I substrati in carburo di silicio (SiC) sono diventati in breve tempo un elemento essenziale nei dispositivi di potenza grazie alle loro propriet\u00e0 superiori. Rispetto ai tradizionali wafer di silicio, i substrati in SiC vantano una conduttivit\u00e0 termica superiore e sono in grado di sopportare campi elettrici di rottura pi\u00f9 elevati rispetto alle loro controparti in silicio.<\/p>\n
Il SiC pu\u00f2 assumere varie strutture cristalline note come politipi; tre delle applicazioni pi\u00f9 diffuse nel campo dei semiconduttori riguardano i materiali 3C-SiC e 4H-SiC.<\/p>\n
Il carburo di silicio (SiC) \u00e8 un materiale semiconduttore a banda larga altamente performante, che offre numerosi vantaggi per le applicazioni di potenza, quali una gestione pi\u00f9 efficace di temperature e tensioni pi\u00f9 elevate; inoltre, grazie alla maggiore conduttivit\u00e0 termica, disperde il calore pi\u00f9 rapidamente, riducendo cos\u00ec la necessit\u00e0 di sistemi di raffreddamento e consentendo la realizzazione di dispositivi pi\u00f9 piccoli e compatti.<\/p>\n
Molti produttori stanno adottando i substrati in SiC nei propri processi produttivi, anche se le loro grandi dimensioni possono rappresentare una sfida in termini di lavorabilit\u00e0, con possibili ripercussioni sulle prestazioni di sfaldatura e lavorazione, oltre a causare la produzione di wafer di qualit\u00e0 inferiore che potrebbero influire negativamente sulle prestazioni dei dispositivi.<\/p>\n
Recentemente, i ricercatori della Scuola di Specializzazione in Ingegneria dell\u2019Universit\u00e0 Metropolitana di Osaka hanno dimostrato per la prima volta che il 3C-SiC presenta un\u2019elevata conduttivit\u00e0 termica, pari a quella del diamante. Avvalendosi di tecniche di analisi a livello atomico, questi ricercatori hanno stabilito che la struttura cristallina di questo materiale, la seconda pi\u00f9 semplice dopo quella del diamante, presenta una conduttivit\u00e0 termica eccezionale tra i materiali di grande diametro.<\/p>\n
Il team ha scoperto che la conduttivit\u00e0 termica del SiC dipende dal percorso libero medio dei fononi, che misura le collisioni dei fononi che trasportano il calore. Questo percorso pu\u00f2 essere influenzato da fattori quali la dimensione dei grani, gli elementi di lega, le impurit\u00e0, i vuoti e i difetti cristallini \u2013 compresi i difetti di impilamento \u2013 ma, controllando i difetti di impilamento, \u00e8 possibile gestirlo e migliorare la conduttivit\u00e0 termica.<\/p>\n
La resistenza del carburo di silicio non diminuisce con l\u2019aumentare della temperatura, in particolare nella sua versione sinterizzata in fase solida (SSiC), che mantiene sia la durezza Mohs pari a 9,5 sia la semiconduttivit\u00e0 elettrica. Inoltre, la sua resistenza alla corrosione, all\u2019abrasione e all\u2019erosione consente la produzione di componenti progettati per resistere ad ambienti difficili in applicazioni quali la stampa 3D, la balistica, la tecnologia energetica, la produzione di carta, i processi chimici, nonch\u00e9 la produzione di parti per pompe e motori.<\/p>\n
Grazie alla sua bassa espansione termica, l\u2019SSiC \u00e8 un materiale eccellente per gli specchi dei telescopi astronomici: la sua leggerezza e rigidit\u00e0 consentono di realizzare specchi per telescopi di dimensioni fino a 3,5 m (11 piedi). Rispetto agli specchi metallici, \u00e8 molto pi\u00f9 leggero, pi\u00f9 maneggevole e pi\u00f9 riflettente.<\/p>\n
Le propriet\u00e0 isolanti del carburo di silicio ne consentono l\u2019impiego nei dispositivi a semiconduttori di potenza, dove la sua efficienza superiore rispetto ai tradizionali materiali a base di silicio permette di rendere tali dispositivi pi\u00f9 efficienti dal punto di vista energetico. In particolare, offre caratteristiche di ampia larghezza di banda a correnti e tensioni elevate, riducendo al minimo le perdite di commutazione e le perdite di energia nei sistemi di trasmissione di potenza. I sistemi di ricarica dei veicoli elettrici e di generazione di energia rinnovabile traggono grandi vantaggi dai dispositivi di commutazione ad alta tensione che ottimizzano l\u2019efficienza di conversione di potenza, contribuendo ad aumentare l\u2019autonomia, a ridurre i tempi di ricarica e a garantire una conversione efficiente dell\u2019energia. Inoltre, migliorano le prestazioni dei dispositivi ad alta tensione per l\u2019elettronica di potenza, prolungandone la durata e aumentando la capacit\u00e0 di corrente \u2013 aspetto particolarmente importante se si considerano le condizioni ambientali estreme in cui operano.<\/p>\n
Il carburo di silicio \u00e8 un materiale estremamente duro e resistente, caratterizzato da un basso coefficiente di dilatazione termica e da un'elevata resistenza alla corrosione, che lo rendono perfetto per condizioni impegnative quali la stampa 3D, la produzione di munizioni e la fabbricazione della carta. Inoltre, il carburo di silicio \u00e8 atossico e presenta un elevato rapporto resistenza\/peso.<\/p>\n
L'americano Edward G. Acheson scopr\u00ec per caso il carburo di silicio mentre tentava di sintetizzare diamanti artificiali. Durante il riscaldamento ad alta temperatura di una miscela di argilla e coke in polvere in una ciotola di ferro con un elettrodo di carbonio, si formarono cristalli di colore verde brillante che presentavano una durezza simile a quella del diamante. Egli chiam\u00f2 questo composto appena creato \u201cCarborundum\u201d, che in seguito divenne SiC.<\/p>\n
La ceramica al carburo di silicio pu\u00f2 essere modellata in diverse forme attraverso vari metodi di stampaggio per sinterizzazione, che variano a seconda delle propriet\u00e0 del materiale di base. La sinterizzazione a pressatura a caldo e la sinterizzazione diretta sono due processi ampiamente utilizzati per la produzione di substrati in carburo di silicio con diversi livelli di resistivit\u00e0: i substrati semisolanti presentano bassi livelli di resistivit\u00e0, mentre i carburi di silicio di tipo n offrono livelli di resistenza ancora pi\u00f9 bassi.<\/p>\n
I componenti ottici realizzati in carburo di silicio stanno riscuotendo un successo sempre maggiore in diversi settori industriali; tuttavia, la loro resistenza, i livelli di sollecitazione e altri parametri di progettazione dipendono dal metodo di produzione utilizzato. Pertanto, \u00e8 fondamentale comprendere appieno le loro specificit\u00e0 al momento di selezionare il substrato in carburo di silicio pi\u00f9 adatto alla propria applicazione.<\/p>\n
Il carburo di silicio \u00e8 in grado di resistere a temperature estremamente elevate senza reagire con acidi o alcali, oltre ad essere resistente alle sollecitazioni meccaniche e alle fessurazioni: qualit\u00e0 che lo rendono un materiale ideale per le tenute meccaniche che devono funzionare in condizioni di temperature e sollecitazioni estreme.<\/p>\n
La bassa resistivit\u00e0 elettrica del carburo di silicio lo rende adatto a numerose applicazioni, tra cui i dispositivi per l'elettronica di potenza e i componenti per la lavorazione dei semiconduttori. Inoltre, presenta una conduttivit\u00e0 termica inferiore rispetto allo zaffiro e pu\u00f2 essere prodotto in diversi politipi che consentono di controllarne la resistivit\u00e0 elettrica.<\/p>\n
Il carburo di silicio \u00e8 un materiale semiconduttore, pertanto il drogaggio consente di ottenere facilmente una struttura di tipo n o di tipo p. Per il drogaggio di tipo n si utilizzano solitamente azoto o fosforo, mentre per il drogaggio di tipo p si ricorre tipicamente a berillio, boro o alluminio. Le opzioni di drogaggio consentono di controllare la resistenza elettrica, rendendo il carburo di silicio poroso pi\u00f9 vantaggioso in varie applicazioni.<\/p>\n
Anche la struttura cristallina del carburo di silicio contribuisce alla sua bassa resistivit\u00e0 elettrica, poich\u00e9 consente la formazione di percorsi conduttivi tra gli atomi di carbonio e quelli di silicio. Inoltre, questa struttura rende il carburo di silicio isotropico; ci\u00f2 significa che le sue propriet\u00e0 elettriche e termiche rimangono costanti in tutte le sue dimensioni, consentendo un migliore controllo della resistivit\u00e0 nei prodotti in carburo di silicio poroso.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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