Substrat av kiselkarbid (SiC) har snabbt blivit ett viktigt element i kraftelektronik tack vare sina överlägsna egenskaper. Jämfört med traditionella kiselskivor har SiC-substrat en överlägsen värmeledningsförmåga och kan motstå högre elektriska fält än sina motsvarigheter i kisel.
SiC kan formas till olika kristallina strukturer som kallas polytyper; tre av de mest använda halvledarapplikationerna involverar 3C-SiC- och 4H-SiC-material.
Hög värmeledningsförmåga
Kiselkarbid (SiC) är ett effektivt halvledarmaterial med brett bandgap som erbjuder många fördelar för kraftapplikationer, t.ex. att det klarar högre temperaturer och spänningar mer effektivt, och med högre värmeledningsförmåga sprids värmen snabbare, vilket minskar behovet av kylsystem och möjliggör mindre och mer kompakta enheter.
Många tillverkare använder SiC-substrat i sina produktionsprocesser, men de stora storlekarna kan vara en utmaning för bearbetbarheten - vilket kan påverka klyvnings- och bearbetningsprestanda samt producera undermåliga wafers som kan ha en negativ inverkan på enhetens prestanda.
Nyligen visade forskare från Osaka Metropolitan University Graduate School of Engineering för första gången att 3C-SiC har en hög värmeledningsförmåga - lika hög som diamantens. Med hjälp av analystekniker på atomnivå kunde forskarna fastställa att materialets näst enklaste kristallstruktur efter diamant har en exceptionell värmeledningsförmåga bland material med stor diameter.
Teamet upptäckte att SiC:s värmeledningsförmåga beror på dess genomsnittliga fria väg för fononer, som mäter kollisioner mellan värmebärande fononer. Denna väg kan påverkas av faktorer som kornstorlek, legeringselement, föroreningar, vakanser och kristalldefekter - inklusive staplingsfel - men genom att kontrollera staplingsfel kan den hanteras och värmeledningsförmågan förbättras.
Hög hållfasthet
Kiselkarbidens hållfasthet minskar inte med stigande temperaturer, särskilt inte i den solidfasesintrade versionen (SSiC), som behåller både Mohs hårdhet på 9,5 och elektrisk halvledningsförmåga. Dessutom gör dess motståndskraft mot korrosion, nötning och erosion det möjligt att tillverka komponenter som är utformade för att klara utmanande miljöer i tillämpningar som 3D-printing, ballistik, energiteknik, papperstillverkning, kemisk bearbetning, pump- och motordelar.
På grund av sin låga värmeutvidgning är SSiC ett utmärkt material för speglar i astronomiska teleskop, med låg vikt och styvhet som gör teleskopspeglar upp till 3,5 m (11 fot). Jämfört med metallspeglar är SSiC mycket lättare, lättare att hantera och mer reflekterande.
Kiselkarbidens isolerande egenskaper gör att den kan användas i krafthalvledarkomponenter, där dess överlägsna effektivitet jämfört med traditionella kiselmaterial gör att den kan göra kraftkomponenter mer energieffektiva. I synnerhet ger det bredbandiga egenskaper vid höga strömmar och spänningar för att minimera kopplingsförluster och energiförluster i kraftöverföringssystem. System för laddning av elfordon och produktion av förnybar energi har stor nytta av högspänningskopplingsenheter som optimerar effektiviteten i kraftomvandlingen, vilket bidrar till att öka räckvidden, minska laddningstiderna och säkerställa effektiv kraftomvandling. De förbättrar också prestandan i högspänningsenheter för kraftelektronik genom att förlänga livslängden och öka strömkapaciteten - vilket är särskilt viktigt med tanke på de tuffa miljöförhållandena.
Låg koefficient för termisk expansion
Kiselkarbid är ett extremt hårt och motståndskraftigt material med låg värmeutvidgningskoefficient och korrosionsbeständighet, vilket gör det perfekt för krävande förhållanden som 3D-printing, ballistikproduktion och papperstillverkning. Dessutom är kiselkarbid giftfritt och har ett högt förhållande mellan styrka och vikt.
Amerikanen Edward G. Acheson upptäckte kiselkarbid av en slump när han försökte framställa konstgjorda diamanter. När han värmde upp en blandning av lera och pulveriserad koks i en järnskål med en kolelektrod till höga temperaturer bildades ljusgröna kristaller som hade samma hårdhet som diamant. Han döpte den nybildade föreningen till Carborundum, som senare blev SiC.
Kiselkarbidkeramik kan formas till olika former genom olika sintringsformningsmetoder som varierar beroende på substratmaterialets egenskaper. Varmpressningssintring och direktsintring är två allmänt använda processer för att producera kiselkarbidsubstrat med olika resistivitetsnivåer: halvisolerande substrat har låga resistivitetsnivåer medan kiselkarbider av n-typ ger lägre resistivitetsnivåer.
Optiska komponenter tillverkade av kiselkarbid blir alltmer populära i olika branscher, men dess styrka, spänningsnivåer och andra designparametrar beror på vilken tillverkningsmetod som används. Därför är det viktigt att du förstår alla nyanser när du väljer ett lämpligt kiselkarbidsubstrat för din applikation.
Låg resistivitet
Kiselkarbid klarar extremt höga temperaturer utan att reagera med syror eller alkalier, samtidigt som det är motståndskraftigt mot mekanisk påfrestning och sprickbildning - egenskaper som gör det till ett idealiskt material för mekaniska tätningar som måste fungera under extrema temperaturer och påfrestningar.
Kiselkarbidens låga elektriska resistivitet gör den lämplig för många applikationer, inklusive kraftelektronikenheter och delar till halvledarprocessorer. Dessutom har den lägre värmeledningsförmåga än safir samtidigt som den kan tillverkas i olika polytyper som gör det möjligt att kontrollera dess elektriska resistivitet.
Kiselkarbid är ett halvledarmaterial, så dopning kan enkelt skapa antingen en n-typ- eller p-typstruktur. Dopning använder vanligtvis kväve eller fosfor för sina dopningsbehov medan beryllium, bor eller aluminium vanligtvis används för sina dopningsapplikationer av p-typ. Dopningsalternativ hjälper till att kontrollera elektriskt motstånd vilket gör porös kiselkarbid mer fördelaktig i olika applikationer.
Kiselkarbidens kristallina struktur bidrar också till dess låga elektriska resistivitet, eftersom den tillåter ledande vägar mellan kol- och kiselatomer. Dessutom gör denna struktur kiselkarbiden isotropisk, det vill säga dess elektriska och termiska egenskaper förblir konsekventa över dess dimensioner för bättre kontroll över resistiviteten i porösa kiselkarbidprodukter.
Swedish 
English