Siliciumcarbid-teknologi til effektelektronik

Siliciumcarbid-teknologien har oplevet en enorm vækst blandt producenter af effektelektronik. Denne tendens kan i høj grad tilskrives en stigende efterspørgsel efter elektriske køretøjer og tilhørende opladningsinfrastrukturer.

SiC er et fremragende materiale til forskellige anvendelser på grund af dets utrolige hårdhed, styrke og korrosionsbestandighed.

Høj temperatur

Siliciumcarbid har fået øget opmærksomhed på grund af dets overlegne egenskaber i højtemperaturmiljøer, især dets termiske og elektriske stabilitet op til 1.400 grader Fahrenheit - hvilket betyder, at det kan bruges på tværs af en række industrielle applikationer som f.eks. effektelektronik, hvor varmeafledning er afgørende for ydeevnen. Den termiske og elektriske stabilitet gør det også til et vigtigt valg.

Siliciumcarbid har bemærkelsesværdige atomare strukturer, som giver det unikke egenskaber, der hjælper det med at modstå højere temperaturer end silicium. Det har et højere smeltepunkt og større varmeledningsevne sammenlignet med silicium; begge kvaliteter gør det velegnet til brug i miljøer som motorrummet i en elbil.

På grund af disse fordele er virksomheder begyndt at integrere siliciumcarbid i deres produktionsprocesser, herunder etablering af pålidelige forsyningskæder for råmaterialer, wafer-fremstilling og færdige produkter. Det kan hjælpe med at sænke produktionsomkostningerne og samtidig forbedre effektiviteten og kvaliteten - hvilket giver en konkurrencefordel på markedet.

Efterhånden som efterspørgslen på siliciumcarbid fortsætter med at stige, leder producenterne efter måder at sænke produktionsomkostningerne på og opfylde kundernes krav hurtigere og mere effektivt. En af de strategier, de har valgt for at gøre dette, er vertikal integration - hvilket giver dem kontrol over alle aspekter af forsyningen fra råmaterialer gennem fabrikation til færdige enheder. Derudover kan denne tilgang give dem mulighed for at opfylde kundernes krav hurtigere og mere effektivt.

Der findes forskellige metoder til at skabe porøst siliciumcarbid, herunder elektrokemisk ætsning af massivt SiC, karbotermisk/magnesiotermisk reduktion af carbon-silica-kompositter og nanostøbning med polycarbosilaner; men nanostøbning med polycarbosilaner synes i øjeblikket at være den mest lovende til at producere porøst siliciumcarbid med fremragende porøsitetsegenskaber og rumlig orden i dets mesoporer.

Siliciumcarbid er et grundlæggende element i mange avancerede elektroniske teknologier som f.eks. halvledere. Det kan fungere i barske miljøer, der overskrider siliciumteknologiens fysiske grænser, hvilket gør det muligt at skabe mere sofistikerede funktioner. Fremover vil siliciumcarbid muliggøre en lang række nye anvendelser inden for rumfart og bilindustri, f.eks. intelligente sensorer, strømhalvledere, batteridrevne værktøjer osv.

Høj styrke

Siliciumcarbid er et af de stærkeste keramiske materialer, der findes, hvilket gør det ideelt til ballistisk panser. Det kan modstå skud med ekstrem effektivitet, før det splintres til fragmenter, hvilket giver overlegen beskyttelse mod hverdagstrusler som kugler fra rifler eller håndvåben.

Siliciumcarbid-sinter har typisk en massefylde på 1,55 gram/cm3 og et smeltepunkt på 2700 grader Celsius, hvilket giver det overlegne mekaniske egenskaber sammenlignet med keramiske materialer som aluminiumoxid. Desuden bevarer dette materiale sin integritet selv ved høje temperaturer, hvilket gør det velegnet til anvendelser, der involverer flydende metaller, varmeovne eller petrokemiske anvendelser.

Aluminium har en enestående korrosionsbestandighed og kan modstå syrer, baser og oxidative miljøer i længere tid. Derfor finder man det i slidstærke værktøjer, skære- og slibeudstyr og industriovne.

Siliciumcarbids fremragende varme- og spændingsstabilitet gør det til et fremragende materialevalg til elektroniske enheder, der kræver både høje driftstemperaturer og høje elektriske udgange. Effekthalvledere i biler og fly bruger typisk siliciumcarbid på grund af dets evne til at modstå højere spændinger og frekvenser end dets traditionelle ækvivalenter.

Siliciumcarbid har også mange fordele i forbindelse med anden elektronik og andre anvendelser. For eksempel gør dets evne til at modstå højere temperaturer og spændinger end siliciumhalvledere det ideelt til brug i rumfart - effektelektronik til satellitter og rumfartøjer, instrumenter på rovere/sonder, der udforsker jorden/andre planeter osv.

Rent SiC er en elektrisk isolator, men ved omhyggeligt at tilføje urenheder eller dopingstoffer kan det omdannes til en halvleder. Aluminium-, bor- og galliumdopinger skaber P-type halvledere; nitrogen- og fosfordopinger giver anledning til N-type halvledere - denne kombination gør SiC til et attraktivt alternativ til traditionelle halvledere i krævende applikationer på grund af dets højere båndgabsenergi og bedre varmeledningsevne end silicium.

Høj korrosionsbestandighed

Siliciumcarbid udviser fremragende kemisk stabilitet, hvilket gør det velegnet til miljøer, der indeholder forskellige ætsende gasser og væsker. Siliciumcarbid er meget modstandsdygtigt over for syre, alkali og salte og bruges ofte i afsvovlingsdyser og kedelkomponenter på termiske kraftværker, der oplever alvorlig kemisk erosion. Desuden modstår siliciumkarbidens fysiske stabilitet nedbrydning fra slid og slag, selv i højtryksmiljøer.

Siliciumcarbidkeramik har enestående egenskaber, der gør dem til et fremragende valg til avancerede ildfaste materialer, slibemidler og funktionelle materialer - herunder porøse ildfaste foringer til atomreaktorer og forbrændingsudstyr. Stål er et vigtigt materiale i produktionsapplikationer, der spænder over dyser med spids, slibeskiver, skæreværktøjer og deoxideringsmidler, der bruges i metallurgi. Derudover anvendes det inden for telekommunikation, halvledere, rumfart og bilteknologi. Letvægt, stivhed og termisk udvidelseskoefficient opfylder de fysiske og optiske krav til teleskopspejle i rummet; desuden gør dets letvægt, stivhed og lave termiske udvidelseskoefficient det til et førsteklasses materiale til effektelektronik i elektriske køretøjer på landjorden samt instrumenter på Mars-sonder (Mantooth, Zetterling og Rusu).

Siliciumcarbids korrosionsbestandige egenskaber forstærkes yderligere af dets hårdhed og styrke, hvilket gør det meget holdbart over for skader fra andre materialer som f.eks. diamant. Ved højere temperaturer har det en styrke, der kan sammenlignes med stål, samtidig med at det har en overlegen slidstyrke og er immunt over for revner på grund af termisk chok.

SiC er belagt med et oxidlag for at øge korrosionsbestandigheden, som typisk består af SiO2, men det kan forbedres yderligere med urenheder som titanium eller aluminium for at opnå endnu større ydeevne. Disse belægninger giver forbedret korrosionsbestandighed og slidstyrke, samtidig med at de opfylder kravene til strukturel styrke i højtydende applikationer.

Siliciumcarbids unikke kombination af egenskaber - høj temperaturbestandighed, stærke mekaniske egenskaber, enestående korrosionsbestandighed og god elektrisk ledningsevne - gør det til et fremragende materialevalg til mange industrielle anvendelser. På grund af disse alsidige egenskaber kan siliciumcarbid blive det foretrukne materiale i stedet for siliciumhalvledere i mange krævende situationer.

Høj stabilitet

Siliciumcarbid (SiC) er en organisk forbindelse bestående af silicium og kulstof, der forekommer naturligt som det sjældne mineral moissanit; men i over 100 år er det også blevet fremstillet syntetisk som en nøglekomponent i Littelfuses effektelektroniske enheder, der hjælper med at spare energi i elbiler og minimere kravene til ladestationer.

SiC-halvledere giver større pålidelighed i effektelektronik på grund af deres evne til at modstå højere temperaturer og spændinger samt et mindre fysisk område, der er nødvendigt for at opnå samme effektkapacitet som større siliciummodstykker, hvilket fører til tyndere enheder med reduceret effekttab og forbedret varmeledningsevne.

SiC adskiller sig fra silicium ved sit bredere energigab, der muliggør højere driftstemperaturer og -spændinger. En typisk siliciumtransistor har typisk et båndgab på 1,12 eV; til sammenligning har SiC-enheder næsten tre gange denne værdi på 3,26 eV, hvilket gør det muligt for effekttransistorer at fungere ved betydeligt højere temperaturer og hastigheder end deres siliciummodstykker, hvilket øger effektiviteten og samtidig fremskynder elektricitetsoverførslen.

Siliciumbaserede halvledere er måske stadig normen inden for elektronik, men myndighedernes og forbrugernes pres for at reducere emissioner og batteriets rækkevidde driver innovationen i retning af materialer med bredere båndgab som SiC. Elbiler bør høste fordele ved at bruge disse enheder, der giver mulighed for mere effektiv opladning og samtidig forlænger batteriets levetid med færre komponenter.

Siliciumcarbid findes i forskellige polymorfer med forskellige krystalstrukturer. Af dem alle er 4H-SiC med sin hexagonale struktur bedst egnet til anvendelser i effektelektronik på grund af sin overlegne renhed og stabilitet ved høje temperaturer.

Siliciumcarbids mange fordele gør det klart, hvorfor siliciumcarbid hurtigt revolutionerer kraftelektronikindustrien og vores brug af energi - fra husholdningsapparater til ladestationer til elbiler. Wolfspeed, en af de førende producenter af basis-SiC-wafere, har forpligtet sig til at udvide denne revolutionerende teknologi på tværs af en lang række nye anvendelser inden 2024.