Инновации в области промышленных высокотемпературных компонентов теплового поля — опорное кольцо из CFC
Автор: Люси (продажа) @ Semicera Semiconductor Technology Co., Ltd.
Опорное кольцо CFC (углеродное волокно, армированное углеродным волокном) представляет собой высокопроизводительный круглый компонент, изготовленный из углеродного композита, армированного углеродным волокном (композит C/C). Он объединяет высокопрочные углеродные волокна с углеродной матрицей, обладающей низкой плотностью, высокой удельной прочностью, низким коэффициентом теплового расширения, отличной теплопроводностью и выдающейся устойчивостью к высоким температурам.
Знакомство с опорным кольцом CFC
Опорное кольцо CFC , также известное как композитное опорное кольцо на углеродной основе, армированное углеродным волокном, представляет собой высокопроизводительный конструкционный компонент, изготовленный с использованием углеродного волокна в качестве армирования и углерода в качестве матрицы посредством процессов карбонизации и графитации.
Обычно он используется в промышленных средах, характеризующихся высокими температурами, сильной коррозией или экстремальными нагрузками, например, в печах для выращивания монокристаллического кремния и высокотемпературных вакуумных печах в фотоэлектрической и полупроводниковой промышленности.
Благодаря устойчивости к размягчению и деформации при повышенных температурах опорное кольцо из ХФУ значительно продлевает срок службы высокотемпературных компонентов печи и снижает эксплуатационные энергозатраты, тем самым постепенно заменяя графитовые опорные кольца.
Почему стоит выбирать опорные кольца из CFC вместо графитовых опорных колец?
Экспонат традиционных графитовых опорных колец несколько присущих ограничений в высокотемпературных термических условиях : При длительном воздействии температур между 1200–1650°С Графит подвергается значительной ползучести и ухудшению характеристик, что приводит к проблемам нестабильности размеров, таким как коробление, провисание и деформация при длительном использовании, в результате чего не удается постоянно поддерживать соосность и плоскостность. Кроме того, их умеренная термостойкость делает их склонными к образованию микротрещин, сколов по краям или даже разрушению при частых колебаниях температуры, что существенно сокращает срок службы и увеличивает риск незапланированного простоя.
Графит проявляет относительно низкая прочность на сжатие (около 90 МПа) и модуль упругости (20–25 ГПа). При длительном термическом напряжении и механических нагрузках его структурная целостность нарушается, что делает его склонным к разрушению, высыпанию порошка и расслоению. Эти дефекты приводят к загрязнению печной камеры и отрицательно влияют на выход пластин или эпитаксиальных пластин.
Кроме того, графитовые кольца имеют небольшой срок службы и требуют частой замены, что не только увеличивает затраты на приобретение запасных частей, но и значительно увеличивает трудозатраты и затраты времени из-за многократных остановов, разборок, калибровок и технического обслуживания, что приводит к устойчиво высоким общим затратам на эксплуатацию и техническое обслуживание.
Хотя графит имеет низкую первоначальную стоимость приобретения, его недостаточная стабильность и надежность в долгосрочной перспективе в конечном итоге увеличивают общую стоимость жизненного цикла, поскольку он не соответствует строгим требованиям печей для выращивания кристаллов нового поколения и эпитаксиального оборудования в отношении высокой точности, длительного срока службы и низких требований к техническому обслуживанию.
Чтобы удовлетворить строгим требованиям печей для выращивания кристаллов и эпитаксиального оборудования нового поколения, было представлено опорное кольцо из материала CFC!
Сравнение поддерживающего кольца CFC и графитового поддерживающего кольца
Чтобы облегчить более интуитивное сравнение данных о производительности опорных колец из CFC и графитовых опорных колец, ниже представлена таблица.:
|
Элемент |
Опорное кольцо CFC |
Графитовое опорное кольцо |
|
Структура материала |
Карбон, армированный углеродным волокном (композитный) |
Поликристаллический графит (монолитный) |
|
Максимальная рабочая температура |
≥ 2000°С |
~1800–2200°С |
|
Сопротивление ползучести |
Очень низкий (высокая стабильность размеров) |
Заметная ползучесть (опасность деформации) |
|
Устойчивость к тепловому удару |
· Очень сильный (армированная волокнами конструкция) |
Умеренный |
|
Прочность на сжатие |
220–380 МПа |
~90 МПа |
|
Модуль упругости |
~95 ГПа |
~20–25 ГПа |
|
Плотность |
1.45–1.6 г/см³ (легче) |
~1,8 г/см³ |
|
Структурная стабильность |
Сохраняет геометрию в течение длительных циклов |
Деформируется со временем при высокой температуре |
|
Срок службы |
В 2–5 раз длиннее графита |
Более короткий срок службы |
|
Частота замены |
Низкий |
Высокий |
|
Первоначальная стоимость |
Высокий |
Низкий |
Производительность
Поскольку материал опорного кольца CFC идентичен материалу CFC, его характеристики соответствуют характеристикам материала CFC.:
Низкая плотность : Плотность колеблется в пределах 1,45–1,6 г/см³, что на 10–20 % ниже графита;
Высокая чистота углерода : Чистота углерода ≥99,5%, при этом количество примесей снижается до <50 ppm после высокотемпературной очистки;
Контролируемая пористость : Пористость можно регулировать в соответствии с требованиями теплоизоляции и воздухопроницаемости, обычно в пределах 5–15%;
Низкое водопоглощение: Водопоглощение <0,5%, крайне низкое после уплотнения.
Опорное кольцо Semicera CFC
Semicera принимает квазитрехмерная структура с исключительно высоким содержание углеродного волокна, стабильность более 70% . В производственном процессе используются методы горячего прессования и уплотнения пропиткой смолой, что обеспечивает оптимизированный и контролируемый производственный процесс с высокой эффективностью, что значительно сокращает общий производственный цикл.
Кроме того, опорные кольца Semicera CFC имеют плотность до 1,35 г/см³ , с предел прочности ≥150 МПа и прочность на изгиб ≥120 МПа —предлагая значительное преимущество перед продукцией других производителей.
По сравнению с материалами CFC, полученными методом чистого осаждения из паровой фазы, этот материал демонстрирует превосходные механические свойства при одинаковой плотности и чистоте углерода. По этой причине Semicera использует комбинацию процессов горячего прессования и уплотнения пропиткой смолой, обеспечивая исключительные механические характеристики, сочетая при этом высокую эффективность с экономической эффективностью. Такой подход делает материал особенно подходящим для требовательных применений, таких как полупроводниковая тепловая среда и опорные конструкции в высокотемпературных печах.
Технология
Поскольку материал опорного кольца CFC такой же, как и материал самого материала CFC, производственный процесс во многом идентичен тому, который используется для производства материала CFC.
1. Подготовка сборных изделий из углеродного волокна
С использованием углеродные волокна (коротко нарезанные волокна, волокнистые маты или ткани) в качестве сырья Semicera обрабатывает материалы путем наслаивания, трехмерная игла и формование для формирования кольцевых заготовок. Этот процесс одновременно повышает межфазную прочность, улучшая как трещиностойкость, так и ориентацию прочности, что в конечном итоге приводит к получению пористых заготовок из углеродного волокна.
2. Погружение (первое уплотнение)
После формирования предварительно сформированного кольца компания Semicera использует процесс вакуумной пропитки, при котором смола или асфальт подвергаются давлению, чтобы проникнуть внутрь волокон, в результате чего получается композитное сырое изделие, содержащее органическую матрицу.
3. Карбонизация
После пропитки Semicera подвергает органический материал (смола/асфальт) карбонизации, чтобы превратить его в углерод и сформировать углерод-углеродный структурный каркас.
При нагреве при 800°С–1200°С , смола/асфальт подвергается пиролизу, выделяя газы (например, H2, CH4), оставляя при этом твердый углерод. После карбонизации полученное углеродное волокно с углеродной матрицей образует структуру CFC; однако один цикл пропитки и карбонизации дает пористую структуру CFC.
Чтобы продлить срок службы, Semicera выполняет несколько процессов уплотнения, непрерывно заполняя поры, повышая плотность и прочность.
Меньшая пористость соответствует большей прочности и более длительному сроку службы.
Количество циклов обработки варьируется в зависимости от учреждения, что приводит к значительным различиям в сроке службы. Semicera адаптирует процесс в соответствии с требованиями заказчика.
4. Графитизация
После завершения нескольких этапов уплотнения компания Semicera внедрила процедуру графитации для повышения эффективности опорного кольца CFC. При высоких температурах от от 2200°С до 2800°С, этот процесс превращает неупорядоченный углерод в структуру графита, тем самым улучшая теплопроводность, механические свойства и высокотемпературную стабильность.
5. Прецизионная механическая обработка (формирование опорного кольца)
После завершения изготовления высокопроизводительного опорного кольца из CFC обрабатывающий центр с ЧПУ компании Semiera выполняет прецизионную чистовую обработку компонента, включая обработку внутреннего и внешнего диаметра, контроль плоскостности и оптимизацию структуры пазов, в конечном итоге создавая безупречное и точное опорное кольцо из CFC.
6. Обработка поверхности (необязательно, но важно)
Некоторые клиенты требуют, чтобы опорное кольцо из CFC имело более длительный срок службы и обладало определенными антиокислительными и антикоррозионными свойствами. Поэтому Semicera также предлагает услуги по нанесению покрытий, в первую очередь пиролитические углеродные покрытия .
Почему стоит выбрать пиролитическое углеродное покрытие?
Учитывая наш опыт устранения послепродажных инцидентов, связанных с коррозией углерод-углеродных тиглей, мы рекомендуем пиролитическое углеродное покрытие .
При высоких температурах кварцевый тигель реагирует с расплавленным кремнием с образованием газа SiO₂.:
Si0 2 + Si→ 2Si0(г)
Эти газы SiO₂ диффундируют наружу и реагируют при встрече с CFC (углеродом).:
SiO+C→SiC+CO реакция генерирует SiC на поверхности CFC и внутри нее, что сопровождается примерно Объемное расширение в 2,2 раза, что приводит к растрескиванию матрицы, коррозии и отслаиванию.
Пиролитическое углеродное покрытие образует беспористый плотный углеродный слой на графитовой поверхности CFC посредством химического осаждения из паровой фазы, полностью герметизируя все поры и микротрещины в подложке. Это предотвращает проникновение в материал паров SiO₂ и Si, образующихся в результате реакции между кварцевым тиглем и расплавленным кремнием, тем самым блокируя путь реакции SiO + C → SiC в ее источнике.
Кроме того, т Коэффициент теплового расширения (КТР) пиролитического углеродного покрытия практически идентичен коэффициенту теплового расширения материала на основе углерода. . Во время циклического воздействия высоких температур покрытие и подложка не испытывают внутренних напряжений из-за теплового расширения и сжатия, не трескаются и не отслаиваются.
Кроме того, покрытие выдерживает длительное воздействие температур от 1400–1600°С и повторяющиеся циклы термического удара, демонстрируя значительно более длительный срок службы по сравнению с другими покрытиями.
Поэтому Semicera рекомендует выбирать пиролитическое углеродное покрытие, чтобы еще больше продлить срок службы! Если вы хотите нанести пиролитическое углеродное покрытие на существующие продукты, свяжитесь с нами. Кроме того, Semicera рекомендует выбирать плотность 1,3/1,4 г/см³ . При такой плотности процесс поверхностного уплотнения протекает хорошо, эффективно предотвращая проникновение газа.
Использование опорного кольца CFC
Опорное кольцо CFC (углеродный композит, армированный углеродным волокном) является важнейшим структурным компонентом полупроводниковых, фотоэлектрических и высокотемпературных печных тепловых систем.
Благодаря своим исключительным свойствам—включая устойчивость к высоким температурам, высокую прочность, низкую ползучесть и стойкость к термическому удару. —он в основном используется в следующих приложениях:
-полупроводниковый SiC одиночный
-печи для выращивания кристаллов (печи для эпитаксии кремния/эпитаксии карбида кремния, оборудование MOCVD/CVD);
-фотоэлектрические печи выращивания монокристаллического и поликристаллического кремния Чохральского;
-и печи вакуумной термообработки/спекания/пайки.
Выбирайте Семицеру!
Все еще беспокоит высокотемпературная деформация, растрескивание, высыпание порошка и частая замена графитовых опорных колец? Выбирайте Semicera – это будет ваше решение.
Опорное кольцо Semicera CFC имеет квазитрехмерную структуру из высокоуглеродистого волокна и изготовлено с использованием технологии уплотнения с пропиткой смолой, что обеспечивает исключительную прочность на сжатие и значительно более длительный срок службы, чем графитовые опорные кольца. Он не только обеспечивает стабильное распределение температуры в вашем оборудовании, но также существенно снижает затраты на приобретение запасных частей и простои, что делает его идеальным выбором для модернизации компонентов тепловых полей.
Используя развитую цепочку поставок, комплексное оборудование и производственные процессы, а также многолетний опыт сотрудничества в отрасли, мы предлагаем комплексные услуги, начиная от индивидуального проектирования и точной обработки до нанесения покрытия для удовлетворения ваших разнообразных требований. Тем временем Semicera постоянно совершенствует свои производственные процессы, обеспечивая стабильное качество продукции и надежную эффективность поставок для удовлетворения ваших производственных потребностей.
Помимо опорных колец CFC, Semicera также производит другие компоненты теплового поля, в том числе опорные кольца различных спецификаций, тигли, держатели тиглей, направляющие потока, изоляционные трубки и нагреватели —для удовлетворения различных требований клиентов.
