Trong thời đại công nghiệp sản xuất công nghệ cao phát triển nhanh chóng hiện nay, vật liệu gốm sứ không còn giới hạn trong các ứng dụng truyền thống. Với sự nâng cấp của các ngành công nghiệp bán dẫn, năng lượng, ô tô và hàng không vũ trụ, silicon carbide (SiC) - một loại vật liệu gốm sứ mới có hiệu suất cao - đang trở thành tâm điểm trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp và kỹ thuật điện tử. Vậy, silicon carbide là loại tinh thể gì? Cấu trúc, tính chất và ứng dụng của nó là gì? Bài viết này sẽ phân tích sâu về bản chất và giá trị công nghiệp của vật liệu này, do Zhihao Ceramics thực hiện.

Silicon carbide là một hợp chất được hình thành bởi các nguyên tử carbon (C) và silicon (Si) liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Nó thuộc loại tinh thể cộng hóa trị, có lực liên kết nguyên tử cực mạnh và cấu trúc mạng tinh thể ổn định cao. Loại tinh thể này có cả hai tính chất của gốm sứ và chất bán dẫn, là một vật liệu bán dẫn có dải cấm rộng điển hình.

Silicon carbide không phải là kim loại, cũng không phải là hợp chất polymer, mà là một tinh thể hợp chất vô cơ phi kim loại. Tính chất hóa học của nó cực kỳ ổn định, vẫn duy trì cấu trúc nguyên vẹn trong môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao và ăn mòn mạnh. Do đó, silicon carbide đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp truyền thống như gốm sứ, linh kiện điện tử, thiết bị nhiệt độ cao và năng lượng mới.

Cấu trúc tinh thể của silicon carbide cực kỳ phức tạp. Nó không phải là một loại tinh thể duy nhất, mà là một vật liệu đa hình có nhiều dạng tinh thể khác nhau. Hiện nay, có hơn 200 loại tinh thể silicon carbide đã được biết đến, trong đó các loại phổ biến bao gồm:

Cấu trúc tinh thể của silicon carbide có đơn vị cơ bản là tứ diện, mỗi nguyên tử silicon được bao quanh bởi bốn nguyên tử carbon, tạo thành cấu trúc liên kết cộng hóa trị sp³ ổn định. Liên kết mạnh mẽ này mang lại cho silicon carbide độ cứng cực cao, tính trơ hóa học và độ dẫn nhiệt tốt.

Khi xem cấu trúc tinh thể của silicon carbide, có thể thấy các lớp nguyên tử được sắp xếp theo chu kỳ dọc theo trục c, và các thứ tự xếp chồng khác nhau tạo ra các dạng tinh thể khác nhau. Tính đa hình này là nguồn gốc quan trọng của các tính chất vật lý độc đáo của silicon carbide.

Trong silicon carbide, silicon (Si) có hóa trị +4 và carbon (C) có hóa trị −4. Sự cân bằng hóa trị này đảm bảo tính trung hòa điện của tinh thể.
Các tính chất vật lý chính của silicon carbide như sau:

• Độ cứng: gần 9,5, chỉ đứng sau kim cương

• Điểm nóng chảy: khoảng 2730°C

• Độ dẫn nhiệt: 120–270 W/m·K (cao hơn hầu hết các kim loại)

• Chiết suất (n): khoảng 2,6–2,7

• Mật độ: khoảng 3,21 g/cm³

• Điện trở suất: 10⁵–10⁶ Ω·cm (tùy thuộc vào mức độ pha tạp)

• Băng cấm: khoảng 2,3–3,3 eV (tùy thuộc vào cấu trúc tinh thể)

Với những đặc tính này, silicon carbide thể hiện hiệu suất cực cao trong các lĩnh vực cách điện, tản nhiệt, mài mòn cơ học và điện tử nhiệt độ cao.

Trong ngành công nghiệp bán dẫn, ý nghĩa của silicon carbide (SiC) có thể so sánh với bước đột phá mang tính cách mạng của vật liệu silicon trong quá khứ. Là một trong những đại diện của vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba (loại còn lại là nitride gallium GaN), bán dẫn SiC có điện trường phá vỡ cao hơn, khả năng dẫn nhiệt tốt hơn và mật độ dòng điện cao hơn.

Substrate silicon carbide là vật liệu đơn tinh thể được tạo ra bằng phương pháp thăng hoa nhiệt độ cao hoặc công nghệ lắng đọng hóa học khí (CVD), được sử dụng làm nền cho các thiết bị công suất cao.
Trong hệ thống sản xuất chính xác của Zhihao Ceramics, đế silicon carbide được sử dụng rộng rãi trong:

• MOSFET (Transistor hiệu ứng trường)

• IGBT (Transistor lưỡng cực cổng cách điện)

• Điốt Schottky

• Mô-đun sạc trên xe (OBC)

• Thiết bị cảm biến nhiệt độ cao

Do khả năng chịu nhiệt độ cao và điện áp phá vỡ cao của đế SiC, nó cho phép các thiết bị điện tử hoạt động ổn định ở công suất cao hơn và kích thước nhỏ hơn.

Tấm silicon carbide là những tấm mỏng được cắt, mài và đánh bóng từ thanh silicon carbide đơn tinh thể, là vật liệu cốt lõi trong sản xuất bán dẫn.
Các tấm SiC có độ tinh khiết cao do Zhihao Ceramics cung cấp có các đặc điểm sau:

• Độ phẳng cao, mật độ khuyết tật thấp;

• Có tính ổn định nhiệt tuyệt vời;

• Có thể tương thích với thiết bị công nghệ silicon hiện có.

Ứng dụng của tấm silicon carbide bao gồm bộ biến tần cho xe điện mới, bộ chuyển đổi nguồn điện, hệ thống điều khiển động cơ tốc độ cao và thiết bị truyền thông tần số cao.

Silicon carbide có cả hai đặc tính của gốm cấu trúc và gốm chức năng, ứng dụng của nó trải rộng trên nhiều lĩnh vực công nghiệp công nghệ cao:

Chuẩn bị gốm sứ là nhà cung cấp gốm sứ silicon carbide hàng đầu trong ngành, thông qua việc kiểm soát bột có độ tinh khiết cao, công nghệ nung kết chính xác và gia công CNC chính xác, cung cấp cho khách hàng các bộ phận silicon carbide cấp cấu trúc và cấp điện tử.

Trong nguyên liệu công nghiệp, cacbua silic chủ yếu được chia thành hai loại: cacbua silic đen và cacbua silic xanh.

Zhi Hao Ceramics chủ yếu sử dụng silicon carbide xanh có độ tinh khiết cao trong lĩnh vực gốm kỹ thuật, được sử dụng để sản xuất đế bán dẫn, đế tản nhiệt và các bộ phận điện tử chịu nhiệt độ cao, đảm bảo vật liệu đạt được sự cân bằng tối ưu giữa tính dẫn nhiệt và tính cách điện.

Trong các cuộc thảo luận về chất bán dẫn thế hệ thứ ba, silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN) thường được so sánh. Mặc dù cả hai đều thuộc loại chất bán dẫn dải cấm rộng, nhưng mỗi loại có những ưu điểm riêng biệt:

Tóm lại:

• Silicon carbide phù hợp hơn cho các ứng dụng có điện áp cao và công suất cao (như xe điện, nguồn điện công nghiệp, điện tử hàng không).

• Nitride gallium phù hợp hơn cho các ứng dụng tần số cao, tốc độ cao (như truyền thông 5G, hệ thống radar).

Zhi Hao Ceramics đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm sản xuất trong lĩnh vực vật liệu SiC, cung cấp các giải pháp gốm sứ đáng tin cậy lâu dài cho các hệ thống điện tử công suất cao.

Nhiều người mới bắt đầu thường nhầm tưởng rằng silicon carbide là một hợp chất polymer. Trên thực tế, silicon carbide không phải là một cấu trúc polymer, mà là một tinh thể vô cơ covalent.
Các liên kết nguyên tử của nó là liên kết cộng hóa trị Si–C, không có cấu trúc chuỗi polymer hữu cơ và cũng không chứa liên kết hydrocarbon.
Do đó, silicon carbide thuộc loại vật liệu tinh thể hợp chất vô cơ phi kim loại điển hình, chứ không phải là polymer.

Chìa khóa để sản xuất bột silicon carbide là độ tinh khiết của nguyên liệu, kiểm soát hạt và môi trường nung kết. Zhihao Ceramics sử dụng quy trình sản xuất sau:

1. Phản ứng tổng hợp theo phương pháp Acheson: Trong lò điện trở ở nhiệt độ 2200°C, phản ứng giữa cát thạch anh và nguồn carbon tạo ra tinh thể SiC;

2. Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha khí (CVD): được sử dụng để chế tạo SiC đơn tinh thể có độ tinh khiết cao;

3. Quá trình phản ứng nung kết (RBSiC): Phản ứng giữa bột carbon và bột Si để tạo ra cấu trúc đặc chắc;

4. Công nghệ nung nóng áp suất cao (HPSiC): Tăng độ đặc của hạt, tăng cường độ bền cơ học và tính dẫn nhiệt.

Chỉ với khả năng nung kết chính xác và gia công CNC độc lập, Zhihao Ceramics có thể cung cấp các bộ phận silicon carbide tùy chỉnh, từ gốm cấu trúc đến chất nền điện tử, tích hợp toàn bộ quy trình.

Với sự phát triển của ngành công nghiệp xe điện và lưu trữ năng lượng quang điện, các thiết bị điện tử silicon carbide đang trở thành trung tâm của cuộc cách mạng hiệu suất năng lượng:

• Biến tần xe điện mới: SiC MOSFET có thể nâng cao hiệu suất hệ thống từ 3% lên 5%, đồng thời giảm kích thước hệ thống tản nhiệt.

• Mô-đun sạc nhanh: Thiết bị SiC có khả năng chịu áp suất cao và tần số cao, giúp nâng cao hiệu quả sạc.

• Biến tần quang điện: Sử dụng thiết bị SiC trong hệ thống 1500V có thể giảm đáng kể tổn thất công suất;

• Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS): SiC hỗ trợ điều khiển PWM tần số cao, giúp đạt được tốc độ phản hồi nhanh hơn.

Các tấm nền SiC và vật liệu đóng gói gốm của Zhi Hao Ceramics đang được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống truyền động chính và mô-đun điều khiển cao áp của xe điện, giúp khách hàng đạt được mục tiêu sản phẩm tiết kiệm năng lượng và có tuổi thọ cao.

Là một trong những doanh nghiệp sản xuất gốm kỹ thuật hàng đầu của Trung Quốc, Zhihao Ceramics có kinh nghiệm dày dặn trong việc chế tạo và gia công vật liệu silicon carbide:

1. Hệ thống nguyên liệu có độ tinh khiết cao: Sử dụng bột SiC siêu mịn, kiểm soát hàm lượng tạp chất dưới 0,001%.

2. Công nghệ nung kết chính xác: Sử dụng quy trình nung kết CIP lạnh + chân không, đảm bảo độ đậm đặc cao, tỷ lệ lỗ rỗng thấp.

3. Khả năng gia công chính xác CNC: Đạt độ chính xác kích thước ±0.002mm, gia công các cấu trúc hình học phức tạp.

4. Xử lý bề mặt và mạ phủ: Hỗ trợ các quy trình xử lý bề mặt như mài CMP, mạ điện, mạ Ni, mạ Au, v.v.

5. Kinh nghiệm hợp tác đa lĩnh vực: Cung cấp các bộ phận gốm sứ tùy chỉnh cho các ngành công nghiệp như bán dẫn, năng lượng, ô tô, y tế, v.v.

Dòng sản phẩm silicon carbide của Zhi Hao Ceramics bao gồm nhiều loại sản phẩm như đế wafer, tản nhiệt, bộ phận cơ khí, giá đỡ cách điện, v.v., đáp ứng nhu cầu của các kỹ sư và nhân viên mua hàng trong các ứng dụng khác nhau.

Với sự phát triển toàn cầu hướng tới năng lượng mới và chuyển đổi năng lượng điện hiệu quả, thị trường thiết bị bán dẫn silicon carbide đang mở rộng nhanh chóng. Dự kiến đến năm 2030, thị trường thiết bị điện SiC sẽ vượt quá 10 tỷ đô la Mỹ.

Trong tương lai, Zhihao Ceramics sẽ tiếp tục tập trung vào sản xuất cao cấp gốm silicon carbide, thúc đẩy sự phát triển tích hợp từ nghiên cứu và phát triển vật liệu đến ứng dụng cuối cùng.
Từ sản xuất tấm silicon carbide đến gốm cấu trúc chịu nhiệt độ cao, Zhihao Ceramics đang cung cấp nền tảng vật liệu vững chắc cho ngành công nghiệp công nghệ cao toàn cầu bằng công nghệ chính xác và hiệu suất đáng tin cậy.

Bạn đã sẵn sàng biến thiết kế gốm sứ của mình thành hiện thực chưa?

Liên hệ với Zhigao Ceramics để có được giải pháp gia công gốm sứ tùy chỉnh đáp ứng các tiêu chuẩn cao nhất cho ứng dụng của bạn.