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遇见:普通磨料VS尖端磨料

2020-06-23浏览量:1021

信息导读:

6月20日,线上直播研磨展的第6天,今天不仅有郑州庚辛磨料磨具有限公司、沁阳三惠新材料有限公司的负责人来到直播间与大家互动,我们还邀请到了西安博尔新材料有限责任公司的三位博士为大家带来前沿技术讲解,今天又是干货满满的一天。

半导体晶圆级碳化硅


主讲人:段晓波博士


半导体材料发展趋势

半导体从上个世纪50年代发展到现在已经经历了三代以上的更迭。 第一代半导体主要是以Si和Ge为主,是目前发展最成熟的半导体,用途在集成电路上,主要用来做数字芯片。第二代半导体是化合物半导体,比如说像砷化镓、磷化铟等半导体,主要用在光发射器件上,在一些光通信和光电子领域应用比较多。现在随着科技的发展,现在我们又出现了第3代甚至是第4代半导体。主要区分它是看它的禁带宽度。目前世界上比较成熟的半导体是碳化硅和氮化钾,主要用途是来制作一些抗辐射高频、高温,还有一些比较大功率的电子电力器件是比较有优势的。


SiC 半导体的优势

作为宽带隙半导体,碳化硅具有宽的禁带宽度、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力、高电子饱和迁移速率等特点,这使得碳化硅特别适合用于高温、高频、抗辐射及大功率的半导体器件。

SiC 半导体的应用

碳化硅半导体器件,其高频、高效、高温的特性特别适合对效率或温度要求严苛的应用。可广泛应用于太阳能逆变器、车载电源、新能源汽车电机控制器、UPS、充电桩、功率电源等领域。碳化硅现在最典型的应用是在新能源汽车上,如大家熟悉的像特斯拉、比亚迪汽车,在新能源汽车里可以大大提高逆变器的效率,降低电池成本。 随着碳化硅MOS的工作电压的提高,未来高速铁路、风电等领域也是碳化硅的潜在应用市场。


SiC 半导体晶片市场前景

全球导通型碳化硅晶圆材料市场预测。预计到2020年,4英寸碳化硅晶圆的市场需求保持在10万片左右,单价将降低25%;6英寸碳化硅晶圆的市场需求将超过8万片。预计2020-2025年,4英寸碳化硅晶圆的单价每年下降10%左右,市场规模逐步从10万片市场减少到8万片,6英寸晶圆将从8万片增长到20万片;2025-2030年,4英寸晶圆逐渐退出市场,6英寸晶圆将增长至40万片。


全球半绝缘碳化硅晶圆材料市场预测,半绝缘衬底具备高电阻的同时可以承受更高的频率,因此在5G通讯和新一代智能互联,传感感应器件上具备广阔的应用空间。当前主流半绝缘衬底的产品以4英寸为主。2017年,全球半绝缘衬底的市场需求约4万片。预计到2020年,4英寸半绝缘衬底的市场保持在4万片,而6英寸半绝缘衬底的市场迅速提升至4-5万片;2025-2030年,4英寸半绝缘衬底逐渐退出市场,而6英寸晶圆将增长至20万片。


全球碳化硅功率器件市场预测。2017-2020年,碳化硅器件的复合年均增长率超过28%,到2020年市场规模达到35亿元人民币,并以超过40%的复合年均增长率继续快速增长。预计到2025年,全球碳化硅功率器件市场规模将超过150亿元人民币,到2030年,全球碳化硅功率器件市场规模将超过500亿元人民币。国内碳化硅器件的市场约占国际市场的40%-50%。


SiC 半导体单晶生长技术

迄今为止,物理气相传输法(PVT)是生长大尺寸、高质量SiC单晶的最好方法。真空下或惰性气体气氛保护的石墨坩埚中,以高纯SiC粉为原料,在一定的温度和压力下,固态SiC粉在高温下发生分解升华,生成具有一定结构形态的气相组分SimCn,并在SiC籽晶上沉积与结晶。


PVT法生长单晶需要对生长腔物理场特别是热场进行精确的动态控制,常规的实验手段无法观察到物理场的变化,加之SiC有两百多种生成能接晶的晶型,生长出高质量的单晶技术难度高,需要长时间经验积累。


由于碳化硅晶体PVT法生长耗时长,技术控制难度大,全球球仅约有三、四家半导体行业者(Cree、Norstel、新日铁住金等)能提供稳定的产量。中国虽然已着手自产,但在质量方面尚未能赶上美日,因此全球的产能仍十分有限,目前市场也仍是处于供不应求的状况。

国际上碳化硅单晶材料领域存在的问题主要有:

(1)大尺寸碳化硅单晶衬底制备技术仍不成熟。目前国际上碳化硅芯片的制造已经从4英寸换代到6英寸,并已经开发出了8英寸碳化硅单晶样品,与先进的硅功率半导体器件相比,单晶衬底的尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。


(2)缺乏更高效的碳化硅单晶衬底加工技术。碳化硅单晶衬底材料线切割工艺存在材料损耗大、效率低等缺点,必须进一步开发大尺寸碳化硅晶体的切割工艺,提高加工效率。衬底表面加工质量的好坏直接决定了外延材料的表面缺陷密度,而大尺寸碳化硅衬底的研磨和抛光工艺仍不能满足要求,需要进一步开发研磨、抛光工艺参数,降低晶圆表面粗糙度。


(3)P型衬底技术的研发较为滞后。目前商业化的碳化硅产品是单极型器件。未来高压双极型器件需要P型衬底。目前碳化硅P型单晶衬底缺陷较高、电阻率较高,其基础科学问题尚未得到突破,技术开发滞后。


SiC 半导体长晶粉的若干问题

由于我们国家原始创新和基础研究的缺乏,对于长晶这些问题仍认识不清楚。比如碳化硅长晶纯度、粒度的要求是什么?晶型的影响,硅碳比是什么样的?是否是一种原料对应一种工艺?现在大家都很迷茫。纯度的准确表征方法是什么?GD-MS?ICP?化学法?

目前尚无能准确、全面测定超纯碳化硅中杂质的方法,建议多方法联用。



热界面材料的市场情况及技术现状


主讲人:张蕾博士

关于热界面材料
导热界面材料填充于发热元件与散热元件之间的空气间隙,提高导热效率,通常用于通讯设备、计算机和外设、功率变换设备、存储模块、芯片级封装等领域,而散热片通过导热界面器件与电子元件表面接触,利用其在水平方向上的导热性,迅速降低电子产品工作时发热元件所在位置的的温度,使得电子产品温度趋于均匀化,扩大散热表面积以达到降低整个电子产品的温度,提高电子产品的工作稳定性及使用寿命,可分为六大类,包括导热垫片、可剥离的导热凝胶、单/双组分导热凝胶、导热灌封、导热脂/导热膏、导热胶粘剂等。


热界面材料的市场前景非常广阔。根据工业和信息化部预测,2021 年 VR 对导热界面材料将达到 37.8 亿人民币,2016 年至2021年年复合增长率高达 99.37%;2021 年新能源汽车对导热界面材料需求将达到 122.4 亿人民币,成为需求量最大的下游领域之一,年复合增长率达 44.84%。

根据国外一些机构的报道,如2015年发布的报告显示,全球热界面材料的市场规模从14年的7.16亿美元提升至今年的11亿美元,2014年到2020年的年复合增长率是7.28%。根据Credence Research2016年发布的报告,2022年全球热界面材料的市场规模预计达到17.1亿美元,2014年到2022年的年复合增长率是12%。


大家都知道现在5G叫得特别响,而且5G手机已经面世。基于上述情况,短期内的市场规模预测,主要是因为现在设备的升级需求,在5G产品大规模商用以后的增量还没有再继续考虑。可以预测的是,随着5G时代下游市场的快速发展,必将带来导热材料和器件的巨大增量需求。因此有研究机构认为,2021年以后导热材料市场有望在此基础上进一步有显著地提升,导热材料的应用场景会发展的会越来越广阔。


导热橡胶产品类别现在常用的是以下6大类:导热垫片、可剥离的导热凝胶、单/双组份的导热凝胶、导热灌封、导热脂/导热膏、导热胶粘剂。


导热垫片应用

张蕾博士给大家介绍导热垫片的一般应用场景。导热硅胶垫片可以应用于通信与网络,在电池领域,包裹在电池材料上面主要是做导热的元件。从调研来看,新能源汽车对导热材料的应用市场前景非常广阔。


碳化硅产品的导热情况

碳化硅是一个具有高导热的材料,导热系数,单晶可以达到490W/(m·K),β碳化硅,它的多晶可以达到360W/(m·K),我们常用的碳化硅粉导热率一般是80W/(m·K)。碳化硅在电子电器领域有较好的耐化学腐蚀及抗结聚能力。


导热凝胶替代导热垫片

导热凝胶产品的优势是热阻低,产品的散热性能有一个更好的提升;它在器件上具有低应力;更好的润湿性,在更小的压缩形变上可以达到跟导热垫片同样的润湿效果;它可以适应不同高度的芯片,不用特别考虑产品的尺寸及公差的限制,研发设计的灵活;它的物料号统一,提高采购管理的方便性,一个规格型号可以实施多种机型、多种产品的需求;它的点胶自动化程度也很高,极大程度的提高了施工效率,降低了人工及时间成本,优化了产品的稳定性。

单个导热垫片不能把整个产品全部覆盖,而导热凝胶具有良好的流动性,放进去后可以填充整个需要导热的区域,固化之后具有跟导热垫片同样的效果。现在常用的导热垫片已经被导热凝胶逐渐替代,导热硅胶片还具有一些减震吸音的效果,在安装测试的时候可以更便捷。


立方碳化硅产品在导热凝胶使用中的基本情况

可能会有人说,这个数据好像比我们现在看到的市售的导热系数要低很多,需要给大家解释的一点是,这是市售的产品买回来没有经过任何处理,直接加在凝胶里面得到的数据。大家知道无机粉体和有机的凝胶之间有界面相容性的问题,所以可能会有一定差别。我们现在看到很多市售高导热的产品,可能对粉体经过一定的表面处理之后,进一步提升了它的性能。所以这是一个比较真实的产品导热性数据。


纳米立方SiC粉体制备


主讲人:华小虎博士
华博士从公司目前纳米立方碳化硅新材料的性能、制备方法、使用设备等方面进行了分享。


纳米立方碳化硅新材料的性能

碳化硅是一种多晶型结构化合物,其中具有立方晶系结构的化合物称为立方碳化硅,也称β碳化硅(β-SiC)。β-SiC的生成温度介于1200~1900℃,属于低温稳定类型。β-SiC其晶体的等轴结构特点决定了该类粉体具有更好的自然球度。β-SiC微粉其颗粒更易细化和均化,而且可生成大量纳米~亚微米级超细粒子。β-SiC微粉更易于高纯化和精细化。

可以看到β-SiC的堆积密度,它的密度可以高达3.216克每立方厘米,具有良好的线膨胀系数和磁化率。


纳米立方碳化硅的应用

目前纳米立方碳化硅的应用归结于三大领域,陶瓷原料、磨抛材料、增强材料。 

第一个领域,纳米立方SiC应用在高级结构陶瓷、功能陶瓷及高级耐火材料市场有着非常广阔的应用前景。如:在碳化硼陶瓷制品中加入β-SiC能够降低烧结温度的同时可以形成棒状晶粒提高产品的韧性,从而使得碳化硼陶瓷性能大幅提高。


第二个应用领域在磨抛材料。纳米立方SiC粉体由于化学性质稳定、硬度高、耐磨性能好等优点,作为一种游离磨料广泛应用于多种硬脆材料的切片加工过程。如:利用纳米β-SiC做成的研磨材料(油石、研磨盘和研磨液等),具有光洁度高、磨削力强、寿命长的优势。


第三个领域应用在增强材料。由于纳米β-SiC具有金刚石结构,颗粒呈类球形,具有高耐磨耐腐蚀,高导热,低热膨胀系数等特点,在特殊涂层中有着良好的应用前景。如:各种海工机械有机涂层、热喷涂涂层加入纳米β-SiC可以大大提高其导热性、降低热膨胀系数、增加耐磨性等。高强度尼龙材料、特种工程塑料聚醚醚酮(PEEK)、橡胶轮胎、抗压润滑油等加入纳米β-SiC微粉后,其性能提升非常明显。


纳米立方碳化硅制备技术

目前纳米立方碳化硅合成方法主要有固相法、气相法、液相法,这三个合成法又有细分。可以看到合成法各有优势和缺点。

为了获得纯度较高、粒度细的β-SiC,更多的学者采用气相法和液相法进行合成。气相法和液相法对原料的粒度和纯度都要求很高,纯度要求多为99%以上,粒度要求在纳米级,原料比较昂贵,而且由于反应速度较快,合成时间短,所得到的β-SiC产物晶型不完整、缺陷多、孔隙多、堆积密度小且易团聚,不利于工业化应用。


随着合成技术的发展,近年来新发展的机械粉碎法已成为制备超细SiC 粉的主要方法。同时随着新设备和研磨技术的不断涌现, 机械粉碎法已经取得了显著进展。


改进的机械粉碎法工艺简单、粉体分布窄 、质量稳定、效率高, 适合工业化生产并且环境污染少,可有效制备微纳米级β-SiC微粉。西安博尔大力支持项目研发,研发设备投入总资产上千万元,先后为支持研发纳米立方SiC粉体购置了20余套研发实验设备,有扫描隧道显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、激光粒度仪、电阻颗粒计数器、粉体综合性能测试仪、能谱仪、各种规格砂磨机,建有专门的化学分析室和国内粉体测试最全面的物理检测室以及中试实验室,可满足纳米立方SiC粉体制备的测试和实验要求,达到国内领先水平。

纳米立方SiC粉体产品展示目前西安博尔纳米立方SiC粉体规格为:50nm、80nm、100nm 、0.2μm、0.3μm 、0.4μm、0.5μm、0.75μm、1.0μm等。同时,也研发了不同粒度规格的砂磨介质球。


听过三位博士的精彩讲解后,下午我们的直播间迎来了郑州庚辛磨料磨具有限公司的郑慧丽经理及沁阳三惠新材料有限公司的总经理周元龙。

郑州庚辛磨料磨具有限公司

郑州庚辛磨料磨具有限公司成立于2009年,是一家集开发、研制、生产、经营高纯度粒度砂的专业化公司。公司自主研发了适用于砂轮磨具生产企业的多品种、多规格的粒度砂( F砂/P砂)及喷砂系列白刚玉产品。

在与郑总的交流中我们得知,她父亲那辈起就开始从事磨料磨具生意,当时家里主要做砂轮片等磨具产品,当时郑慧丽对技术虽然不了解,但对磨料磨具并不陌生。


2009年,郑慧丽开始接触白刚玉,从开始时的技术小白,到如今对各个型号产品讲解的信手拈来,她花了10多年的时间。如今庚辛的产品已经得到了市场的认可,郑慧丽也在经营企业的过程中对白刚玉有了更深刻的认知。


磨料清洁度对磨具影响特别大,所以庚辛从郑州搬到荥阳后,上了一个干洗、整形的机器,在砂子的纯洁度上下功夫。


“为了提高磨料的白度、纯洁度,庚辛将以往钢球研磨改为陶瓷球研磨。调整后,产品得到了客户的高度认可。”


“今年企业将重新整改厂房,增加生产线,在产品品质方面,企业将磁球生产线和干洗结合起来,不断追求高端。另外在P砂生产方面也会投入更多精力。”


企业的发展离不开好产品,也离不开好员工,郑慧丽说,未来企业对员工的管理会更加严格。关于企业未来的规划,郑慧丽表示,她不会将目标定的太大、太远,还是要把当前的工作做好。比如针对市场需求,或把白度做好,或把密度做好。在满足当前需求的基础上再去做其他方面的提升。

沁阳三惠新材料有限公司

沁阳三惠新材料有限公司始建于2005年,是专业的黑碳化硅磨料及制品的生产企业,公司专业生产高档黑碳化硅磨料,年产量5000吨。产品具有高清洁度、高堆积密度、高含量的特点。

周总告诉我们,其实在我们直播的前几天就想来到我们的直播间,但是因为厂里近期在进行一些设备的升级改造,刚好到收尾的阶段了,所以直到今天才有时间过来参与,不过直播的活动他还是一直关注的,对此,我们也是非常地感谢。


周元龙的父亲1986年时进入磨料磨具行业,2005年创办了三惠。周元龙说,他一直记得父亲和他说过的一句话:这个社会里赚钱的门道非常多,我们只要选中一种,把它做精就可以了。有了父亲的榜样力量,周元龙在接手父亲的事业后,也一直有着尽自己所能把企业做到极致的想法。


目前三惠的整个加工线分为两块:一个是粒度砂生产线,一个是微粉生产线。为了提高磨料的清洁度,三惠挖了一个将近120立方的一个蓄水池,自己去做纯净水,以提高磨料的品质。烘干方面,三惠采用了电烘干箱,一方面使用的是清洁能源,更节能,另一方面不像烧煤那样产生煤灰,不会对磨料造成二次污染。


为了保证产品品质,三惠的微粉和粒度砂都是经过酸洗、水洗的。疫情的发生让不少企业压力倍增,而在这样的形势下,三惠仍投入了100多万元用来购置环保设备和生产设备。周元龙说,这样的准备主要是企业对下半年市场的复苏充满信心。


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