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碳化硅(SiC),又稱金剛砂。1891年美國人艾契遜(Acheson)發(fā)明了碳化硅的工業(yè)制造方法。碳化硅是用天然硅石、碳、木屑、工業(yè)鹽作基本合成原料,在電阻爐中加熱反應(yīng)合成。其中加入木屑是為了使塊狀混合物在高溫下形成多孔性,便于反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體及揮發(fā)物從中排除,避免發(fā)生,因?yàn)楹铣蒊T碳化硅,將會(huì)生產(chǎn)約1.4t的(CO)。工業(yè)鹽(NaCl)的作用是便于除去料中存在的氧化鋁、氧化鐵等雜質(zhì)。
第三代半導(dǎo)體材料,主要代表碳化硅和氮化相對(duì)于前兩代半導(dǎo)體材料而言,在高溫、高壓、高頻的工作環(huán)境下有著明顯的優(yōu)勢(shì)。
碳化硅早在1842年就被發(fā)現(xiàn)了,直到1955年才開發(fā)出生長碳化硅晶體材料的方法,1987年商業(yè)化生產(chǎn)的的碳化硅才進(jìn)入市場(chǎng),21世紀(jì)后碳化硅的商業(yè)應(yīng)用才算鋪開。
與硅相比,碳化硅具有更高的禁帶寬度,禁帶寬度越寬,臨界擊穿電壓越大,高電壓下可以減少所需器件數(shù)目。具有高飽和電子飄逸速度,制作的元件開關(guān)速度大約是硅的3-10倍,高壓條件下能高頻操作,所需的驅(qū)動(dòng)功率小,電路能量損耗低。具有高熱導(dǎo)率,可減少所需的冷卻系統(tǒng),也更適用于高功率場(chǎng)景下的使用,一般的硅半導(dǎo)體器件只能在100℃以下正常運(yùn)行,器件雖然能在200℃以上工作,但是效率大大下降,而碳化硅的工作溫度可達(dá)600℃,具有很強(qiáng)的耐熱性。并且混合SIC器件體積更小,工作損耗的降低以及工作溫度的上升使得集成度提高,體積減小。
(二)制品制造工藝
單純用α-SiC制造制品,由于其硬度較大,將其磨成微米級(jí)細(xì)粉相當(dāng)困難,而且顆粒呈板狀或針狀,用它壓成的坯體,即使在加熱到它的分解溫度附近,也不會(huì)發(fā)生明顯的收縮,難以燒結(jié),制品的致密化程度低,能力也差。因此,在工業(yè)生產(chǎn)制品時(shí),在α-SiC中加入少量的顆粒呈球形的β-SiC細(xì)粉和采用添加物的辦法來獲得致密制品。作為制品結(jié)合劑的添加物,按種類可分為氧化物、氮化物、石墨等多種,如粘土、氧化鋁、鋯英石、莫來石、石灰、玻璃、氮化硅、氧氮化硅、石墨等。成型粘結(jié)劑溶液可用羧纖維素、聚乙烯醇、木質(zhì)素、淀粉、氧化鋁溶膠、二氧化硅溶膠等其中的一種或幾種。
碳化硅的原料有石英砂、石油焦等,又叫金剛砂,化學(xué)結(jié)構(gòu)為六方形晶體,通常比重為 3.2,硬度較大,平均為3000kg/mm2。碳化硅具有很多優(yōu)點(diǎn),如導(dǎo)熱系數(shù)高、膨脹系數(shù)小、體積小和強(qiáng)度高等。碳化硅涂層被電磁波影響,從而產(chǎn)生感應(yīng)電流,應(yīng)電流易受電磁場(chǎng)影響改變方向,同時(shí)由于材料的高電阻阻礙,電磁波的能量會(huì)變?yōu)闊崃可⑹?,即能量消耗,這樣雷達(dá)等電子設(shè)備的信號(hào)大大減弱,這種現(xiàn)象稱為吸波性能。
不同類型的碳化硅材料具有不同的吸波能力。例如,異形截面的碳化硅與邊界規(guī)則的碳化硅截面具有不同的吸波性能,不同碳化硅的表面曲率不同,其電荷聚集的能力也不同,通常曲率較小則容易聚集電荷。另外,不同厚度的涂層對(duì)吸波性能也有不同的影響。