Apa langkah -langkah kunci dalam proses produksi silikon karbida?

Menu konten

● Tinjauan Metode Produksi Silikon Karbida

● Proses Acheson: Breakdown Langkah-demi-Langkah

>> 1. Persiapan bahan baku

>> 2. Pemuatan dan Konfigurasi Tungku

>> 3. Reaksi suhu tinggi

>> 4. Pendinginan dan ekstraksi

>> 5. Crushing and Grading

>> 6. Kontrol Pemurnian dan Kualitas

● Teknik manufaktur canggih

>> Transportasi Uap Fisik (PVT)

>> Deposisi Uap Kimia (CVD)

● Pasca-pemrosesan dan pembentukan

>> Membentuk teknologi

>> Kemajuan sintering

● Aplikasi Industri

>> Persyaratan khusus sektor

● Pertimbangan Lingkungan dan Ekonomi

>> Optimalisasi Energi

>> Inisiatif daur ulang

● Tren masa depan dalam manufaktur SIC

● Kesimpulan

● FAQ

>> 1. Mengapa proses Acheson menggunakan serbuk gergaji?

>> 2. Apa kemurnian khas Acheson-Process sic?

>> 3. Berapa lama siklus produksi penuh?

>> 4. Bisakah sic didaur ulang?

>> 5. Mengapa CVD lebih disukai untuk elektronik?

● Kutipan:

Silicon carbide (sic) telah menjadi sangat diperlukan di seluruh industri mulai dari kedirgantaraan hingga semikonduktor karena kekerasan ekstrem, stabilitas termal, dan ketahanan kimia. Artikel ini mengeksplorasi metode produksi industri, dengan fokus pada proses Acheson, sementara juga mencakup teknik canggih seperti Transportasi Uap Fisik (PVT) dan Chemical Vapor Deposition (CVD).

Tinjauan Metode Produksi Silikon Karbida

Dua metode utama mendominasi manufaktur SIC:

1. Proses Acheson: Metode tradisional, skala besar untuk memproduksi sic tingkat abrasif.

2. Transportasi Uap Fisik (PVT): Digunakan untuk kristal tunggal dengan kemurnian tinggi dalam elektronik.

3. Chemical Vapor Deposition (CVD): Khusus untuk aplikasi semikonduktor film tipis.

Artikel ini berfokus pada proses Acheson, yang menyumbang lebih dari 90% produksi SIC industri.

Proses Acheson: Breakdown Langkah-demi-Langkah

1. Persiapan bahan baku

Proses produksi silikon karbida dimulai dengan pemilihan bahan baku yang cermat:

- Silica Sand: Sumber dari endapan kuarsa, membutuhkan ≥99,5% kemurnian SiO₂.

- Sumber karbon: Coke minyak bumi (lebih disukai untuk kadar abu rendah) atau batubara antrasit.

- Aditif:

- Serbuk gergaji (5-10% berat) untuk membuat saluran pelarian gas.

- Sodium klorida (2-3%) menurunkan suhu reaksi dari 2.600 ° C hingga 2.400 ° C.

Fasilitas modern menggunakan spektroskopi kerusakan yang diinduksi laser (LIBS) untuk analisis komposisi real-time bahan baku.

2. Pemuatan dan Konfigurasi Tungku

Jantung produksi silikon karbida terletak di tungku resistensi listrik:

- Desain: Shell baja persegi panjang dengan lapisan refraktori setebal 500–1,000mm.

- Elektroda: Batang grafit (diameter 300–500mm) memberikan daya 100–200V DC.

- Rakitan inti: karbon hitam dicampur dengan 10% pengikat membentuk inti konduktif.

Batch Produksi Khas Penggunaan:

Komponen	Kuantitas	Tujuan
Campuran sio₂/c	50–100 ton	Massa reaksi
Aditif garam	1–2 ton	Agen fluks
Serbuk gergaji	3–5 ton	Kontrol porositas

3. Reaksi suhu tinggi

Pengurangan karbotermal terjadi dalam tiga fase:

1. Panaskan (0–1.800 ° C): 12–18 jam untuk mengendarai volatil.

2. Fase reaksi (2.100–2.500 ° C):

SIO ₂+3C → SIC +2CO ↑

Puncak emisi gas CO pada 2,5 ton per batch.

3. Pertumbuhan kristal (2.500-2.700 ° C): bentuk heksagonal α-SIC.

Sistem pencitraan termal canggih memantau gradien suhu dalam ± 25 ° C.

4. Pendinginan dan ekstraksi

Penanganan pasca-reaksi membutuhkan presisi:

- Pendinginan terkontrol: Pembersihan nitrogen mempercepat pendinginan hingga 5-7 hari.

- Ekstraksi Zonal: Boule berisi daerah yang berbeda:

- Inti bagian dalam: SIC hijau kemurnian tinggi (MOHS 9.5).

- Lapisan tengah: SIC hitam dengan karbon bebas 1-3%.

- Kerak luar: Bahan yang tidak bereaksi (15–25% dari total massa).

5. Crushing and Grading

Jalur produksi silikon karbida modern mempekerjakan:

- HPGR Crushers: Gulungan penggilingan bertekanan tinggi mengurangi penggunaan energi sebesar 30% vs jawang jaw.

- Klasifikasi udara: mencapai distribusi ukuran partikel dari:

- Bubur jagung kasar: 12–240 mesh (1.680–53 μm).

- Bubuk mikron: D97 ≤ 10 μm.

6. Kontrol Pemurnian dan Kualitas

Pasca pemrosesan memastikan konsistensi material:

- pencucian asam:

- Asam Hydrofluoric (5–15%) menghilangkan SiO₂.

- Asam sulfat (20%) menghilangkan kotoran logam.

- Difraksi laser: Memverifikasi distribusi ukuran partikel.

-Analisis XRD: Mengonfirmasi konten β-SIC <0,5% dalam produk α-SIC.

Teknik manufaktur canggih

Transportasi Uap Fisik (PVT)

SIC kelas semikonduktor membutuhkan pertumbuhan khusus:

1. Persiapan Benih: Wafer 4H-SIC dipoles menjadi Ra <0,2nm.

2. Parameter pertumbuhan:

- Gradien suhu: 15–25 ° C/cm.

- Tekanan: 5–50 mbar.

3. Mitigasi Cacat:

- Kepadatan dislokasi bidang basal: <100 cm².

- Cacat micropipe: Dieliminasi dalam wafer 150mm modern.

Deposisi Uap Kimia (CVD)

Untuk aplikasi elektronik daya:

Gas Prekursor:

- Sumber Silikon: SIH₄ (5–10% dalam H₂).

- Sumber karbon: c₃h₈ atau ch₃sicl₃.

Tingkat Pertumbuhan:

- Pertumbuhan curah: 0,3–1,0 mm/jam.

- Lapisan epitaxial: 10–50 μm/jam.

Pasca-pemrosesan dan pembentukan

Membentuk Teknologi

Metode Kepadatan	Tekanan	yang dicapai	Aplikasi
Tekan kering	50–200 MPa	60-75% TD	Batu bata refraktori
Isostatik dingin	200–400 MPa	75–85% TD	Ubin baju besi
Cetakan injeksi	70–150 MPa	55-65% TD	Geometri kompleks

Kemajuan sintering

Inovasi dalam produksi silikon karbida meliputi:

Sintering solid-state:

- Aditif: B₄C + C (0,5-2,0%).

- Suhu: 2.100–2.200 ° C.

Sintering fase cair:

- Al₂o₃-y₂o₃ fluks memungkinkan densifikasi pada 1.850–1.950 ° C.

Aplikasi Industri

Persyaratan khusus sektor

Studi Kasus: Inverter Model 3 Tesla menggunakan 24 SIC MOSFET, mengurangi kehilangan daya sebesar 75% dibandingkan dengan IGBT SI.

Pertimbangan Lingkungan dan Ekonomi

Optimalisasi Energi

Implementitas Fasilitas Produksi Silikon Karbida Modern:

- Pemulihan panas limbah: 40–50% panas tungku yang dikonversi menjadi daya uap.

- DC Arc Furnace: Mengurangi konsumsi energi menjadi 6–8 kWh/kg.

Inisiatif daur ulang

Sistem loop tertutup pulih:

- 92–95% grit abrasif melalui pemisahan hidrosiklon.

- 70% tungku off-gas CO untuk sintesis metanol.

Tren masa depan dalam manufaktur SIC

1. Pertumbuhan kristal yang lebih besar: Produksi wafer 200mm pada tahun 2026.

2. Pabrikan Aditif: Pengikat pengikat komponen SIC dengan kepadatan 99,3%.

3. AI Integrasi: Pembelajaran mesin memprediksi parameter tungku optimal dengan akurasi 94%.

Kesimpulan

Proses produksi silikon karbida menggabungkan prinsip-prinsip berusia seabad dengan inovasi mutakhir. Sementara proses Acheson tetap dominan untuk produksi massal, PVT dan CVD memungkinkan aplikasi canggih dalam elektronik daya. Kemajuan di masa depan dalam desain tungku, daur ulang, dan digitalisasi akan semakin memperkuat peran SIC sebagai bahan penting untuk lingkungan yang ekstrem, dengan pasar SIC global yang diproyeksikan mencapai $ 10,6 miliar pada tahun 2028.

FAQ

1. Mengapa proses Acheson menggunakan serbuk gergaji?

Serbuk gergaji terbakar selama pemanasan, menciptakan saluran pelepasan gas yang mencegah penumpukan tekanan dan meningkatkan keseragaman reaksi.

2. Apa kemurnian khas Acheson-Process sic?

Nilai komersial mencapai kemurnian 98-99,5%, sedangkan varian yang dicuci asam melebihi 99,9%.

3. Berapa lama siklus produksi penuh?

Dari bahan baku ke bubuk akhir: 15–20 hari (termasuk pendinginan 7-10 hari).

4. Bisakah sic didaur ulang?

Ya - hingga 40% limbah roda gerinda direklamasi melalui penghancuran dan pemisahan magnetik.

5. Mengapa CVD lebih disukai untuk elektronik?

CVD mencapai kepadatan cacat <1 cm² versus 10⊃3; –10⁴ cm² dalam kristal PVT.

Kutipan:

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

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

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

[4] https://www.linkedin.com/pulse/compehensive-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-of-back-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.linkedin.com/pulse/manufacturing-process-production-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-si-fesi-pocess/

[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-abling-highly-de-device-poduction/

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

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