Melyek a legfontosabb lépések a szilícium -karbid -előállítási folyamatban?

Tartalommenü

● A szilícium -karbid -előállítási módszerek áttekintése

● Az Acheson folyamat: lépésről lépésre történő bontás

>> 1. Alapanyag -előkészítés

>> 2. Kemence betöltése és konfigurációja

>> 3. Magas hőmérsékleti reakció

>> 4. Hűtés és extrakció

>> 5. Zúzás és osztályozás

>> 6. Tisztítás és minőség -ellenőrzés

● Fejlett gyártási technikák

>> Fizikai gőz szállítás (Pvt)

>> Kémiai gőzlerakódás (CVD)

● Utófeldolgozás és formázás

>> Technológiák kialakítását

>> A szinterezési fejlemények

● Ipari alkalmazások

>> Ágazat-specifikus követelmények

● Környezeti és gazdasági szempontok

>> Energia optimalizálás

>> Újrahasznosítási kezdeményezések

● A SIC gyártás jövőbeli trendei

● Következtetés

● GYIK

>> 1. Miért használja az Acheson folyamat fűrészporot?

>> 2. Mi a tipikus tisztaság az Acheson-Process SIC-nek?

>> 3. Mennyi ideig tart egy teljes termelési ciklus?

>> 4. Újrahasznosítható -e a SIC?

>> 5. Miért részesítik előnyben a CVD -t az elektronikában?

● Idézetek:

A szilícium -karbid (SIC) nélkülözhetetlenné vált az iparágakban, kezdve az űrhajótól a félvezetőkig, szélsőséges keménysége, hőstabilitása és kémiai ellenállása miatt. Ez a cikk feltárja az ipari termelési módszereket, amelyek az Acheson folyamatára összpontosítanak, miközben olyan fejlett technikákat is lefednek, mint a fizikai gőz szállítás (PVT) és a kémiai gőzlerakódás (CVD).

A szilícium -karbid -előállítási módszerek áttekintése

Két elsődleges módszer uralja a SIC gyártását:

1. Acheson folyamat: a tradicionális, nagyszabású módszer a csiszoló minőségű SIC előállítására.

2. Fizikai gőz szállítás (PVT): A nagy tisztaságú egykristályokhoz használják az elektronikában.

3. Kémiai gőzlerakódás (CVD): A vékony film félvezető alkalmazásokra szakosodott.

Ez a cikk az Acheson folyamatra összpontosít, amely az ipari SIC termelés több mint 90% -át teszi ki.

Az Acheson folyamat: lépésről lépésre történő bontás

1. Alapanyag -előkészítés

A szilícium -karbid -előállítási folyamat aprólékos nyersanyagválasztással kezdődik:

- Szilícium -dioxid -homok: kvarc lerakódásokból származik, ≥99,5% Sio₂ tisztaságot igényel.

- Szénforrások: kőolajkoksz (az alacsony hamutartalomhoz részesülve) vagy az antracitszén.

- Adalékanyagok:

- Fűrészpor (súly szerint 5–10%) a gázkúpos csatornák létrehozásához.

- A nátrium -klorid (2–3%) csökkenti a reakcióhőmérsékletet 2600 ° C -ról 2400 ° C -ra.

A modern létesítmények lézer által indukált bontási spektroszkópiát (LIB) használnak a nyersanyagok valós idejű összetételének elemzéséhez.

2. Kemence betöltése és konfigurációja

A szilícium -karbidtermelés szíve az elektromos ellenállás kemencében rejlik:

- Tervezés: téglalap alakú acélhéj 500–1000 mm vastag tűzálló béléssel.

- Elektródák: Grafitrudak (300–500 mm átmérőjű) 100–200 V DC teljesítményt szállítanak.

- Mag szerelvény: A szénfekete 10% -os kötőanyaggal keverve képezi a vezetőképes magot.

Egy tipikus gyártási tétel használja:

összetevő	mennyiségi	cél
Sio₂/c keverék	50–100 tonna	Reakciósömeg
Só -adalékanyag	1–2 tonna	Fluxus ágens
Fűrészpor	3–5 tonna	Porozitásszabályozás

3. Magas hőmérsékleti reakció

A karbotermikus redukció három szakaszban fordul elő:

1. Előmelegítés (0–1 800 ° C): 12–18 óra az illékony anyagok kikapcsolásához.

2. reakciófázis (2100–2 500 ° C):

SIO ₂+3C → SIC +2CO ↑

A CO gázkibocsátási csúcsok 2,5 tonna / tonna.

3. Kristálynövekedés (2500–2,700 ° C): α-SIC hatszögletű vérlemezkék formája.

A fejlett termikus képalkotó rendszerek figyeljék a hőmérsékleti gradienseket ± 25 ° C -on.

4. Hűtés és extrakció

A reakció utáni kezelés pontosságot igényel:

- Kontrollált hűtés: A nitrogén tisztítása 5–7 napra gyorsítja a hűtést.

- Zonális extrakció: A Boule különálló régiókat tartalmaz:

- Belső mag: nagy tisztaságú zöld SIC (Mohs 9.5).

- Középréteg: Fekete SIC 1–3% -os szabad szén.

- Külső kéreg: Nem reagált anyag (a teljes tömeg 15–25% -a).

5. Zúzás és osztályozás

A modern szilícium -karbid gyártóságai alkalmazzák:

- HPGR-összetörők: A nagynyomású csiszolóhengerek 30% -os VS állkapocs-zúzókkal csökkentik az energiafelhasználást.

- Levegő osztályozás: A részecskeméret eloszlását eléri:

- Durva szemcsék: 12–240 háló (1,680–53 μm).

- Mikron porok: D97 ≤ 10 μm.

6. Tisztítás és minőség -ellenőrzés

Az utófeldolgozás biztosítja az anyagkonzisztenciát:

- savas kimosás:

- A hidrofluorinsav (5–15%) eltávolítja a SIO₂ -t.

- A kénsav (20%) kiküszöböli a fém szennyeződéseket.

- Lézeres diffrakció: Ellenőrzi a részecskeméret eloszlását.

-XRD elemzés: Megerősíti a β-SIC tartalmat <0,5% α-SIC termékekben.

Fejlett gyártási technikák

Fizikai gőz szállítás (Pvt)

A félvezető minőségű SIC speciális növekedést igényel:

1. vetőmag-előkészítés: 4H-SIC ostyák RA-ra csiszoltak, <0,2 nm.

2. Növekedési paraméterek:

- Hőmérsékleti gradiens: 15–25 ° C/cm.

- Nyomás: 5–50 mbar.

3. Hibás enyhítés:

- Bazális sík diszlokációs sűrűség: <100 cm².

- Mikropipe hibák: A modern 150 mm -es ostyákban eltávolítva.

Kémiai gőzlerakódás (CVD)

Teljesítmény -elektronikai alkalmazásokhoz:

Prekurzor gázok:

- Szilíciumforrás: SIH₄ (5–10% H₂ -ben).

- Szénforrás: c₃h₈ vagy ch₃sicl₃.

Növekedési ütem:

- Ömlesztett növekedés: 0,3–1,0 mm/óra.

- Epitaxiális rétegek: 10–50 μm/óra.

Utófeldolgozás és formázás

A technológiák kialakításának

módszerének	nyomása	sűrűség elért	alkalmazások
Szárazprés	50–200 MPa	60–75% TD	Tűzálló téglák
Hideg izosztatikus	200–400 MPa	75–85% TD	Páncélcsempék
Fröccsöntés	70–150 MPa	55–65% TD	Összetett geometriák

A szinterezési fejlemények

A szilícium -karbid -termelés innovációi a következők:

Szilárdtest-szinterelés:

- Adalékanyagok: B₄C + C (0,5–2,0%).

- Hőmérséklet: 2100–2200 ° C.

Folyékony fázisú szinterelés:

- Al₂o₃-y₂o₃ fluxusok lehetővé teszik a sűrűsítést 1,850–1,950 ° C-on.

Ipari alkalmazások

Ágazat-specifikus követelmények

Esettanulmány: A Tesla 3. Model Inverter 24 SIC MOSFET -et használ, ami 75% -kal csökkenti az energiaveszteséget az SI IGBT -khez képest.

Környezeti és gazdasági szempontok

Energia optimalizálás

A modern szilícium -karbid -termelési létesítmények megvalósítják:

.

- DC ARC kemencék: Csökkentse az energiafogyasztást 6–8 kWh/kg -ra.

Újrahasznosítási kezdeményezések

Zárt hurkú rendszerek helyreállítása:

- A csiszoló szemcsék 92–95% -a hidrociklon elválasztással.

- 70% kemence off-out-gáz CO metanol szintéziséhez.

A SIC gyártás jövőbeli trendei

1. Nagyobb kristálynövekedés: 200 mm -es ostyaverés 2026 -ra.

2. Additív gyártás: SIC alkatrészek kötőanyag -sugárzása 99,3% -os sűrűséggel.

3. AI integráció: A gépi tanulás előrejelzi az optimális kemence paramétereket 94% -os pontossággal.

Következtetés

A szilícium-karbid-termelési folyamat ötvözi a századi alapelveket a legmodernebb innovációkkal. Míg az Acheson folyamat továbbra is domináns az ömlesztett termelésnél, addig a PVT és a CVD lehetővé teszi a fejlett alkalmazásokat a Power Electronics -ban. A kemence tervezésében, az újrahasznosításban és a digitalizálásban a jövőbeni fejlődés tovább erősíti a SIC szerepét a szélsőséges környezet kritikus anyagának, mivel a globális SIC -piac várhatóan 2028 -ra eléri a 10,6 milliárd dollárt.

GYIK

1. Miért használja az Acheson folyamat fűrészporot?

A fűrészpor égési sérülések fűtés közben, olyan gáz menekülési csatornákat hozva létre, amelyek megakadályozzák a nyomás felhalmozódását és javítják a reakció egységességét.

2. Mi a tipikus tisztaság az Acheson-Process SIC-nek?

A kereskedelmi osztályok elérik a 98–99,5% tisztaságot, míg a savmosott variánsok meghaladják a 99,9% -ot.

3. Mennyi ideig tart egy teljes termelési ciklus?

A nyersanyagoktól a végső porig: 15–20 nap (beleértve a 7–10 napos hűtést).

4. Újrahasznosítható -e a SIC?

Igen - az őrlési kerékhulladék akár 40% -át a zúzás és a mágneses elválasztás révén visszanyerik.

5. Miért részesítik előnyben a CVD -t az elektronikában?

A CVD hibás sűrűség <1 cm² versus 10⊃3; –10⁴ cm² Pvt kristályokban.

Idézetek:

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

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

[3] https://materials.iisc.ac.in/~govindg/silicon_carbide_manufacure.htm

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

[5] https://www.linkedin.com/pulse/production-process-silicon-carbide-Wrstc

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

[7] https://www.xinliabrasive.com/production-process-oflack-silicon-carbide.html

[8] https://www.semi-cera.com/news/silicon-carbide-wafer-production-process/

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

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

[11] https://www.azom.com/article.aspx?articleId=3271

[12] https://patents.google.com/patent/us20140315373a1/en

[13] https://www.linedin.com/pulse/manufacture-productuction-flow-silicon-carbide-saggars-l57ic

[14] https://www.crystec.com/crysice.htm

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

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

[17] https://newsroom.st.com/media-center/press-item.html/c3262.html

[18] https://www.matek.com/en-global/tech_article/detail/all/all/202205-iar

[19] https://www.wolfspeed.com/company/news-events/news/wolfspeed-opens-the-worlds-largest-200mm-silicon-carbide-fab-enabling-Highly-várt-Device-production/

[20] https://wiredspace.wits.ac.za/bitstreams/09da15cb-8cc1-4573-b55e-b4ed150145/download

[21] https://www.sglcarbon.com/en/newsroom/stories/why-silicon-carbide-semicoductors-have--have--have-future/