Processo di produzione del carburo di silicio

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale semiconduttore ad alte-prestazioni ampiamente utilizzato nell'elettronica di potenza, nell'optoelettronica e nei dispositivi a radiofrequenza grazie alla sua eccellente resistenza alle alte-temperature, all'alta-tensione e alle caratteristiche di alta-frequenza. Il processo produttivo del carburo di silicio prevede principalmente le seguenti fasi:

Preparazione delle materie prime: le principali materie prime per la produzione di carburo di silicio sono polvere di silicio e polvere di carbonio di elevata purezza-. In genere la purezza della polvere di silicio deve essere superiore al 99,999%, mentre per la polvere di carbonio è necessario utilizzare grafite o coke di petrolio di elevata purezza-. La purezza delle materie prime influisce direttamente sulle prestazioni del prodotto finale.

Miscelazione e stampaggio: la polvere di silicio e la polvere di carbonio vengono miscelate in una certa proporzione, solitamente con un rapporto molare carbonio-e-silicio controllato a circa 1:1. La polvere miscelata viene quindi pressata in un corpo verde. Lo stampaggio può essere effettuato mediante spremitura a freddo o a caldo, a seconda delle esigenze delle lavorazioni successive.

Sintesi di reazione ad alta-temperatura: il corpo verde stampato viene sottoposto a sintesi di reazione in un forno ad alta-temperatura, con la temperatura generalmente controllata tra 1600-2500 gradi. Durante questo processo, il silicio e il carbonio reagiscono chimicamente per formare carburo di silicio. Il tempo di reazione varia da alcune ore a decine di ore, a seconda del tipo di forno e dei parametri di processo.

Frantumazione e classificazione: i blocchi di carburo di silicio sintetizzati devono essere frantumati e classificati per ottenere polvere di carburo di silicio della dimensione delle particelle richiesta. Le attrezzature di frantumazione includono tipicamente frantoi a mascelle o mulini a sfere, mentre la classificazione viene ottenuta tramite vagliatura o classificazione ad aria.

Trattamento di purificazione: per rimuovere le impurità introdotte durante la sintesi, la polvere di carburo di silicio richiede un lavaggio acido o una purificazione ad alta-temperatura. Il lavaggio acido utilizza solitamente acido cloridrico o acido fluoridrico, mentre la purificazione ad alta-temperatura viene effettuata in atmosfera inerte a temperature superiori a 2000 gradi.

Sinterizzazione e densificazione: per le applicazioni che richiedono carburo di silicio ad alta-densità, la polvere deve essere sottoposta a sinterizzazione. I metodi di sinterizzazione includono la sinterizzazione senza pressione, la pressatura a caldo e la pressatura isostatica a caldo. Le temperature di sinterizzazione sono tipicamente comprese tra 1800 e 2200 gradi e l'aggiunta di ausiliari di sinterizzazione come boro o alluminio può favorire la densificazione.

Elaborazione e test: il pezzo grezzo in carburo di silicio sinterizzato richiede lavorazioni meccaniche (come taglio, molatura e lucidatura) per raggiungere i requisiti finali di precisione dimensionale e superficiale. Dopo la lavorazione sono necessari test rigorosi sulle prestazioni, tra cui densità, durezza, conduttività termica e proprietà elettriche.