El carbur de silici (SiC) és un compost remarcable que es pot trobar tant a la indústria dels semiconductors com als productes ceràmics avançats. Això sovint genera confusió entre els lectors no professionals, que poden confondre'ls amb el mateix tipus de producte. En realitat, tot i compartir una composició química idèntica, el SiC es manifesta com a ceràmica avançada resistent al desgast o com a semiconductors d'alta eficiència, i juga un paper completament diferent en les aplicacions industrials. Existeixen diferències significatives entre els materials de SiC de grau ceràmic i de grau semiconductor pel que fa a l'estructura cristal·lina, els processos de fabricació, les característiques de rendiment i els camps d'aplicació.
- Requisits de puresa divergents per a matèries primeres
El SiC de grau ceràmic té uns requisits de puresa relativament moderats per a la seva matèria primera en pols. Normalment, els productes de grau comercial amb una puresa del 90%-98% poden satisfer la majoria de les necessitats de les aplicacions, tot i que les ceràmiques estructurals d'alt rendiment poden requerir una puresa del 98%-99,5% (per exemple, el SiC enllaçat per reacció requereix un contingut controlat de silici lliure). Tolera certes impureses i de vegades incorpora intencionadament ajudes de sinterització com l'òxid d'alumini (Al₂O₃) o l'òxid d'itri (Y₂O₃) per millorar el rendiment de sinterització, reduir les temperatures de sinterització i millorar la densitat del producte final.
El SiC de grau semiconductor exigeix nivells de puresa gairebé perfectes. El SiC monocristall de grau substrat requereix una puresa ≥99,9999% (6N), i algunes aplicacions d'alta gamma necessiten una puresa de 7N (99,99999%). Les capes epitaxials han de mantenir concentracions d'impureses per sota de 10¹⁶ àtoms/cm³ (especialment evitant impureses de nivell profund com B, Al i V). Fins i tot traces d'impureses com el ferro (Fe), l'alumini (Al) o el bor (B) poden afectar greument les propietats elèctriques causant dispersió de portadors, reduint la intensitat del camp de ruptura i, en última instància, comprometent el rendiment i la fiabilitat del dispositiu, cosa que requereix un control estricte de les impureses.
Material semiconductor de carbur de silici
- Estructures cristal·lines diferents i qualitat
El SiC de grau ceràmic existeix principalment com a pols policristal·lina o cossos sinteritzats compostos per nombrosos microcristalls de SiC orientats aleatòriament. El material pot contenir múltiples politipus (per exemple, α-SiC, β-SiC) sense un control estricte sobre politipus específics, amb èmfasi en la densitat i uniformitat generals del material. La seva estructura interna presenta abundants límits de gra i porus microscòpics, i pot contenir ajudes de sinterització (per exemple, Al₂O₃, Y₂O₃).
El SiC de grau semiconductor ha de ser substrats monocristallins o capes epitaxials amb estructures cristal·lines altament ordenades. Requereix politipus específics obtinguts mitjançant tècniques de creixement de cristalls de precisió (per exemple, 4H-SiC, 6H-SiC). Les propietats elèctriques com la mobilitat dels electrons i el bandgap són extremadament sensibles a la selecció de politips, cosa que requereix un control estricte. Actualment, el 4H-SiC domina el mercat a causa de les seves propietats elèctriques superiors, inclosa l'alta mobilitat dels portadors i la força del camp de ruptura, cosa que el fa ideal per a dispositius d'alimentació.
- Comparació de la complexitat del procés
El SiC de grau ceràmic utilitza processos de fabricació relativament senzills (preparació de pols → conformació → sinterització), anàlegs a la "fabricació de maons". El procés implica:
- Barreja de pols de SiC de grau comercial (normalment de mida micrònica) amb aglutinants
- Formació mitjançant premsatge
- Sinterització a alta temperatura (1600-2200 °C) per aconseguir la densificació mitjançant la difusió de partícules
La majoria d'aplicacions es poden satisfer amb una densitat >90%. Tot el procés no requereix un control precís del creixement del cristall, sinó que se centra en la consistència de la formació i la sinterització. Els avantatges inclouen la flexibilitat del procés per a formes complexes, tot i que amb requisits de puresa relativament més baixos.
El SiC de grau semiconductor implica processos molt més complexos (preparació de pols d'alta puresa → creixement de substrat monocristall → deposició epitaxial de làmines → fabricació de dispositius). Els passos clau inclouen:
- Preparació del substrat principalment mitjançant el mètode de transport físic de vapor (PVT)
- Sublimació de pols de SiC en condicions extremes (2200-2400 °C, alt buit)
- Control precís dels gradients de temperatura (±1 °C) i dels paràmetres de pressió
- Creixement de capes epitaxials mitjançant deposició química de vapor (CVD) per crear capes dopades uniformement gruixudes (normalment de diverses a desenes de micres)
Tot el procés requereix entorns ultranets (per exemple, sales blanques de classe 10) per evitar la contaminació. Les característiques inclouen una precisió extrema del procés, que requereix control sobre els camps tèrmics i els cabals de gas, amb requisits estrictes tant per a la puresa de la matèria primera (>99,9999%) com per a la sofisticació dels equips.
- Diferències significatives de costos i orientacions de mercat
Característiques del SiC de grau ceràmic:
- Matèria primera: Pols de qualitat comercial
- Processos relativament senzills
- Baix cost: de milers a desenes de milers de RMB per tona
- Aplicacions àmplies: Abrasius, refractaris i altres indústries sensibles als costos
Característiques del SiC de grau semiconductor:
- Cicles llargs de creixement del substrat
- Control de defectes desafiant
- Taxes de rendiment baixes
- Cost elevat: milers de dòlars per substrat de 6 polzades
- Mercats centrats: electrònica d'alt rendiment com ara dispositius d'alimentació i components de radiofreqüència
Amb el ràpid desenvolupament dels vehicles de nova energia i les comunicacions 5G, la demanda del mercat està creixent exponencialment.
- Escenaris d'aplicació diferenciats
El SiC de grau ceràmic serveix com a "cavallet de batalla industrial" principalment per a aplicacions estructurals. Aprofitant les seves excel·lents propietats mecàniques (alta duresa, resistència al desgast) i tèrmiques (resistència a altes temperatures, resistència a l'oxidació), destaca en:
- Abrasius (roles de mola, paper de vidre)
- Refractaris (revestiments de forns d'alta temperatura)
- Components resistents al desgast/corrosió (cossos de bomba, revestiments de canonades)
Components estructurals ceràmics de carbur de silici
El SiC de grau semiconductor funciona com l'"elit electrònica", utilitzant les seves propietats semiconductores de banda àmplia per demostrar avantatges únics en dispositius electrònics:
- Dispositius d'energia: inversors de vehicles elèctrics, convertidors de xarxa (millora de l'eficiència de la conversió d'energia)
- Dispositius de radiofreqüència: estacions base 5G, sistemes de radar (que permeten freqüències de funcionament més altes)
- Optoelectrònica: Material de substrat per a LED blaus
Oblia epitaxial de SiC de 200 mil·límetres
| Dimensió | SiC de grau ceràmic | SiC de grau semiconductor |
| Estructura cristal·lina | Policristal·lí, múltiples politipus | Monocristall, politipus estrictament seleccionats |
| Enfocament del procés | Densificació i control de forma | Control de la qualitat del cristall i de les propietats elèctriques |
| Prioritat de rendiment | Resistència mecànica, resistència a la corrosió, estabilitat tèrmica | Propietats elèctriques (bandgap, camp de ruptura, etc.) |
| Escenaris d'aplicació | Components estructurals, peces resistents al desgast, components d'alta temperatura | Dispositius d'alta potència, dispositius d'alta freqüència, dispositius optoelectrònics |
| Inductors de costos | Flexibilitat del procés, cost de la matèria primera | Taxa de creixement del cristall, precisió de l'equip, puresa de la matèria primera |
En resum, la diferència fonamental prové dels seus diferents propòsits funcionals: el SiC de grau ceràmic utilitza la "forma (estructura)", mentre que el SiC de grau semiconductor utilitza "propietats (elèctriques)". El primer persegueix un rendiment mecànic/tèrmic rendible, mentre que el segon representa el cim de la tecnologia de preparació de materials com a material funcional monocristallí d'alta puresa. Tot i compartir el mateix origen químic, el SiC de grau ceràmic i el de grau semiconductor presenten diferències clares en la puresa, l'estructura cristal·lina i els processos de fabricació, però tots dos fan contribucions significatives a la producció industrial i a l'avanç tecnològic en els seus respectius dominis.
XKH és una empresa d'alta tecnologia especialitzada en R+D i producció de materials de carbur de silici (SiC), que ofereix serveis de desenvolupament personalitzat, mecanitzat de precisió i tractament de superfícies que van des de ceràmiques de SiC d'alta puresa fins a cristalls de SiC de grau semiconductor. Aprofitant tecnologies de preparació avançades i línies de producció intel·ligents, XKH ofereix productes i solucions de SiC de rendiment ajustable (puresa del 90%-7N) i estructura controlada (policristal·lí/monocristal·lí) per a clients en semiconductors, noves energies, aeroespacial i altres camps d'avantguarda. Els nostres productes troben àmplies aplicacions en equips de semiconductors, vehicles elèctrics, comunicacions 5G i indústries relacionades.
Els següents són dispositius ceràmics de carbur de silici produïts per XKH.
Data de publicació: 30 de juliol de 2025