surmet Corp)

- روکش سوخت هسته ای

تولید پایدار

- سیستم های ضبط Co₂ انتشار گازهای گلخانه ای را به بی کربنات سدیم تبدیل می کنند

- کوره های اچسون خورشیدی در حال توسعه (خلبان NREL 2026)

پایان

تولید کاربید سیلیکون از کوره بدوی آچسون تا کارخانه های خودکار تولید کریستال های تک 200 میلی متر تکامل یافته است. از آنجا که صنایع خواستار خلوص بالاتری (99.9995 ٪ برای نیمه هادی ها) و هزینه های پایین تر (500 دلار در هر M⊃2 ؛ هدف ویفر) هستند ، روش های ترکیبی ترکیب سنتی کربوترمال با رسوب بخار پیشرفته حاکم بر تولید نسل بعدی خواهد بود. پیش بینی می شود که بازار جهانی SIC تا سال 2030 به 10B دلار برسد ، نوآوری فرآیند مداوم بسیار مهم است. فن آوری های نوظهور مانند رشد کریستال بهینه سازی شده AI و سنتز با انرژی خورشیدی نوید می دهد که تولید SIC کارآمدتر و پایدارتر باشد.

متداول

Q1: چرا روند Acheson در تولید SIC حاکم است؟

این روش مقرون به صرفه برای تولید فله (5 دلار در هر کیلوگرم) ضمن دستیابی به خلوص 98 ٪ مناسب برای اکثر کاربردهای صنعتی فراهم می کند.

Q2: چگونه تولید کنندگان ساختار کریستال را در طول تولید کنترل می کنند؟

با تنظیم دقیق نرخ خنک کننده-خاموش شدن فرسودگی β-sic (مکعب) را ایجاد می کند ، در حالی که خنک کننده آهسته α-sic (شش ضلعی) را تشکیل می دهد.

Q3: تأثیر زیست محیطی تولید SIC چیست؟

گیاهان مدرن 85-90 ٪ از انتشار CO را ضبط می کنند و 60 ٪ آب فرآیند را از طریق سیستم های حلقه بسته بازیافت می کنند.

Q4: آیا کاربید سیلیکون می تواند سه بعدی چاپ شود؟

بله ، اتصال چسبنده پودر SIC و به دنبال آن سوختن واکنش ، هندسه های پیچیده ای را برای نازل های موشک ایجاد می کند.

Q5 چگونه یک چرخه تولید کامل طول می کشد؟

فرآیند سنتی Acheson به 56 ساعت (32 ساعت گرم کردن + 24 ساعت خنک کننده) نیاز دارد ، در حالی که رشد کریستال PVT 7-10 روز طول می کشد.

استنادها:

[1] https://www.linkedin.com/pulse/silicon-carbide-sic-industrial-criation-methods-francois-xavier-xqf7e

[2] https://www.ipsceramics.com/how-is-silicon-carbide-made/

[3] https://www.fiven.com/world-of-silicon-carbide/overview/

[4] https://www.linkedin.com/pulse/comprehent-guide-silicon-carbide-from

[5] https://www.domill.com/what-is-the-silicon-carbide-powder-making-process-flow.html

[6] https://www.sialloy.com/blog/silicon-carbide-manufacturing-process.html

[7] https://en.wikipedia.org/wiki/silicon_carbide

[8] https://materials.iisc.ac.in/~govindg/silicon_carbide_manufacture.htm

[9] https://kindle-tech.com/faqs/how-do-you-process-silicon-carbide

[10] https://www.preciseceramic.com/blog/methods-to-produce-silicon-carbide-and-their-advantages.html

[11] https://www.semicorex.com/news-show-8760.html

[12] https://www.washingtonmills.com/silicon-carbide/sic-production-process

[13] https://en.wikipedia.org/wiki/acheson_process

[14] https://www.atamanchemicals.com/silicon-carbide_u26029/

[15] https://wiredspace.wits.ac.za/bitstreams/09da15cb-8cc1-4573-b55e-b4ed15050145/download

[16] https://www.ntnu.no/blogger/teknat/en/2020/12/15/role-of-silicon-carbide-silicon-ferro-silicon-si-fesi-process/

[17] https://idw-online.de/-dhefba