Cerâmica de Carboneto de Silício vs. Carboneto de Silício Semicondutor: O Mesmo Material com Dois Destinos Distintos

1. Requisitos de Pureza Divergente para Matérias-Primas

 

O SiC de grau cerâmico possui requisitos de pureza relativamente brandos para sua matéria-prima em pó. Normalmente, produtos de grau comercial com pureza de 90% a 98% podem atender à maioria das necessidades de aplicação, embora cerâmicas estruturais de alto desempenho possam exigir pureza de 98% a 99,5% (por exemplo, o SiC ligado por reação requer um teor controlado de silício livre). Ele tolera certas impurezas e, às vezes, incorpora intencionalmente auxiliares de sinterização como óxido de alumínio (Al₂O₃) ou óxido de ítrio (Y₂O₃) para melhorar o desempenho da sinterização, reduzir as temperaturas de sinterização e aumentar a densidade do produto final.

 

O SiC de grau semicondutor exige níveis de pureza quase perfeitos. O SiC monocristal de grau substrato requer pureza ≥99,9999% (6N), com algumas aplicações de ponta exigindo pureza de 7N (99,99999%). Camadas epitaxiais devem manter as concentrações de impurezas abaixo de 10¹⁶ átomos/cm³ (evitando impurezas de nível profundo, como B, Al e V). Mesmo traços de impurezas, como ferro (Fe), alumínio (Al) ou boro (B), podem impactar severamente as propriedades elétricas, causando espalhamento de portadores, reduzindo a intensidade do campo de ruptura e, por fim, comprometendo o desempenho e a confiabilidade do dispositivo, exigindo um controle rigoroso de impurezas.

 

Material semicondutor de carboneto de silício

 

2. Estruturas Cristalinas Distintas e Qualidade

 

O SiC de grau cerâmico existe principalmente como pó policristalino ou corpos sinterizados compostos por numerosos microcristais de SiC orientados aleatoriamente. O material pode conter múltiplos politipos (por exemplo, α-SiC, β-SiC) sem controle rigoroso sobre politipos específicos, com ênfase na densidade e uniformidade geral do material. Sua estrutura interna apresenta contornos de grãos abundantes e poros microscópicos, e pode conter auxiliares de sinterização (por exemplo, Al₂O₃, Y₂O₃).

 

O SiC de grau semicondutor deve ser constituído por substratos monocristais ou camadas epitaxiais com estruturas cristalinas altamente ordenadas. Requer politipos específicos obtidos por meio de técnicas de crescimento cristalino de precisão (por exemplo, 4H-SiC, 6H-SiC). Propriedades elétricas, como mobilidade eletrônica e banda proibida, são extremamente sensíveis à seleção de politipos, exigindo controle rigoroso. Atualmente, o 4H-SiC domina o mercado devido às suas propriedades elétricas superiores, incluindo alta mobilidade de portadores e intensidade de campo de ruptura, tornando-o ideal para dispositivos de potência.

 

3. Comparação de complexidade de processos

 

O SiC de grau cerâmico emprega processos de fabricação relativamente simples (preparação do pó → conformação → sinterização), análogos à “fabricação de tijolos”. O processo envolve:

 

• Mistura de pó de SiC de qualidade comercial (normalmente de tamanho micrométrico) com ligantes
• Formação por prensagem
• Sinterização em alta temperatura (1600-2200°C) para atingir a densificação por difusão de partículas
  A maioria das aplicações pode ser satisfeita com densidade >90%. Todo o processo não requer controle preciso do crescimento de cristais, concentrando-se, em vez disso, na consistência da conformação e sinterização. As vantagens incluem flexibilidade do processo para formatos complexos, embora com requisitos de pureza relativamente menores.

 

O SiC de grau semicondutor envolve processos muito mais complexos (preparação de pó de alta pureza → crescimento de substrato monocristalino → deposição de wafer epitaxial → fabricação do dispositivo). As principais etapas incluem:

 

• Preparação do substrato principalmente por meio do método de transporte físico de vapor (PVT)
• Sublimação de pó de SiC em condições extremas (2200-2400°C, alto vácuo)
• Controle preciso de gradientes de temperatura (±1°C) e parâmetros de pressão
• Crescimento da camada epitaxial por deposição química de vapor (CVD) para criar camadas dopadas uniformemente espessas (tipicamente de vários a dezenas de mícrons)
  Todo o processo requer ambientes ultralimpos (por exemplo, salas limpas Classe 10) para evitar contaminação. As características incluem extrema precisão do processo, exigindo controle sobre campos térmicos e vazões de gás, com requisitos rigorosos tanto para a pureza da matéria-prima (>99,9999%) quanto para a sofisticação dos equipamentos.

 

4. Diferenças significativas de custos e orientações de mercado

 

Características do SiC de grau cerâmico:

• Matéria-prima: Pó de qualidade comercial
• Processos relativamente simples
• Baixo custo: milhares a dezenas de milhares de RMB por tonelada
• Amplas aplicações: Abrasivos, refratários e outras indústrias sensíveis a custos

 

Características do SiC de grau semicondutor:

• Longos ciclos de crescimento do substrato
• Controle de defeitos desafiador
• Baixas taxas de rendimento
• Alto custo: milhares de dólares por substrato de 6 polegadas
• Mercados focados: Eletrônicos de alto desempenho, como dispositivos de energia e componentes de RF
  Com o rápido desenvolvimento de novos veículos de energia e comunicações 5G, a demanda do mercado está crescendo exponencialmente.

 

5. Cenários de Aplicação Diferenciados

 

O SiC de grau cerâmico serve como "carro-chefe industrial", principalmente para aplicações estruturais. Aproveitando suas excelentes propriedades mecânicas (alta dureza, resistência ao desgaste) e térmicas (resistência a altas temperaturas, resistência à oxidação), ele se destaca em:

 

• Abrasivos (rebolos, lixas)
• Refratários (revestimentos de fornos de alta temperatura)
• Componentes resistentes ao desgaste/corrosão (corpos de bombas, revestimentos de tubos)

 

Componentes estruturais cerâmicos de carboneto de silício

 

O SiC de grau semicondutor atua como a “elite eletrônica”, utilizando suas propriedades de semicondutor de ampla banda para demonstrar vantagens exclusivas em dispositivos eletrônicos:

 

• Dispositivos de energia: inversores EV, conversores de rede (melhorando a eficiência da conversão de energia)
• Dispositivos de RF: estações base 5G, sistemas de radar (permitindo frequências operacionais mais altas)
• Optoeletrônica: Material de substrato para LEDs azuis

 

Wafer epitaxial de SiC de 200 milímetros

 

Dimensão	SiC de grau cerâmico	SiC de grau semicondutor
Estrutura Cristalina	Policristalinos, múltiplos politipos	Monocristal, politipos rigorosamente selecionados
Foco no Processo	Densificação e controle de forma	Controle de qualidade de cristal e propriedade elétrica
Prioridade de desempenho	Resistência mecânica, resistência à corrosão, estabilidade térmica	Propriedades elétricas (banda proibida, campo de ruptura, etc.)
Cenários de Aplicação	Componentes estruturais, peças resistentes ao desgaste, componentes de alta temperatura	Dispositivos de alta potência, dispositivos de alta frequência, dispositivos optoeletrônicos
Fatores de Custo	Flexibilidade de processo, custo de matéria-prima	Taxa de crescimento do cristal, precisão do equipamento, pureza da matéria-prima

 

Em resumo, a diferença fundamental decorre de seus propósitos funcionais distintos: o SiC de grau cerâmico utiliza "forma (estrutura)", enquanto o SiC de grau semicondutor utiliza "propriedades (elétricas)". O primeiro busca um desempenho mecânico/térmico econômico, enquanto o segundo representa o ápice da tecnologia de preparação de materiais como um material funcional monocristalino de alta pureza. Embora compartilhem a mesma origem química, o SiC de grau cerâmico e o de grau semicondutor apresentam diferenças claras em pureza, estrutura cristalina e processos de fabricação – mas ambos contribuem significativamente para a produção industrial e o avanço tecnológico em seus respectivos domínios.