Výhody karbidu kremíka

Karbid kremíka je umelá zlúčenina kremíka a uhlíka, ktorá má výnimočné elektrické a tepelne odolné vlastnosti.

Odolnosť voči teplotným šokom robí tento materiál ideálnym na použitie vo výkonových polovodičoch a infraštruktúre nabíjania elektrických vozidiel, ktoré zabezpečujú prechodné mechanické zaťaženie spôsobené náhlymi zmenami teploty. Táto vlastnosť z neho robí ideálnu voľbu materiálu, keď sa zvažuje odolnosť proti teplotným šokom ako požiadavka na použitie.

Vysoká tepelná vodivosť

Vysoká tepelná vodivosť kremíkovo-karbidových (SiC) doštičiek z nich robí hlavného kandidáta pre elektronické zariadenia, ktoré pracujú pri vysokej teplote aj napätí, ako sú výkonové polovodiče používané v elektrických vozidlách alebo technológii 5G, či vysokorýchlostné senzory. Schopnosť odolávať náročným podmienkam, aké sa vyskytujú v leteckom a kozmickom priemysle, odlišuje SiC od iných materiálov na výrobu doštičiek.

Výroba SiC doštičiek si vyžaduje niekoľko kritických krokov. Najprv sa monokryštálové ingoty rozrežú na tenké plátky pomocou presnej píly. Potom sa tieto plátky podrobia chemickej a mechanickej úprave, aby sa dosiahol jednotný povrch a hrúbka, a potom slúžia ako základ pre fotolitografiu, leptanie a depozičné procesy, ktoré vytvárajú polovodičové zariadenia.

Inžinierstvo a výskum sú v tomto procese nevyhnutné, najmä preto, že karbid kremíka je oveľa tvrdší ako jeho kremíkový ekvivalent, a preto jeho rezanie trvá podstatne dlhšie ako rezanie jeho ekvivalentu kremíkovej guľôčky. Metódy krájania sa preto musia starostlivo kalibrovať.

V súčasnosti je k dispozícii viacero metód na výrobu vysokokvalitných SiC doštičiek. Jednou z takýchto metód je laserové rezanie; tento prístup sa osvedčil najmä pri veľkých a tvrdých materiáloch, ako je SiC; tento proces však môže byť drahý a jeho úspešná realizácia si vyžaduje značné technické úsilie.

Vysoká odolnosť voči tepelným šokom

Karbid kremíka spôsobuje revolúciu vo výkonovej elektronike. Vďaka svojej schopnosti odolávať vysokým teplotám a napätiam sa tieto doštičky stali základnými komponentmi elektrických vozidiel a systémov obnoviteľných zdrojov energie. Ich široký pásový odstup im umožňuje pracovať s vyššími frekvenciami ako tradičné polovodičové materiály.

SiC je extrémne tvrdý keramický materiál, ktorý je navrhnutý tak, aby odolával extrémnym teplotám a zároveň odolával chemickým vplyvom, čo z neho robí ideálny materiál na použitie v periférnych ohrievačoch a polovodičových peciach. Okrem toho jeho odolnosť voči teplotným šokom pomáha obmedziť poškodenie spôsobené náhlymi zmenami teploty.

Karbid kremíka ponúka viac ako len odolnosť voči tepelným šokom; môže sa pochváliť aj nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti, čo znamená, že jeho rozťahovanie a zmršťovanie prebieha približne rovnakou rýchlosťou, čím sa zachovávajú jeho rozmery v extrémnych podmienkach. Vďaka tejto vlastnosti je karbid kremíka ideálny na výrobu malých zariadení, ktoré obsahujú viac tranzistorov na jednom čipe.

Materiál karbidu kremíka sa môže vyrábať buď spekaním elektrickým oblúkom pri vysokých teplotách vo vákuovej peci, alebo chemickým naparovaním (CVD), pri ktorom sa špecializované plyny dostávajú do vákuového prostredia a spájajú sa za vzniku kubických kryštálov karbidu kremíka, ktoré sa potom nanášajú na substráty pomocou suspenzie alebo diamantových nástrojov.

Stabilita pri vysokých teplotách

Karbid kremíka má výnimočné elektrické a tepelné vlastnosti, ktoré z neho robia ideálny materiál pre aplikácie výkonovej elektroniky. Ich široký pásový odstup im umožňuje odolávať vyšším teplotám a napätiam ako iné polovodičové materiály; okrem toho ich vysoká pohyblivosť elektrónov im umožňuje efektívnejšie spracúvať väčšie prúdy, čo vedie k rýchlejšej odozve a vyššej hustote energie.

Výroba SiC doštičiek sa začína s monokryštálovými ingotmi vysoko čistého zafíru, germánia alebo kremíka. Po narezaní na tenké plátky presnou pílou tieto ingoty prejdú niekoľkými chemickými a mechanickými procesmi, aby sa dosiahol rovný a hladký povrch, ktorý slúži ako plátno, na ktorom sa budú formovať zariadenia, ako je fotolitografia, leptanie a nanášanie.

Karbid kremíka je chemická zlúčenina zložená z čistého kremíka a uhlíka, ktorá môže byť dopovaná dusíkom alebo fosforom na výrobu polovodičov typu n alebo gáliom, hliníkom alebo bórom na výrobu polovodičov typu p. Vďaka svojej odolnosti voči korózii, nízkej teplote topenia a tepelnej stabilite sa PEEK môže využívať v mnohých priemyselných aplikáciách - od podstavcov a lopatiek na podnosy pre polovodičové pece až po podstavce a lopatky na podnosy používané ako mechanizmy na prenos plátkov. Výnimočná pevnosť a odolnosť karbidu kremíka z neho robí ideálny materiál na použitie v zariadeniach na reguláciu teploty a napätia, ako sú termistory a varistory. Okrem toho tento vysoko odolný materiál dobre znáša vystavenie žiareniu, ako aj chemické útoky - vlastnosti, ktoré viedli k jeho širokému rozšíreniu v energetických aplikáciách, ako sú elektrické autá a nabíjacia infraštruktúra.

Vysoká odolnosť

Karbid kremíka odoláva extrémnym teplotám a napätiam, čo z neho robí vynikajúcu voľbu pre elektronické zariadenia, ktoré potrebujú vysoký výkon v náročných prostrediach, ako sú elektrické vozidlá, premena solárnej energie, bezdrôtové technológie 5G alebo letecká elektronika.

Dosky z karbidu kremíka (SiC) sa vyrábajú z monokryštalických ingotov zafíru, germánia alebo kremíka, ktoré sa pomocou presných píl rozrežú na dosky. Po vyleštení a úprave pomocou chemických a mechanických procesov na dosiahnutie rovnomerného povrchu a rovnomernej hrúbky sa SiC doštičky stávajú ideálnymi kandidátmi na spracovanie fotolitografiou, leptaním alebo procesmi nanášania.

Obrúsky SiC sú počas výroby vystavené silnému namáhaniu a otrasom. Vzhľadom na krehkosť tohto materiálu sa pri manipulácii s ním musia dodržiavať bezpečnostné opatrenia, napríklad pracovníci by mali nosiť ochranné prostriedky, aby sa zabránilo vdýchnutiu prachu a kontaminácii.

SiC je širokopásmový polovodičový materiál, ktorý v porovnaní s bežnými zariadeniami na báze kremíka ponúka vynikajúce teplotné a frekvenčné parametre. Vďaka tomu je SiC atraktívnym materiálom pre spoločnosti ako ON Semiconductor (ON) a Wolfspeed (WOLF), ktoré vyrábajú výkonové polovodiče na substrátoch z karbidu kremíka.

Kvalitné doštičky zohrávajú zásadnú úlohu pri ich vhodnosti na rôzne aplikácie. Triedenie plátkov z karbidu kremíka - Prime a Research - stanovuje prahové hodnoty výkonu, ktoré musia dosiahnuť, aby pomohli inžinierom dosiahnuť požadované výsledky. Platničky triedy Prime sa môžu pochváliť nízkou hustotou defektov a hustotou mikrotrubičiek, čo zaručuje minimálne nedokonalosti, ktoré by mohli napríklad zmeniť funkčnosť zariadenia.