Piikarbidi (SiC) on merkittävä yhdiste, jota löytyy sekä puolijohdeteollisuudesta että edistyneistä keraamisista tuotteista. Tämä johtaa usein sekaannukseen maallikkojen keskuudessa, jotka saattavat erehtyä luulemaan niitä samaksi tuotteeksi. Todellisuudessa, vaikka piikarbidilla on identtinen kemiallinen koostumus, se esiintyy joko kulutusta kestävänä edistyneenä keraamina tai tehokkaana puolijohteena, joilla on täysin eri roolit teollisissa sovelluksissa. Keraamisen ja puolijohdelaatuisen piikarbidin välillä on merkittäviä eroja kiderakenteen, valmistusprosessien, suorituskykyominaisuuksien ja sovellusalueiden suhteen.
- Raaka-aineiden erilaiset puhtausvaatimukset
Keraamisella piikarbidilla on suhteellisen lievät puhtausvaatimukset jauhemaiselle raaka-aineelleen. Tyypillisesti kaupallisen laatuluokan tuotteet, joiden puhtaus on 90–98 %, voivat täyttää useimmat sovellustarpeet, vaikka korkean suorituskyvyn omaavat rakennekeraamit saattavat vaatia 98–99,5 %:n puhtauden (esim. reaktiosidottu piikarbidi vaatii kontrolloidun vapaan piin pitoisuuden). Se sietää tiettyjä epäpuhtauksia ja joskus siihen lisätään tarkoituksella sintrausaineita, kuten alumiinioksidia (Al₂O₃) tai yttriumoksidia (Y₂O₃), sintrauskyvyn parantamiseksi, sintrauslämpötilojen alentamiseksi ja lopputuotteen tiheyden lisäämiseksi.
Puolijohdelaatuisen piikarbidin (SiC) puhtaustaso on lähes täydellinen. Alustalaatuisen yksikiteisen piikarbidin puhtaus on ≥99,9999 % (6N), ja joissakin huippusovelluksissa se on 7 N (99,99999 %). Epitaksiaalikerrosten epäpuhtauspitoisuudet on pidettävä alle 10¹⁶ atomia/cm³ (erityisesti vältettävä syvällä olevia epäpuhtauksia, kuten B, Al ja V). Jopa pienet epäpuhtaudet, kuten rauta (Fe), alumiini (Al) tai boori (B), voivat vaikuttaa vakavasti sähköisiin ominaisuuksiin aiheuttamalla varauksenkuljettajien sirontaa, vähentämällä läpilyöntikentän voimakkuutta ja lopulta vaarantamalla laitteen suorituskyvyn ja luotettavuuden, mikä edellyttää tiukkaa epäpuhtauksien hallintaa.
Piikarbidipuolijohdemateriaali
- Erilaiset kiderakenteet ja laatu
Keraaminen piikarbidi esiintyy pääasiassa polykiteisenä jauheena tai sintrattuina kappaleina, jotka koostuvat lukuisista satunnaisesti suuntautuneista piikarbidi-mikrokiteistä. Materiaali voi sisältää useita polytyyppejä (esim. α-SiC, β-SiC) ilman tarkkaa valvontaa tiettyjen polytyyppien suhteen, vaan painopiste on sen sijaan materiaalin kokonaistiheydessä ja tasaisuudessa. Sen sisäiselle rakenteelle on ominaista runsaat raerajat ja mikroskooppiset huokoset, ja se voi sisältää sintrausaineita (esim. Al₂O₃, Y₂O₃).
Puolijohdelaatuisen piikarbidin (SiC) on oltava yksikiteisiä substraatteja tai epitaksiaalisia kerroksia, joilla on erittäin järjestäytyneet kiderakenteet. Se vaatii erityisiä polytyyppejä, jotka on saatu tarkkuuskiteenkasvatustekniikoilla (esim. 4H-SiC, 6H-SiC). Sähköiset ominaisuudet, kuten elektronien liikkuvuus ja energiaväli, ovat erittäin herkkiä polytyypin valinnalle, mikä edellyttää tiukkaa valvontaa. Tällä hetkellä 4H-SiC hallitsee markkinoita erinomaisten sähköisten ominaisuuksiensa, kuten suuren varauksenkuljettajien liikkuvuuden ja läpilyöntikentän voimakkuuden, ansiosta, mikä tekee siitä ihanteellisen ratkaisun teholähteisiin.
- Prosessien monimutkaisuuden vertailu
Keraamisen piikarbidin valmistusprosessit (jauheen valmistus → muovaus → sintraus) ovat suhteellisen yksinkertaisia, kuten tiilien valmistuksessa. Prosessi sisältää seuraavat vaiheet:
- Kaupallisen laatuluokan piikarbidijauheen (yleensä mikronikokoisen) sekoittaminen sideaineiden kanssa
- Muovaaminen puristamalla
- Korkean lämpötilan sintraus (1600–2200 °C) tiivistymisen saavuttamiseksi hiukkasdiffuusion avulla
Useimmat sovellukset voidaan tyydyttää yli 90 %:n tiheydellä. Koko prosessi ei vaadi tarkkaa kiteenkasvun hallintaa, vaan keskittyy sen sijaan muovaus- ja sintrauskonsistenssiin. Etuihin kuuluu prosessin joustavuus monimutkaisten muotojen osalta, vaikkakin suhteellisen alhaiset puhtausvaatimukset.
Puolijohdelaatuisen piikarbidin (SiC) valmistusprosessit ovat paljon monimutkaisempia (erittäin puhtaan jauheen valmistus → yksikiteisen substraatin kasvu → epitaksiaalinen kiekkojen pinnoitus → laitteen valmistus). Keskeisiä vaiheita ovat:
- Alustan esikäsittely pääasiassa fysikaalisella höyrykuljetuksella (PVT)
- Piikarbidijauheen sublimaatio äärimmäisissä olosuhteissa (2200–2400 °C, korkea tyhjiö)
- Lämpötilagradienttien (±1 °C) ja paineparametrien tarkka säätö
- Epitaksiaalisen kerroksen kasvu kemiallisen höyrypinnoituksen (CVD) avulla tasaisen paksujen, seostettujen kerrosten luomiseksi (tyypillisesti useista kymmeniin mikroneihin)
Koko prosessi vaatii erittäin puhtaita ympäristöjä (esim. luokan 10 puhdastiloja) kontaminaation estämiseksi. Ominaisuuksiin kuuluu äärimmäinen prosessin tarkkuus, joka edellyttää lämpökenttien ja kaasun virtausnopeuksien hallintaa, sekä tiukat vaatimukset sekä raaka-aineen puhtaudelle (>99,9999 %) että laitteiden kehittyneisyydelle.
- Merkittävät kustannuserot ja markkinaorientaatiot
Keraamisen piikarbidin ominaisuudet:
- Raaka-aine: Kaupallinen jauhe
- Suhteellisen yksinkertaiset prosessit
- Alhaiset kustannukset: Tuhansista kymmeniin tuhansiin RMB tonnilta
- Laajat käyttökohteet: Hioma-aineet, tulenkestävät materiaalit ja muut kustannusherkät teollisuudenalat
Puolijohdelaatuisen piikarbidin ominaisuudet:
- Pitkät substraatin kasvusyklit
- Haastava vianvalvonta
- Alhaiset tuottoprosentit
- Korkeat kustannukset: Tuhansia dollareita 6 tuuman alustaa kohden
- Kohdemarkkinat: Huipputehokas elektroniikka, kuten teholaitteet ja RF-komponentit
Uusien energialähteiden ja 5G-viestinnän nopean kehityksen myötä markkinoiden kysyntä kasvaa eksponentiaalisesti.
- Eriytetyt sovellusskenaariot
Keraaminen piikarbidi (SiC) toimii "teollisuuden työjuhtana" ensisijaisesti rakenteellisissa sovelluksissa. Erinomaisten mekaanisten ominaisuuksiensa (korkea kovuus, kulutuskestävyys) ja lämpöominaisuuksiensa (korkea lämmönkestävyys, hapettumisenkestävyys) ansiosta se erottuu edukseen seuraavissa asioissa:
- Hioma-aineet (hiomalaikat, hiekkapaperi)
- Tulenkestävät materiaalit (korkean lämpötilan uunien vuoraukset)
- Kulumis-/korroosionkestävät komponentit (pumppujen rungot, putkien sisävuoraukset)
Piikarbidikeraamiset rakenneosat
Puolijohdelaatuinen piikarbidi (SiC) toimii "elektroniikan eliittinä" hyödyntäen laajan kaistanleveyden puolijohdeominaisuuksiaan osoittaakseen ainutlaatuisia etuja elektronisissa laitteissa:
- Virtalähteet: sähköautojen invertterit, verkkomuuntimet (parantavat tehonmuunnoksen hyötysuhdetta)
- RF-laitteet: 5G-tukiasemat, tutkajärjestelmät (mahdollistavat korkeammat toimintataajuudet)
- Optoelektroniikka: Sinisten LEDien alustamateriaali
200 millimetrin piikarbidiepitaksiaalinen kiekko
| Ulottuvuus | Keraaminen piikarbidi | Puolijohdelaatuinen piikarbidi |
| Kristallirakenne | Polykiteinen, useita polytyyppejä | Yksittäinen kide, tarkasti valitut polytyypit |
| Prosessin painopiste | Tiivistäminen ja muodon hallinta | Kiteen laatu ja sähköisten ominaisuuksien hallinta |
| Suorituskykyprioriteetti | Mekaaninen lujuus, korroosionkestävyys, terminen stabiilius | Sähköiset ominaisuudet (kaistanaukon, läpilyöntikentän jne.) |
| Sovellusskenaariot | Rakenneosat, kulutusta kestävät osat, korkean lämpötilan komponentit | Suuritehoiset laitteet, suurtaajuuslaitteet, optoelektroniset laitteet |
| Kustannusajurit | Prosessin joustavuus, raaka-ainekustannukset | Kiteen kasvunopeus, laitteiden tarkkuus, raaka-aineen puhtaus |
Yhteenvetona voidaan todeta, että perustavanlaatuinen ero johtuu niiden erilaisista toiminnallisista tarkoituksista: keraaminen piikarbidi hyödyntää "muotoa (rakennetta)", kun taas puolijohdelaatuinen piikarbidi hyödyntää "ominaisuuksia (sähköisiä)". Ensimmäinen pyrkii kustannustehokkaaseen mekaaniseen/lämpöominaisuuksiin, kun taas jälkimmäinen edustaa materiaalinvalmistusteknologian huippua erittäin puhtaana, yksikiteisenä funktionaalisena materiaalina. Vaikka keraamisella ja puolijohdelaatuisella piikarbidilla on sama kemiallinen alkuperä, niillä on selviä eroja puhtaudessa, kiderakenteessa ja valmistusprosesseissa – molemmat kuitenkin edistävät merkittävästi teollista tuotantoa ja teknologista kehitystä omilla aloillaan.
XKH on piikarbidimateriaalien (SiC) tutkimukseen ja kehitykseen sekä tuotantoon erikoistunut korkean teknologian yritys. Se tarjoaa räätälöityjä kehitys-, tarkkuuskoneistus- ja pintakäsittelypalveluita aina erittäin puhtaista piikarbidikerameereista puolijohdelaatuisiin piikarbidikiteisiin. Hyödyntämällä edistyneitä valmistusteknologioita ja älykkäitä tuotantolinjoja XKH tarjoaa viritettäviä (90–7N puhtaus) ja rakenteellisesti kontrolloituja (polykiteisiä/yksikiteisiä) piikarbidituotteita ja -ratkaisuja asiakkaille puolijohde-, uusien energialähteiden, ilmailu- ja muiden huippualojen toimialoilla. Tuotteitamme käytetään laajasti puolijohdelaitteissa, sähköajoneuvoissa, 5G-viestinnässä ja niihin liittyvillä teollisuudenaloilla.
Seuraavat ovat XKH:n valmistamia piikarbidikeraamisia laitteita.
Julkaisuaika: 30.7.2025