เหตุใดจึงต้องใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำในแผ่นฉนวน?

เหตุใดจึงต้องใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำในแผ่นฉนวน?

เลือกใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำ (Black SiC) เนื่องจากมีคุณสมบัติเฉพาะที่ผสมผสานกันอย่างลงตัว ซึ่งตอบโจทย์ความท้าทายในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงได้อย่างตรงจุด

1. ทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ดีเยี่ยม

นี่คือเหตุผลที่สำคัญที่สุดเพียงข้อเดียว ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) มี  ค่าการนำความร้อนสูง มาก  (ประมาณ 120-140 วัตต์/เมตร·เคลวิน) ซึ่งอาจดูขัดแย้งกับคุณสมบัติของแผ่นฉนวน แต่เมื่อใช้เป็นส่วนประกอบภายในเมทริกซ์ฉนวนที่มีรูพรุน มันจะทำหน้าที่เป็นเครือข่าย “ทางด่วนความร้อน”

• กลไกการทำงาน:  เมื่อด้านใดด้านหนึ่งของแผ่นวัสดุได้รับความร้อนอย่างรวดเร็ว อนุภาค SiC จะกระจายพลังงานความร้อนไปทั่ววัสดุอย่างรวดเร็ว ป้องกันการเกิดความแตกต่างของอุณหภูมิอย่างรุนแรงและความเครียดที่เกิดขึ้นซึ่งเป็นสาเหตุของการแตกร้าว โครงสร้างเมทริกซ์ที่มีรูพรุนโดยรอบยังคงให้คุณสมบัติเป็นฉนวนโดยรวม

2. ความแข็งแรงเชิงกลและความแข็งสูง

• ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นหนึ่งในวัสดุที่แข็งที่สุดที่มีอยู่ (ความแข็งตามมาตราโมห์ประมาณ 9.5) การนำ SiC มาใช้จะช่วยเพิ่มคุณสมบัติของแผงวงจรได้อย่างมาก:

  • ความแข็งแรงต่อแรงกดในอุณหภูมิต่ำ:  แผ่นไม้สามารถรับน้ำหนักได้มากในอุณหภูมิห้อง

  • ความทนทานต่อการเสียดสี:  แผ่นกระดานมีโอกาสสึกกร่อนจากกระแสลมหรือการสัมผัสทางกายภาพน้อยลง

  • ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง (โมดูลัสการแตกหักที่อุณหภูมิสูง):  วัสดุนี้ยังคงความแข็งแรงไว้ได้ที่อุณหภูมิที่วัสดุอื่นจะอ่อนตัวลง

3. การนำความร้อนสูง (เป็นข้อได้เปรียบเชิงกลยุทธ์)

อย่างที่กล่าวไปแล้ว อุปกรณ์นี้ใช้สำหรับ  จัดการ  ความร้อน ไม่ใช่แค่ป้องกันความร้อนเท่านั้น มันช่วยให้:

• ช่วยให้เครื่องร้อนเร็วขึ้นและเย็นลงเร็วขึ้นโดยไม่ทำให้แผงวงจรเสียหาย

• การกระจายอุณหภูมิภายในเตาเผาหรือเตาอบมีความสม่ำเสมอมากขึ้น

4. ความทนทานต่อความร้อนดีเยี่ยม

• ซิลิกาคาร์ไบด์สีดำมีจุดหลอมเหลวสูง (ประมาณ 2,730°C หรือ 4,946°F) และมีความเสถียรในบรรยากาศเฉื่อยหรือบรรยากาศรีดิวซ์ได้ถึงประมาณ 1,600°C ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความทนทานสูงในอุณหภูมิสูง

ข้อควรพิจารณาและความท้าทายที่สำคัญ

การใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำนั้นมีข้อเสียอยู่บ้าง ซึ่งต้องได้รับการจัดการอย่างระมัดระวังทั้งในระหว่างกระบวนการผลิตและการใช้งาน

1. ออกซิเดชัน

• ปัญหา:  ที่อุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 900°C ในบรรยากาศออกซิไดซ์ (อากาศ) ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) จะเริ่มเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ทำให้เกิดชั้นซิลิกา (SiO₂) บนพื้นผิว

  • SiC + 2O₂ → SiO₂ + CO₂

• ผลที่ตามมา:

  • ชั้น SiO₂ อาจนำไปสู่การเสื่อมสภาพและการอ่อนตัวลงของอนุภาค SiC อย่างค่อยเป็นค่อยไปเมื่อเวลาผ่านไป

  • กระบวนการออกซิเดชันทำให้ปริมาตรขยายตัวเล็กน้อย ซึ่งอาจก่อให้เกิดความเครียดภายในได้

• วิธีแก้ไข:  ผู้ผลิตมักเติมสารต้านอนุมูลอิสระ (เช่น ซิลิคอนโลหะ) ลงในส่วนผสม ซึ่งจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันก่อน ทำให้ปกป้องอนุภาค SiC ได้

2. ค่าใช้จ่าย

• ซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำมีราคาแพงกว่าวัสดุทนไฟทั่วไปอื่นๆ เช่น ดินเหนียวฟลินต์เผา บ็อกไซต์ หรือแม้แต่อลูมินาหลอมสีขาว ซึ่งทำให้ต้นทุนสุดท้ายของแผ่นฉนวนสูงขึ้น

3. การควบคุมความพรุนเพื่อใช้เป็นฉนวน

• เนื่องจาก SiC มีความหนาแน่นและนำความร้อนได้ดี ผู้ผลิตจึงต้องออกแบบโครงสร้างส่วนที่เหลือของแผงวงจรอย่างระมัดระวังเพื่อรักษาค่าการนำความร้อนให้ต่ำ ซึ่งโดยทั่วไปจะทำได้โดย:

  • โดยใช้สารเติมแต่งที่มีรูพรุนสูง เช่น  ฟองอลูมินา  หรือ  ทรงกลมมิวไลต์

  • การผสมผสานวัสดุอินทรีย์ที่เผาไหม้แล้วซึ่งทิ้งช่องว่างอากาศไว้ภายใน

  • สร้างโครงสร้างรูพรุนแบบเซลล์ปิดละเอียด

ส่วนประกอบทั่วไปของแผ่นฉนวนเสริมซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)

สูตรทั่วไปอาจมีลักษณะดังนี้:

• 60-70%:  ฟองอลูมินา / มวลรวมมูไลต์ (ส่วนประกอบฉนวนหลัก)

• 15-25%:  เม็ดซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำ (วัสดุเสริมแรง)

• 10-15%:  ผงอลูมินาที่ทำปฏิกิริยาได้ + ดินเหนียว (เมทริกซ์ยึดเกาะ)

• 1-3%:  สารเติมแต่งต้านอนุมูลอิสระ (เช่น ผงโลหะซิลิคอน)

• + สารยึดเกาะ:  เช่น ฟอสเฟตหรือซิลิกาคอลลอยด์ เพื่อยึดชิ้นงานดิบเข้าด้วยกันก่อนเผา

การใช้งานทั่วไป

แผงวงจรที่มีส่วนประกอบของ SiC สีดำถูกนำไปใช้ในพื้นที่ที่มีความต้องการสูงที่สุด:

• พื้นผิวร้อนของเตาเผา:  ส่วนบุภายในที่สัมผัสกับเปลวไฟและอุณหภูมิสูงโดยตรง

• ฝาครอบเตาเผา:  โครงสร้างที่ใช้ยึดชิ้นงานในเตาเผาแบบลูกกลิ้งหรือเตาเผาแบบอุโมงค์ ซึ่งต้องมีความแข็งแรงสูงและทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน

• กลุ่มหัวเผา:  บริเวณรอบหัวเผาความเร็วสูงที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรง

• เตาอบชุบความร้อน:  สำหรับกระบวนการที่ต้องการการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว

• ฉนวนสำรอง: ติดตั้ง  อยู่ด้านหลังวัสดุหล่อทนไฟที่มีความหนาแน่นสูง เพื่อเสริมความแข็งแรงของโครงสร้าง

สรุป: ซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำ เทียบกับวัสดุทางเลือกอื่นๆ

บทสรุป

ซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำเป็นสารเติมแต่งคุณภาพสูงที่เปลี่ยนแผ่นฉนวนเซรามิกมาตรฐานให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพสูง ทนทาน และทนความร้อนได้ดีเยี่ยม  บทบาทหลักของมันคือการให้ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันและความสมบูรณ์ของโครงสร้างที่เหนือกว่าในสภาพแวดล้อมที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วและความเครียดทางกลอย่างต่อเนื่อง แม้ว่าต้นทุนและความเสี่ยงต่อการเกิดออกซิเดชันจะเป็นข้อเสีย แต่ประโยชน์ด้านประสิทธิภาพในการใช้งานที่สำคัญทำให้มันเป็นวัสดุที่ขาดไม่ได้