Hur mycket kostar kiselkarbid?

Kiselkarbid (SiC) är ett högteknologiskt eldfast material som framställs genom smältning av kvartssand med hög renhet och petroleumkoks med låg askhalt i en elektrisk motståndsugn.

Råvarukostnaderna har ett betydande inflytande på priset för SiC-produktion, inklusive Acheson- och Lely-processerna. Energikostnaderna har också ett inflytande.

Råvaror

Kiselkarbid, med den kemiska formeln SiC, är en extremt hård och tät syntetisk kristallin förening av kisel och kol som har använts sedan slutet av 1800-talet för olika användningsområden, t.ex. slipmedel som sandpapper, slipskivor och skärverktyg, samt som foder i industriella ugnar och värmeelement och halvledarsubstrat i lysdioder (LED).

Kvalitet och produktion av kiselkarbid beror i hög grad på råvarorna, vilket kräver användning av högkvalitativ naturlig kiselsand och malen kvarts med en SiO2 -halt som helst överstiger 99,7% och petroleumkoks med låg askhalt som kolkälla - träkol eller antracit kan fungera som alternativ men saknar den renhet som krävs för att producera gröna kiselkarbidprodukter.

Kiselkarbidens kemiska inertitet gör det till ett utmärkt material för tillverkning av eldfasta material för höga temperaturer, t.ex. pannugnsväggar, rutstenar, mufflar, ugnsinredningar och tråg som används i zinkreningsverk. Dess styrka, slitstyrka och låga värmeutvidgningskoefficient gör det också lämpligt att använda som verktygsmaterial med verktygsspetsar.

Kiselkarbidens hårdhet och stabilitet vid höga temperaturer och spänningar gör den till en ovärderlig komponent för användning i krafthalvledarkomponenter, t.ex. MOSFETs och IGBTs. Dess högre driftsspänningar och bredare bandbredd än konventionella kiselmaterial möjliggör dessutom effektivare energiomvandling samtidigt som effektförlusterna minskar - perfekt för elfordon, 5G-kommunikationssystem och solcellssystem för kraftgenerering.

Tillverkningsprocess

Kiselkarbid förekommer naturligt endast i mycket begränsade mängder i moissanit, som är ett ogenomskinligt transparent mineral. Därför måste kiselkarbid framställas på konstgjord väg med hjälp av massproduktionsmetoder som Acheson-processen för att tillgodose industrins och andra användningsområdens höga krav på kiselkarbid. En sådan process innebär att kiseldioxid och koks blandas innan de värms upp till höga temperaturer och sedan reagerar kemiskt vid denna höga temperatur för att producera kiselkarbidkristaller.

Råmaterialet från denna process krossas och klassificeras noggrant och mals ofta igen innan det behandlas kemiskt för att uppnå specifika egenskaper för olika användningsområden. Den kan t.ex. omvandlas till värmeisolerande material som keramiska fibrer för elektroniska apparater eller hårda slipmedel.

Slutprodukten av keramisk formsprutning är ett exceptionellt starkt, hållbart, korrosionsbeständigt och högtemperaturkeramiskt material med den tredje högsta hårdheten bland kända föreningar efter diamant och kubisk bornitrid. Detta material kan formas till olika former för industriellt bruk, inklusive slipskivor och skärverktyg; dess låga neutrontvärsnitt och motståndskraft mot strålningsskador gör det användbart i kärnreaktortillämpningar; dessutom används det i stor utsträckning för slipapplikationer samt högtemperaturbeständiga material som används som deoxideringsmedel i metalltillverkningsanläggningar och högtemperaturbeständiga applikationer i industrier.

Kvalitetsstandarder

Kiselkarbidkeramer av hög kvalitet påverkar totalkostnaden och är särskilt viktiga i applikationer där prestanda är avgörande, t.ex. tunga slurryapplikationer och pumpförhållanden där nötnings- och korrosionsbeständighet är avgörande. Kiselkarbid utmärker sig genom sin hårdhet och kemiska inertitet, vilket gör den lämplig för dessa krävande förhållanden. I jämförelse kan volframkarbid (WC) spricka på grund av sitt volframbindande material; för att uppnå jämförbar korrosionsbeständighet krävs kostsamma tillsatser av molybden eller krom för att uppnå liknande korrosionsbeständighet.

Tillverkningsprocesser som används för att tillverka kiselkarbid spelar också en viktig roll för dess kvalitet och kostnad. Sintring i varmpress skapar ett mer konsekvent material än Acheson- och Lely-processerna; sintrad SiC av högre kvalitet kan också bearbetas med precision, medan dess värmeledningsförmåga gör den idealisk för krävande applikationer som ugnskomponenter och termiska barriärbeläggningar.

Kiselkarbidens egenskaper med brett bandgap har gjort den till en ovärderlig teknik i batteridrivna elfordon, där dess egenskaper med brett bandgap möjliggör lägre effekttäthet per wafer, högre switchfrekvenser och kortare laddningstider. Men att uppfylla industrins stränga mål om noll defekter kan vara svårt för tillverkare av kiselkarbidsubstrat; tillverkarna måste se till att deras produkter klarar tuffa miljöer och produktionsprocesser genom att arbeta med leverantörer som erbjuder heltäckande lösningspaket.

Produktionsvolym

Tillverkningen av kiselkarbid kräver enormt mycket energi och tid och har en negativ inverkan på miljön genom koldioxidutsläpp och vattenförbrukning. Därför är det viktigt att de material som används vid tillverkningen av kiselkarbid kommer från ekologiskt hållbara källor.

Efterfrågan på kiselkarbid har skjutit i höjden globalt i takt med att användningen ökar inom kraftelektronik och fordonstillämpningar. Halvledarchip i kiselkarbid gör det möjligt för bilar att köra längre på en laddning, vilket minskar bränsleförbrukningen. Deras ökning förväntas stimulera intresset för elfordon.

Kiselkarbid är ett idealiskt materialval för kraftaggregat tack vare dess motståndskraft mot termiska chocker och höga spänningar som finns i dessa enheter, samt att det kan arbeta vid högre temperaturer än sina traditionella kiselmotsvarigheter.

I takt med att efterfrågan på kiselkarbid ökar har tillverkarna börjat investera i nya anläggningar. Bosch har nyligen byggt ut sin waferfabrik i Reutlingen för att kunna tillverka 8-tums wafers, vilket gör det möjligt att tillverka större mängder halvledare per batch samtidigt som kostnaderna sänks.

ROHM Co, Ltd (Japan), STMicroelectronics N.V (Schweiz), Infineon Technologies AG (Tyskland), Semiconductor Components Industries LLC (USA), WOLFSPEED INC (USA) och GeneSiC Semiconductor Inc (USA). Vart och ett av dessa företag har använt sig av olika strategier såsom produktlanseringar, partnerskap, samarbeten, kontrakt, förvärv och expansioner för att ytterligare etablera sig på marknaden.