Vorteile von Siliziumkarbid

Siliziumkarbid ist der härteste bekannte Naturstoff und zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und geringe Ausdehnung aus, außerdem ist es chemisch säurebeständig.

Kommerziell wird SiC durch Erhitzen von Quarzsand mit Petrolkoks oder Anthrazitkohle bei hohen Temperaturen in einem Elektroofen auf das gewünschte Verhältnis hergestellt, gefolgt von chemischer Gasphasenabscheidung oder chemischen Reduktionsverfahren.

Abrasive Anwendungen

Siliciumcarbid ist ein Halbleitermaterial mit großer Bandlücke, das sowohl bei der Herstellung elektronischer Geräte, die hohe Temperaturen oder Spannungen erfordern, als auch als Schleifmittel breite Anwendung findet. Darüber hinaus ist Siliziumkarbid ein wesentlicher Bestandteil von Keramikfasern, die unter anderem zur Isolierung und für elektrische Übertragungsleitungen verwendet werden.

Siliciumcarbid (SiC) ist zwar nicht so hart und kostspielig wie Diamant, kubisches Bornitrid oder Wolframcarbid, aber aufgrund seiner relativ geringen Kosten und hohen Zähigkeit ein ideales Material für Schleif- und Schneidanwendungen. SiC wird häufig in Schleifscheiben, Schneidwerkzeugen und Schleifpapier verwendet, wo es sich durch seine hohe Schnittgeschwindigkeit von ähnlichen Materialien wie Aluminiumoxid oder Feldspat unterscheidet.

Aufgrund seiner Langlebigkeit wird Siliciumcarbidpulver in der modernen Lapidarindustrie in großem Umfang eingesetzt. Darüber hinaus ist schwarzes Siliciumcarbidpulver aufgrund seiner Verwendung als Strahlmittel im Bergbau, im Baugewerbe, beim Schweißen, in Rohrleitungsgießereien, Gießereien und in der Metallurgie ein wesentlicher Bestandteil des Strahlmittelarsenals der modernen Industrie. Schwarzes Siliciumcarbidpulver wird auch als industrielles Polier- und Endbearbeitungsmittel für Keramik-, Glas- und Metalloberflächen verwendet.

Siliciumdioxid wird auch häufig bei der Herstellung von Glasfaserspleißungen verwendet, wo seine Hitze- und Schockbeständigkeit zu einer zuverlässigen und gleichmäßigen Leistung beiträgt. Außerdem wurde Siliciumdioxid kürzlich als energiesparender Ersatzbrennstoff für Elektrofahrzeuge erforscht; es spart sowohl Energie als auch Emissionen. Leider können Arbeitnehmer, die bei der Herstellung von Produkten, die Siliziumkarbid enthalten, oder bei der Verwendung von Schleifmitteln an Atemwegserkrankungen wie diffuser interstitieller Fibrose und Lungenkrebs leiden.

Hochtemperaturanwendungen

Siliziumkarbid ist ein ideales Material für Hochtemperaturanwendungen, die hervorragende mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften erfordern. Dieses langlebige Material widersteht Oxidation oder anderen chemischen Reaktionen, die seine Funktionalität oder Sicherheit beeinträchtigen könnten. Daher eignet es sich besonders für abrasive und Halbleiterproduktionsprozesse in rauen Betriebsumgebungen, in denen die Siliziumkarbidproduktion zu einem Standard für die Verbesserung der Leistung und die Verlängerung der Lebensdauer von Anlagen geworden ist.

Acheson entwickelte das reaktionsgebundene Verfahren zur Herstellung von SiC erstmals 1891. Erhitzte Mischungen aus Quarzsand und Koks werden in einem Elektroofen mit einer Kohlenstoffleiterelektrode erhitzt und reagieren zu Siliziumkarbid und Kohlenmonoxidgas; von dort aus können die Blöcke gemahlen und gefräst werden, um spezifische Formen für Anwendungen zu erhalten.

Die kristalline Struktur von SiC hängt sowohl von der Reinheit als auch von der Entstehungsmethode ab; Alpha-SiC (a-SiC) mit seiner hexagonalen, Wurtzit-ähnlichen Kristallstruktur ist das am weitesten verbreitete Polymorph, während Beta-SiC (b-SiC) mit seiner kubischen Zinkblende-Kristallstruktur weniger häufig vorkommt; beide Formen werden für Schleifmittel- und Feuerfestanwendungen verwendet - wobei der a-SiC-Polymorphtyp aufgrund seiner überlegenen Hochtemperaturleistung häufig bevorzugt wird; mit einer Härte von 32 GPa gehört er zu den härtesten bekannten Materialien.

Halbleiteranwendungen

Siliciumcarbid (bekannt unter dem chemischen Namen Karborund; auch bekannt als Moissanit) ist eine anorganische chemische Verbindung aus Silicium und Kohlenstoff, die seit dem späten 19. Jahrhundert in Pulverform als Schleifmittel für Sandpapier, Schleifscheiben und Schneidwerkzeuge in großen Mengen hergestellt wird. Feuerfeste Auskleidungen für Industrieöfen, kugelsichere Keramikplatten für Westen, verschleißfeste Teile von Pumpen und Raketentriebwerken, elektronische Anwendungen, einschließlich Leuchtdioden, gehören zu den verschiedenen Verwendungszwecken; für elektronische Anwendungen gibt es viel mehr Verwendungszwecke als nur die Verwendung als Schleifmittel.

Siliziumkarbid (SiC) ist ein vielversprechender Werkstoff für Anwendungen in der Leistungselektronik, da es über eine große Bandlücke verfügt und einen geringeren Durchlasswiderstand pro Flächeneinheit aufweist als Siliziumtransistoren. Siliziumkarbid könnte eine wesentlich höhere Spannungstoleranz ermöglichen, als sie mit herkömmlichen Siliziumtransistoren allein erreicht werden kann.

Die Hersteller stellen Siliciumcarbid-Wafer je nach Anwendung in verschiedenen Verfahren her. Einkristalle können durch reaktionsgebundenes Wachstum bei hohen Temperaturen gebildet werden, wobei eine Weichmacherlösung mit Silizium- und Kohlenstoffpulvern kombiniert wird, um grünes SiC zu bilden, bevor es bei hohen Temperaturen gebrannt wird. Oder sie können die chemische Gasphasenabscheidung nutzen, bei der Gase, die in ein Vakuum eindringen, Materialschichten auf Substrate für das chemische Abscheidungswachstum aufbringen.

Bei der Herstellung von Kristallen für Hochspannungsgeräte, wie z. B. Leistungshalbleiter, ist Präzision unerlässlich; die Wafer müssen dann je nach Anwendung in verschiedene Formen und Größen geschnitten werden.

Anwendungen der Leistungselektronik

Siliziumkarbid hat sich in der Leistungselektronik schnell zu einem führenden Material entwickelt. Dieses bahnbrechende Material bietet viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Halbleitern wie Silizium (Si), z. B. eine höhere Toleranz gegenüber elektrischen Durchbruchsfeldern und geringere Leistungsverluste aufgrund breiterer Bandlücken; zu seinen wichtigsten Anwendungen gehören Schottky-Barrieredioden und Feldeffekttransistoren (FETs/MOSFETs).

Siliziumkarbid-Bauelemente mit breiter Bandlücke bieten im Vergleich zu bestehenden Si-Bauelementen in Stromversorgungssystemen und elektrischen Motorsteuerungsanwendungen eine überlegene Leistung ohne signifikante Leistungseinbußen. SiC-Bauelemente können die Stromdichte erhöhen und so die Verlustleistung pro Bauelement um eine Größenordnung gegenüber herkömmlichen Si-Bauelementen verringern, während sie bei deutlich höheren Temperaturen und Frequenzen arbeiten und so die Zuverlässigkeit und Effizienz verbessern.

EAG Laboratories verfügt über ein umfassendes Wissen über die elektrothermischen Eigenschaften von SiC. Unsere Bulk-Techniken wie die Glimmentladungs-Massenspektrometrie und die Röntgenfluoreszenzspektrometrie sind in der Lage, verschiedene Proben genau zu analysieren, während unsere ortsaufgelösten Instrumente wie die Laserablation mit induktiv gekoppeltem Plasma-Massenspektrometrie und die Raster-Elektronenmikroskopie mit energiedispersiver Spektroskopie die Konzentration und Verteilung von Verunreinigungen in den Proben überprüfen können.

Bei SiC Analysis Centers verfügen wir über das nötige Fachwissen, um alle SiC-basierten Stromversorgungskomponenten zu analysieren - von einfach bis komplex. Von Dioden über FETs bis hin zu MOSFET-Transistoren bieten wir genaue Analysen mit modernsten Geräten, die in unseren Einrichtungen zur Verfügung stehen.