Jakie są kluczowe kroki w procesie produkcji węglików krzemowych?

Menu treści

● Przegląd metod produkcji węgla krzemu

● Proces achesona: rozpad krok po kroku

>> 1. Przygotowanie surowców

>> 2. Ładowanie i konfiguracja pieca

>> 3. Reakcja w wysokiej temperaturze

>> 4. Chłodzenie i ekstrakcja

>> 5. miażdżący i ocenianie

>> 6. Oczyszczanie i kontrola jakości

● Zaawansowane techniki produkcyjne

>> Fizyczny transport pary (PVT)

>> Chemiczne osadzanie pary (CVD)

● Przetwarzanie i kształtowanie

>> Formowanie technologii

>> Postępy spiekania

● Zastosowania przemysłowe

>> Wymagania specyficzne dla sektora

● Względy środowiskowe i ekonomiczne

>> Optymalizacja energii

>> Inicjatywy recyklingu

● Przyszłe trendy w produkcji SIC

● Wniosek

● FAQ

>> 1. Dlaczego proces Achesona wykorzystuje trociny?

>> 2. Jaka jest typowa czystość Acheson-Process SIC?

>> 3. Jak długo trwa pełny cykl produkcji?

>> 4. Czy można poddać recyklingowi?

>> 5. Dlaczego CVD jest preferowany dla elektroniki?

● Cytaty:

Krzem krzemowy (SIC) stał się niezbędny w różnych branżach, od lotnictwa po półprzewodnik z powodu jego ekstremalnej twardości, stabilności termicznej i odporności chemicznej. W tym artykule bada metody produkcji przemysłowej, koncentrując się na procesie Achesona, jednocześnie obejmując również zaawansowane techniki, takie jak fizyczny transport pary (PVT) i chemiczne odkładanie pary (CVD).

Przegląd metod produkcji węgla krzemu

Dwie podstawowe metody dominują w produkcji SIC:

1. Proces achezona: tradycyjna, duża metoda wytwarzania SIC klasy ściernej.

2. Fizyczny transport pary (PVT): stosowany do pojedynczych kryształów o wysokiej czystości w elektronice.

3. Chemiczne osadzanie pary (CVD): Specjalizowane do zastosowań półprzewodników cienkowarstwowych.

Ten artykuł koncentruje się na procesie Achesona, który stanowi ponad 90% przemysłowej produkcji SIC.

Proces achesona: rozpad krok po kroku

1. Przygotowanie surowców

Proces produkcji węglików silikonowych rozpoczyna się od drobiazgowego wyboru surowca:

- Piasek krzemionkowy: pochodzący ze złoża kwarcowego, wymagające ≥99,5% czystości SiO₂.

- Źródła węgla: koks naftowy (preferowany dla niskiej zawartości popiołu) lub węgla antracytowego.

- Dodatki:

- Trocin (5–10% wagi) w celu stworzenia kanałów ucieczki gazowej.

- Chlorek sodu (2–3%) obniża temperaturę reakcji z 2600 ° C do 2400 ° C.

Nowoczesne obiekty wykorzystują spektroskopię rozpadu indukowaną laserowo (LIB) do analizy składu surowców w czasie rzeczywistym.

2. Ładowanie i konfiguracja pieca

Serce produkcji węgla krzemu leży w piecu oporowym elektrycznym:

- Projekt: prostokątna stalowa skorupa o grubości 500–1 000 mm podszewkę ogniotrwałej.

- Elektrody: pręty grafitowe (średnica 300–500 mm) zapewniają moc 100–200 V DC.

- Montaż rdzenia: sadowa czarna zmieszana z 10% spoiwa tworzy rdzeń przewodzący.

Typowa partia produkcyjna używa:

składowej	ilości	cel
Mieszanina SiO₂/C.	50–100 ton	Masa reakcyjna
Additive soli	1–2 tony	Agent strumienia
Trociny	3–5 ton	Kontrola porowatości

3. Reakcja w wysokiej temperaturze

Redukcja węgla występuje w trzech fazach:

1. Podgrzewanie (0–1,800 ° C): 12–18 godzin na odjeżdżanie substancji lotnych.

2. Faza reakcji (2100–2 500 ° C):

SIO ₂+3C → SIC +2CO ↑

CO szczyt emisji gazu przy 2,5 tony na partię.

3. Wzrost kryształów (2500–2 700 ° C): tworzenie się sześciokątnych płytek krwi α-SIC.

Zaawansowane systemy obrazowania termicznego monitorują gradienty temperatury w granicach ± ​​25 ° C.

4. Chłodzenie i ekstrakcja

Obsługa po reakcji wymaga precyzji:

- kontrolowane chłodzenie: Oczyszczanie azotu przyspiesza chłodzenie do 5–7 dni.

- Ekstrakcja strefowa: Bul zawiera odrębne regiony:

- Wewnętrzny rdzeń: Green Sic (MOHS 9.5).

- Warstwa środkowa: czarny SIC z 1–3% wolnym węglem.

- Skórka zewnętrzna: materiał nieprzereagowany (15–25% całkowitej masy).

5. miażdżący i ocenianie

Nowoczesne linie produkcyjne z węglików krzemowych zatrudniają:

- Kruszarki HPGR: wysokociśnieniowe bułki z szlifowaniem zmniejszają zużycie energii o 30% w porównaniu z kruszarkami szczęki.

- Klasyfikacja powietrza: osiąga rozkłady wielkości cząstek:

- gruboziarniste pije: siatka 12–240 (1680–53 μm).

- Popdery mikronowe: D97 ≤ 10 μm.

6. Oczyszczanie i kontrola jakości

Przetwarzanie po przetwarzaniu zapewnia spójność materialną:

- ługowanie kwasu:

- kwas hydrofluorowy (5–15%) usuwa SiO₂.

- Kwas siarkowy (20%) eliminuje zanieczyszczenia metaliczne.

- Dyfrakcja laserowa: weryfikuje rozkład wielkości cząstek.

-Analiza XRD: potwierdza zawartość β-SIC <0,5% w produktach α-SIC.

Zaawansowane techniki produkcyjne

Fizyczny transport pary (PVT)

SIC klasy półprzewodnikowej wymaga wyspecjalizowanego wzrostu:

1. Przygotowanie nasion: Wafle 4H-SIC wypolerowane do RA <0,2 nm.

2. Parametry wzrostu:

- Gradient temperatury: 15–25 ° C/cm.

- Presja: 5–50 mbar.

3. Łagodzenie wad:

- Gęstość zwichnięcia płaszczyzny podstawowej: <100 cm².

- Wady mikropipe: wyeliminowane w nowoczesnych waflach 150 mm.

Chemiczne osadzanie pary (CVD)

Do zastosowań elektronicznych:

Gazy prekursorowe:

- Krzemowe źródło: Sih₄ (5–10% w H₂).

- Źródło węgla: c₃h₈ lub ch₃sicl₃.

Stopy wzrostu:

- Wzrost masowy: 0,3–1,0 mm/h.

- Warstwy epitaksjalne: 10–50 μm/h.

Przetwarzanie i kształtowanie

Formowanie technologii

metoda gęstości	ciśnienia	osiągnięte	zastosowania
Prasowanie na sucho	50–200 MPa	60–75% TD	Cegły refrakcyjne
Zimny ​​isostatyczny	200–400 MPa	75–85% TD	Płytki zbroi
Formowanie wtryskowe	70–150 MPa	55–65% TD	Złożone geometrie

Postępy spiekania

Innowacje w produkcji węglików krzemowych obejmują:

Spiekanie w stanie stałym:

- Dodatki: B₄C + C (0,5–2,0%).

- Temperatura: 2100–2 200 ° C.

Spiekanie w fazie cieczy:

- Al₂o₃-y₂o₃ strumienie umożliwiają zagęszczenie w temperaturze 1 850–1,950 ° C.

Zastosowania przemysłowe

Wymagania specyficzne dla sektora

Studium przypadku: falownik Tesli Model 3 wykorzystuje 24 MOSFET SIC, zmniejszając straty mocy o 75% w porównaniu do SI IgBT.

Względy środowiskowe i ekonomiczne

Optymalizacja energii

Nowoczesne zakłady produkcyjne z węglików krzemowych:

- Odzyskiwanie ciepła odpadów: 40–50% ciepła pieca przekształcone w energię pary.

- Piece łukowe DC: Zmniejsz zużycie energii do 6–8 kWh/kg.

Inicjatywy recyklingu

Systemy zamkniętej pętli odzyskują:

- 92–95% piasku ściernego poprzez rozdział hydrocyklonu.

- 70% pieca Off-GAS CO do syntezy metanolu.

Przyszłe trendy w produkcji SIC

1. Większy wzrost kryształów: produkcja wafla 200 mm do 2026 r.

2. Produkcja addytywna: napięcie spoiwa komponentów SIC o gęstości 99,3%.

3. Integracja AI: Uczenie maszynowe przewiduje optymalne parametry pieca z dokładnością 94%.

Wniosek

Proces produkcji węglików krzemowych łączy stuletnie zasady z najnowocześniejszymi innowacjami. Podczas gdy proces Achesona pozostaje dominujący dla produkcji masowej, PVT i CVD umożliwiają zaawansowane zastosowania w elektronice energetycznej. Przyszłe postępy w projektowaniu pieca, recyklingu i cyfryzacji jeszcze bardziej umocnią rolę SIC jako krytycznego materiału dla ekstremalnych środowisk, a globalny rynek SIC osiągnie 1028,6 miliarda dolarów do 2028 r.

FAQ

1. Dlaczego proces Achesona wykorzystuje trociny?

Trocain pali podczas ogrzewania, tworząc kanały ucieczki gazu, które zapobiegają gromadzeniu ciśnienia i poprawiają jednorodność reakcji.

2. Jaka jest typowa czystość Acheson-Process SIC?

Klasy komercyjne osiągają 98–99,5% czystości, podczas gdy warianty umyte kwasem przekraczają 99,9%.

3. Jak długo trwa pełny cykl produkcji?

Od surowców po końcowy proszek: 15–20 dni (w tym 7–10 dni chłodzenia).

4. Czy można poddać recyklingowi?

Tak - do 40% odpadów z szlifowania jest odzyskiwane przez kruszenie i separacja magnetyczna.

5. Dlaczego CVD jest preferowany dla elektroniki?

CVD osiąga gęstość wad <1 cm² w porównaniu z 10⊃3; –10⁴ cm² W kryształach PVT.

Cytaty:

[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/comprehensive-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.xinlibrasive.com/production-process-of-la-black-silicon-carbide.html

[8] https://www.semi-cera.com/news/silicon-carbide-pafer-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/manufuring-process-production-flow-silicon-carbide-saggars-l57ic

[14] https://www.crystac.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-process/

[17] https://newsroom.st.com/media-cocenter/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-funtest-200mm-silicon-carbide-fab-enabling-highly-antipated-device-production/

[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-a-right-future/