Черный порошок карбида кремния: зернистость, свойства и пиление проволокой

Что такое черный карбид кремния и как он производится

Черный карбид кремния — синтетический абразивный минерал, получаемый путем плавления шихты кварцевого песка, нефтяного кокса и кремнезема в электрической печи сопротивления. Печь достигает температуры, достаточно высокой для образования кристаллов альфа-карбида кремния, которые затем измельчаются, измельчаются, очищаются и сортируются. Черный цвет возникает из-за остаточного свободного углерода и железа в кристалле и отличает материал от более зеленого сорта с более высокой чистотой, используемого для прецизионного шлифования.

Порошковая форма получается путем измельчения сырого слитка и разделения полученного зерна на строго контролируемые размеры частиц. Абразивные порошки относятся к продуктам микронного-класса: классификация строгая, и частицы слишком большого размера не должны появляться, поскольку одно крупное зерно может поцарапать полупроводниковую пластину или оставить царапины на готовой поверхности.

Классы и классификация зернистости

Абразивные порошки карбида кремния классифицируются по признанным системам размеров зерен, а не только по химическому составу. Макрогриты и микрозерна обозначены в серии F для абразивов на связке и в серии P для абразивов с покрытием, а национальные стандарты отражают те же диапазоны размеров.

Система	Диапазон	Эталонный стандарт	Типичное использование
Макрозерна серии F	От F4 до F220	ИСО 8486-1, ГБ/Т 2481,1	Склеенные круги, пескоструйная обработка, огнеупорное зерно
Микрозерна серии F	от F230 до F1200	ИСО 8486-2	Чистовая обработка, притирка, полировка
серия P	от P12 до P2500	ИСО 6344	Абразивы с покрытием, бумага и ленты
Микронный порошок	От суб-микронов до десятков микрометров	Контроль лазерной дифракции	Распиловка проволоки, прецизионная притирка

Распределение частиц по размерам проверяют путем просеивания макрозерен и лазерной дифракции для микрозерен, а для каждой партии указывают средний размер частиц, или D50. Форма частиц также имеет значение: блочные, равноосные зерна режут более равномерно, чем удлиненные, а постоянство формы — это то, что обеспечивает стабильность эффективности резки и качества поверхности от одной поставки к другой.

Типичные химические и физические свойства

Свойство	Типичное значение
Содержание карбида кремния	минимум 98,0 процентов
Свободный углерод	0,30 процента максимум
Оксид железа	0,60 процента максимум
Кристаллическая структура	Шестиугольный альфа-карбид кремния
Твердость по шкале Мооса	9.5
Твердость по Кнупу	Около 2500 килограммов на квадратный миллиметр.
Удельный вес	от 3,1 до 3,2 г/см3
Объемная плотность	Примерно от 1,2 до 1,6 г/см3 в зависимости от размера зерна.
Термическая стабильность	Сохраняет твердость при повышенной температуре, диссоциирует выше примерно 2700 градусов Цельсия.

Содержание кремния в зерне определяет твердость продукта, а содержание железа поддерживается на низком уровне, поскольку железо удаляется магнитной сепарацией, а для самых мелких сортов - кислотной промывкой. Порошок поставляется сухим и сыпучим, упакованным в влагонепроницаемые мешки и запечатанным для сохранения классифицированного распределения по размерам.

Проволочная распиловка кремния и сложных полупроводников

Одним из наиболее распространенных применений мелкодисперсного черного порошка карбида кремния является нарезка хрупких полупроводниковых материалов. Канатные пилы, работающие на суспензии, переносят абразив в разрез, где зерно выполняет режущую работу, а проволока просто переносит его. Этот процесс применяется к монокристаллическому кремнию, поликремнию, кристаллам кварца и составным полупроводниковым материалам размером от 3 до 12 дюймов, таким как арсенид галлия.

Эффективность резки- более твердое, хорошо зернистое зерно удаляет материал быстрее, сохраняя при этом износ проволоки в определенных пределах.

Качество поверхности- Узкое распределение частиц по размерам снижает повреждение подповерхностных слоев, что важно для последующих полированных пластин.

Контроль реза- Постоянный размер и форма зерна поддерживают постоянную ширину реза, защищая выход дорогих монокристаллов.

Стабильность навозной жижи- контролируемый химический состав поверхности удерживает абразив во взвешенном состоянии и предотвращает его осаждение в резервуаре для шлама.

Одни и те же марки порошков служат для притирки кварца, керамики и сапфира, а также шлифования твердых сплавов, где алмазный инструмент нерентабелен.

Абразивные, огнеупорные и металлургические применения

Абразивы на связке и с покрытием- шлифовальные круги, сегменты, ленты, бумага и диски для чугуна, цветных-черных металлов, камня, стекла и керамики.

Пескоструйная обработка и подготовка поверхности- абразивно-струйная обработка для удаления накипи и травления.

Огнеупоры- печное оборудование, подставки, тигли и износостойкая-футеровка, которая должна противостоять термическому удару.

Металлургия- раскислитель и добавка в сплав при производстве чугуна и стали, часто поставляемая в виде брикетов.

Керамика и композиты- материал корпуса печи, керамические фильтры и усиление для износостойких-композитных деталей.

Электроника и фотоэлектрика- обязанности по нарезке и притирке пластин, описанные выше.

Заказ и контроль качества

Для правильного определения цены заказа требуется четыре элемента информации: обозначение зернистости или микронов, количество, конечное использование и требуемый максимальный размер частиц. После этого поставщик фиксирует сорт, выбирает маршрут классификации и подтверждает партию с помощью лазерной дифракции или ситового анализа. Регулярный контроль включает химический анализ на карбид кремния, свободный углерод и оксид железа, магнитную сепарацию для удаления металлических примесей, контроль влажности перед упаковкой и отбор проб каждой партии. Стандартная упаковка — влагонепроницаемые-мешки по 25 килограммов, помещенные в мешки для массовых грузов по одной тонне или на поддонах, что позволяет сохранять мелкие сорта сухими и неповрежденными при длительных морских перевозках.

Черный карбид кремния является экономичной рабочей лошадкой семейства карбидов кремния: более низкая чистота, чем зеленый сорт, но более прочный, поэтому предпочтителен там, где прочная режущая кромка и высокая производительность имеют большее значение, чем наилучшая возможная обработка.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: В чем разница между черным и зеленым карбидом кремния?
Черный карбид кремния имеет более низкое содержание карбида кремния, обычно 98 процентов или более, он более прочный и менее рыхлый, тогда как зеленый карбид кремния представляет собой более чистое и более рыхлое зерно, предпочтительное для прецизионного шлифования твердых материалов.

Вопрос: Как гарантируется размер зерна?
Каждая партия классифицируется по стандартному диапазону размеров, затем проверяется ситовым анализом на макрозернистость или лазерной дифракцией на микрозернистость, при этом средний размер частиц указывается в протоколе проверки.

Вопрос: Почему форма частиц имеет большее значение, чем размер?
Глыбовые зерна режут равномерно и обеспечивают предсказуемый пропил, тогда как удлиненные или чешуйчатые зерна вызывают неравномерность резки, повышенный износ проволоки и ухудшение качества поверхности.

Вопрос: Подходит ли черный карбид кремния для резки пластин солнечной энергии?
Да. Мелкие сорта используются при шламовой проволочной распиловке монокристаллического и поликристаллического кремния, а также кристаллов кварца и сложных полупроводников.

Вопрос: Какие пределы содержания железа и свободного углерода являются типичными?
Абразивный материал обычно поставляется с содержанием свободного углерода максимум 0,30 процента и оксида железа максимум 0,60 процента, а для достижения этих уровней используется магнитная сепарация и кислотная промывка.

Вопрос: Как упаковывается порошок для экспорта?
Порошок высушивается, запечатывается во влагонепроницаемые-мешки и упаковывается в пакеты по 25 килограммов на поддонах или в мешки для массовых грузов по одной тонне, чтобы сохранить классифицированный диапазон размеров.