El silicio es ampliamente conocido como un elemento básico de la industria de los semiconductores, pero otro material semiconductor que está ganando terreno rápidamente es el carburo de silicio. Este nuevo material puede ampliar la autonomía de los vehículos eléctricos, optimizar los sistemas de inversores y reducir el tamaño y el peso.
El SiC es conocido por su amplia banda de separación, su alta resistencia a la ruptura del campo eléctrico y su mayor conductividad térmica; todas ellas características que superan a sus homólogos de silicio. Esto convierte al SiC en un material indispensable en aplicaciones de potencia de alto voltaje.
Ventajas del carburo de silicio
El carburo de silicio (SiC) es un material extremadamente duro, sólo superado por el diamante en la escala de Mohs. Debido a su extrema durabilidad, el carburo de silicio suele elegirse como abrasivo para varios procesos de mecanizado, como el bruñido, el rectificado, el corte por chorro de agua y el chorro de arena. Los refractarios también lo utilizan por su resistencia a altas temperaturas y sus propiedades de baja expansión térmica, cualidades que también se reconocen en las aplicaciones de revestimiento. Además, este material forma parte integrante de la lapidaria moderna, una antigua forma de arte que utiliza marcas pintadas sobre papel para crear un cuadro impreso en calcografía: ¡una poderosa combinación de dureza y durabilidad!
El carburo de silicio se perfila como una atractiva alternativa a los semiconductores de silicio para su uso en dispositivos de potencia que deben soportar altas temperaturas y tensiones, como los interruptores electrónicos de encendido. La banda prohibida más ancha del carburo de silicio hace que los dispositivos de potencia sean más eficientes, pequeños y ligeros que los de silicio.
El carburo de silicio cristaliza como una estructura muy compacta que se mantiene unida covalentemente mediante enlaces covalentes entre sus átomos constituyentes, enlazándolos covalentemente en disposiciones cúbicas tridimensionales denominadas tetraedros -que constan de cuatro átomos de silicio y cuatro de carbono por tetraedro de coordinación- con sus esquinas conectadas a través de esquinas que se enlazan entre sí en estructuras de tipo poli que pueden incluir estructuras hexagonales de zincblenda o formas no cúbicas como las formas b-SiC o 3C-SiC.
La mayor tenacidad a la fractura y dureza del carburo de silicio en comparación con el silicio le permiten soportar mayores fuerzas de impacto sin sufrir daños, lo que lo hace ideal para aplicaciones como el mecanizado abrasivo, las muelas abrasivas y los chalecos antibalas. El carburo de silicio también sirve como ingrediente en hornos utilizados para fundir metales como el hierro fundido y el acero.
Se prevé que la demanda de vehículos eléctricos (VE) crezca significativamente con el tiempo, lo que podría provocar cuellos de botella en la producción y problemas de calidad que reduzcan el rendimiento. Para combatir este riesgo, las empresas necesitan equipos de inspección fiables: los detectores de defectos de SiC basados en capacitancia de MTI Instruments pueden ayudar a los fabricantes a eliminar fallos en el proceso y aumentar el rendimiento de las empresas fabricantes de VE mediante la detección rápida y precisa de defectos a escala de oblea; aumentando el rendimiento. Los fabricantes de baterías para VE pueden aprovechar su velocidad, precisión y rentabilidad eligiendo una solución de detección de defectos integrada de MTI Instruments con sus herramientas existentes.
La banda prohibida más ancha del carburo de silicio
El carburo de silicio (SiC) es un compuesto químico hexagonal extremadamente duradero con una banda prohibida extremadamente ancha, casi tres veces mayor que la de los semiconductores de silicio típicos. Esta brecha más ancha permite a los diseñadores construir dispositivos de potencia capaces de funcionar a frecuencias y tensiones más altas, al tiempo que mejoran la estabilidad térmica y reducen las pérdidas por conmutación.
El carburo de silicio se presenta en forma de polvo, listo para ser transformado en cerámica de diversos usos. Entre las aplicaciones habituales del SiC se encuentran los frenos y embragues de automóviles, así como los chalecos antibalas, debido a su increíble resistencia; el SiC puede soportar temperaturas de hasta 1.400 grados Celsius antes de ceramizarse.
El SiC puede doparse con boro y aluminio para formar un semiconductor de tipo p, mientras que el nitrógeno y el fósforo pueden convertirlo en un semiconductor de tipo n, lo que da a los diseñadores libertad para diseñar productos con características de rendimiento precisas que satisfagan sus necesidades.
La capacidad única del carburo de silicio para soportar temperaturas y tensiones de funcionamiento extremas ha disparado su demanda en la fabricación de productos electrónicos. Comúnmente conocidos como semiconductores de banda ancha (WBG), las revolucionarias propiedades del carburo de silicio están revolucionando la electrónica de potencia al ofrecer una alternativa a las tecnologías de silicio y abrir el camino a muchas aplicaciones innovadoras.
La banda prohibida más ancha del SiC le permite alcanzar una alta tensión de bloqueo con una menor resistencia en ON que los dispositivos de potencia de silicio tradicionales, lo que le proporciona la ventaja de mejorar la eficiencia, aumentar la velocidad y minimizar las pérdidas de potencia en los dispositivos electrónicos. Esta combinación de alta tensión de bloqueo y menor resistencia en ON ayuda a mejorar la eficiencia, acelerar los tiempos de entrega y disminuir significativamente las pérdidas de potencia.
La popularidad del carburo de silicio se ha visto impulsada por su uso en la industria de los vehículos eléctricos. La capacidad del carburo de silicio para gestionar altas tensiones y corrientes permite tiempos de carga más rápidos, distancias de conducción más largas y sistemas de alimentación más eficientes, lo que hace que el carburo de silicio se utilice cada vez más en cargadores de baterías, convertidores CC-CC de a bordo, cadenas cinemáticas y aplicaciones industriales como el aire acondicionado y la automatización industrial.
La amplia banda prohibida del SiC lo convierte en un material ideal para diseños a nivel de sistema que ofrecen una mayor densidad de energía, operaciones más rápidas y menores costes generales. Elkem ofrece IGBT EliteSiC en tensiones de 650 V a 1200 V con diodos diseñados específicamente para proporcionar un rendimiento de conmutación mejorado con una mayor fiabilidad, al tiempo que se reduce el tamaño y el coste del sistema.
Alta conductividad térmica del carburo de silicio
El carburo de silicio fue descubierto por primera vez por el pensilvano Edward Acheson y posee una serie de características únicas que lo convierten en un material cerámico industrial de valor incalculable. El carburo de silicio destaca por su resistencia, estabilidad térmica, propiedades eléctricas adaptadas e inercia química, lo que lo hace ideal para entornos difíciles en los que otros materiales fallarían. Además, la inercia química del SiC le permite soportar entornos que normalmente corroerían otras sustancias.
El SiC es conocido por su rápida disipación del calor gracias a su excelente conductividad térmica y su bajo coeficiente de expansión térmica, lo que lo convierte en el material perfecto para aplicaciones que requieren una refrigeración eficaz. Además, la excepcional dureza y rigidez del SiC lo convierten en un candidato idóneo para su uso en procesos como el rectificado y el corte por chorro de agua.
La dureza del carburo de silicio lo convierte en un material abrasivo ideal, ampliamente utilizado en la fabricación de herramientas y máquinas como muelas abrasivas, cuchillas para herramientas y productos de papel y tela. Además, el acabado fino del carburo de silicio proporciona una mayor precisión en el corte de piedras preciosas que otros materiales abrasivos alternativos.
El carburo de silicio es un componente integral de los ladrillos de alta temperatura y otros refractarios utilizados en las industrias metalúrgica y de refractarios, debido a su resistencia a las reacciones químicas, sus bajos índices de expansión térmica y sus propiedades de resistencia a altas temperaturas. Como tal, el carburo de silicio ha demostrado ser un material fiable y adecuado para soportar el intenso calor producido por los hornos.
El carburo de silicio ofrece también muchas otras propiedades ventajosas. Es un material extremadamente duradero con excelentes propiedades de aislamiento eléctrico, e incluso puede modificarse mediante dopaje para cambiar su conductividad eléctrica, lo que hace que el carburo de silicio sea adecuado para aplicaciones que van desde la electrónica de potencia hasta los sensores.
Elkem produce carburo de silicio según las especificaciones del cliente en sus modernas instalaciones de Lieja (Bélgica). Los servicios de procesamiento de Elkem cuentan con las instalaciones necesarias para transformar el carburo de silicio en bruto en polvo o formas grises sólidas adecuadas para diversas aplicaciones. Elkem se especializa en abastecerse únicamente de materia prima de la máxima calidad y en adaptar los procesos de preparación específicamente a los requisitos de cada cliente, de modo que puedan fabricar productos a costes más bajos con un rendimiento mejorado.
Menor resistividad del carburo de silicio
La amplia banda prohibida del carburo de silicio permite a los electrones pasar rápidamente de sus bandas de valencia a las de conducción, lo que hace que este material sea adecuado para la electrónica de potencia, que debe funcionar a temperaturas extremas. Los semiconductores de silicio estándar requieren energía adicional para realizar la misma transición, por lo que estos materiales resultan menos adecuados como componentes de electrónica de potencia.
El SiC puede funcionar a temperaturas de hasta 1.400 grados centígrados, frente a la temperatura máxima de funcionamiento del silicio, de 175 grados centígrados, lo que lo convierte en un material excelente para aplicaciones de alta temperatura como la propulsión de vehículos eléctricos. El SiC reduce la necesidad de sistemas de refrigeración activos que añaden peso, complejidad y coste, al tiempo que aumenta la eficiencia y, como consecuencia, el peso.
El carburo de silicio se diferencia del silicio normal en que su superficie es mucho mayor, lo que le permite disipar el calor con mayor eficacia y manejar tensiones y corrientes más altas sin sobrecalentarse. Además, su mayor resistencia a los ataques químicos lo hace ideal para entornos de alta presión.
La excepcional resistencia y conductividad térmica del carburo de silicio tiene el potencial de revolucionar la electrónica de potencia al ofrecer tiempos de conmutación más rápidos y mayores capacidades de tensión de bloqueo que los dispositivos tradicionales de silicio. La Universidad Estatal de Pensilvania ha creado recientemente la Alianza para la Innovación del Carburo de Silicio para impulsar este prometedor material y fomentar su ecosistema de fabricación.
El carburo de silicio es uno de los materiales sintéticos más duros conocidos por la humanidad, con una dureza Mohs cercana a la del diamante. Se utiliza habitualmente como abrasivo en muelas abrasivas, así como en cerámicas para frenos y embragues de automóviles y chalecos antibalas. Además, el carburo de silicio desempeña un papel integral en los equipos de fresado y corte por chorro de agua debido a su durabilidad y bajo índice de desgaste.
La producción de carburo de silicio comienza calentando las materias primas, como arena de sílice y carbono, a altas temperaturas en un horno eléctrico, antes de moldearlas o darles forma de bloques o varillas antes de hacerlas reaccionar con grafito a temperaturas más bajas para sublimar los cristales de carburo de silicio a través de lo que se conoce como crisoles del método Lely; cualquier impureza, como el hierro, puede dar lugar a cristales negros, mientras que las muestras puras producirán cristales verdes.
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