تحقیق مقاله سیلیسیوم در صنعت برق

سیلیسیوم در صنعت برق

دلایل پر مصرف بودن سیلیسیوم در صنعت برق

صنعت میکروالکترونیک به عنوان یکی از تأثیر گذارترین تکنولوژی های قرن بیستم به شمار می رود. کاربرد این صنعت در  تمام سیستم ها و دستگاه های مخابراتی از رادیو و تلویزیون و گوشی های موبایل و ماهواره و شبکه های کامپیوتری گرفته تا ضبط صوت و تصویر و بسیاری از تجهیزات پزشکی و نظامی و نیز در برخی از وسائل غیر الکترونیکی به وضوح دیده می شود. علاوه بر آن، این صنعت منجر به پیشرفتهای شگرفی در صنایع دیگر مثل خودروسازی و حمل و نقل ، وسایل خانگی مثل ماشین لباسشوئی و جاروبرقی شده است. در کشور ما الکترونیک را بیشتر با محصولات و کاربردهای آن می شناسند. کمتر کسی است که فکر کند این محصولات و تجهیزات را چگونه می توان ساخت و از کجا آمده اند. به جای آنکه روی مواد سازنده و تکنولوژی های ساخت عناصر الکترونیک تمرکز شود روی نحوه ی استفاده و بکارگیری آن در وسایل مورد استفاده توجه می شود. در کشور ما هیچ یک از ادوات و قطعات الکترونیکی ساخته نمی شود و تکنولوژی های لازم جهت ساخت این اجزا وجود ندارد. همه ی قطعات لازم که در دستگاههایی که به نوعی از تجهیزات الکترونیکی استفاده می کنند از خارج وارد می شود و ما تنها مصرف کننده ی ابزار و ادوات این صنعت بوده ایم.

    حال با دانستن اهمیت این صنعت در پیشرفت تمام صنایع و تکنولوژی های کاربردی در کشور می توان 2 پرسش را مطرح کرد اول اینکه چرا با اینکه بیش از 50 سال از عمر این تکنولوژی می گذرد، کشور ما صاحب این تکنولوژی نشده است و دوم آنکه مواد اولیه ی برای ساخت قطعات الکترونیکی در تکنولوژی ساخت این قطعات چیست؟ در اینجا فقط به پرسش دوم پرداخته می شود که جوابی بسیار ساده دارد. اصولاً معمولترین ماده خام جهت ساخت قطعات الکترونیک ماسه است. از ماسه تا رسیدن به قطعات الکترونیکی 2 دسته تکنولوژی ساخت وجود دارد و فرآیندهای ساخت از درون این 2 تکنولوژی می گذرد. تکنولوژی اول مربوط به آماده و غنی کردن ماده خام اولیه جهت تولید ادواتی به نام نیمه هادی ها است. تکنولوژی دوم مربوط به تبدیل نیمه هادی به قطعات کاربردی الکترونیک موسوم به دیود، ترانزیستور و  مدارهای مجتمع (Integrated Circuits) است. در اینجا فقط روی  تکنولوژی اول  تمرکز می کنیم. در این مرحله ابتدا عنصر سیلیسیوم به عنوان عنصر سازنده با فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی از ماسه گرفته می شود، آنگاه با سیلیسیوم غنی شده ضمن پردازش های بعدی موادی موسوم به نیمه هادی در قالب قاش های بیسکویت مانندی به نام ویفر (Wafer) تولید می شود. ویفر ماده ی جامدی است که در واقع سنگ بنای ساختمان تمام قطعات الکترونیکی می باشد. غنی سازی سیلیسیوم گرفتن ماسه و خالص سازی سیلیسوم آن تا میزان 99.9999 درصد جهت ساخت ویفر است. این کار در کارخانه ساخت نیمه هادی (Semiconductor Fabrication Plant) انجام می شود. برای اختصار اسم آن کارخانه را Fab  نامیده اند. بعضی از شرکت های ساخت نیمه هادی فقط این مرحله از ساخت قطعات میکروالکترونیک را انجام می دهند که به آنها کارخانه ریخته گری نیمه هادی خالص ساز (Pure-play Semiconductor Foundry) گفته می شود.

    در کارخانه های نیمه هادی ساز، اجزا و تکه های بسیار گرانی مورد استفاده قرار می گیرد مثلاً قیمت تکه هایی از بعضی از تجهیزات مثل پله سازها (Steppers) حدود 50 میلیون دلار است. یک کارخانه به طور معمول چند صدتا از این نوع تجهیزات دارد. هزینه متعارف احداث این کارخانه ها بین 3 تا 4 میلیارد دلار تخمین زده می شود. این را مقایسه کنید با هزینه ساخت یک پالایشگاه گاز. اخیراً مدیر عامل شرکت نفت و گاز پارس اعلام کرده است که 6 میلیارد دلار هزینه اجرای پروژه پالایشگاه فاز 12 پارس جنوبی است. از نظر درآمد، درآمد سالانه یک شرکت تولیدی ویفر سیلیسیومی در تایوان مثل Taiwan Semiconductor Manufacturing Company بین 3 تا 4 میلیارد دلار است. این رقم برای همان پالایشگاه حدود 7 میلیارد دلار است. از نظر اشتغال، تعداد شاغلان یک شرکت گاز برای یک پالایشگاه کمتر از 2 هزار نفر است در حالیکه برای این شرکت نیمه هادی، این رقم 20 هزار نفر است.

    بعضی از شرکت های میکروالکترونیک فقط کار مرحله دوم که شامل طراحی و ساخت نهایی محصولات کاربردی در سیستم های الکترونیکی نظیر ترانزیستور و مدارهای مجتمع می باشد را انجام می دهند. این قبیل شرکت ها، ویفرهای آماده را از شرکت های تولید ویفر خریداری کرده و محصولات نهایی خود را با این ویفرها تولید می کنند. در اینجا فقط به دسته اول این تکنولوژی ها که صرفاً سیلیسیم را غنی می کنند می پردازیم.

    همانطور که اشاره شد خروجی کارخانه های نیمه هادی خالص ساز ویفر است. ویفرها صفحاتی دایره ای اند که قطر آنها از 1 اینچ تا 18 اینچ (450 میلیمتر) متغیر است. البته نوع 18 اینچی فعلاً در دست تحقیق و ساخت آزمایشگاهی است و انتظار می رود که تا سال 2012 ساخته شود. همچنین ضخامت ویفرها بسته به قطر آنها متفاوت است. مثلاً ضخامت ویفر 2 اینچی برابر 275 میکرومتر و برای یک ویفر 18 اینچی برابر 925 میکرومتر است. قیمت ویفرها بسته به اندازه آنها دارد. مثلاً قیمت یک ویفر 300 میلیمتری (سایز پیتزا) حدود 200 دلار است.

مقدمه :

امروزه تولید مواد مقاوم و با دوام در برابر عوامل محیطی از جمله خوردگی ، سایش ، تغییرات دمایی و .. متداول گشته است . از آنجایی که سیلیسیم کاربید ( SiG) ماده ای مقاوم و مناسب جهت مصارف مختلف است در این مقاله سعی در آشنا کردن شما با خواص ، تولید و ویژگی های این ماده ی ارزشمند می کنیم . امیدواریم که مطالب بیان شده کمکی هر چند کوچک در جهت بهروزی و پیشرفت مملکت بزرگ و اسلامیمان نماید .

سیلیسیم کاربید :

سیلیسیم کاربید ماده ای کریستالین ( بلوری ) با وزن ملکولی 07/40 است که از لحاظ رنگ از زرد کمرنگ یا سبز تا یاه است . که این رنگها وابسته به نوع ناخالصی های آن خاست .

صفحات هکزاگونال سبزرنگ سیلیسیم کاربید که به صورت طبیعی در فلزات شهاب سنگ کانن دیابل ، آریزونا ( Canon Diablo , Arizona) گزارش شده است و نام معدنی موسانیت ( Moissanite ) دارد . که علت این نامگذاری هنری مولیسان ( Henri Moisson ) است . البته صرف نظر از این مطلب این ماده ( SiG) ماده ای مصنوعی است .

تولید تجاری این ماده که در کوره ی الکتریکی انجام می شود معمولاً کلوخه هایی از کریستال های رنگ وارنگ ایجاد می کند . این رنگ وارنگ شدن به علت تشکیل لایه ای نازک از سیلیس ( ) بر روی سطح سیلیسیم کاربید است که با شستشو با اسید فلوریک ( HF ) از بین می رود .

عمده ترین مصرف سیلیسیم کاربید در صنایع نسوز و ساینده ها است دانه هایی از محصولات تجاری سیلیسیم کاربید که به وسیله ی آسیاب کردن ایجاد شدند در رنگهای مشکی و سبز به نظر می آیند . از این ماده در اجزای گرم کننده ی کوره های الکتریکی استفاده می گردد . همچنین در جاهایی که مقاومت در برابر پرتوهای هسته ای نیاز است از این ماده استفاده می شود .

در سال 1891 ، آچسون ( Acheson ) مقدار کمی سیلیسیم کاربید در هنگام آزمایش و به صورت تصادفی تولید کرد که کمک به تولید مواد سخت از کربن و گل کرد .

عکس شماره ی (1) : سیلیسیوم کاربید تک کریستال

او ولتاژ بالایی را از میان مخلوطی از گل و کک به وسیله ی الکترود گرافیتی عبور داد . این مواد در محفظه ای آهنی قرار داشتند ، این محفظه ی آهنی نقش الکترود دیگر را داشت آچسون به ارزش سایندگی این مواد بلورین ایجاد شده پی برد و آنها را آنالیز کرد و به فرمول آن پی برد . او در سپتامبر سال 1891 کمپانی ، کربواندوم ، را بنا نهاد و در 10 می ، 1892 ، مقاله ای در این زمینه منتشر کرد.

مراجعی که بعضی مواقع در مورد کار بر روی ترکیبات کربن و سیلیکون به وجود آمده و مدعی این هستند که زودتر از آچسون کار کرده اند در مرجع 3 آمده است ( مخصوصاً کسانی مانند کالسون و اشتزنبرگ ( Colson and Schutzenberg ) که بر روی ترکیبات اکسیدی کار می کردند ). آنها گزارشاتی در مورد رادیکال های 4 اتمی از سیلیکون ( Si ) در سال 1881 دادند . کالسون در سال 1882 ، گزارشی در مورد روشی برای کاهش سیلیکون ( Si ) داد که نتیجه ی آن ( ) گزارش شد .

10 سال بعد در 16 مِی 1892 ، اشتزنبرگ گزارشی در مورد مطالعه و اصلاح فرمول انجام داد و فرمول را به صورت SiG تصحیح نمود . حتی پیش از کالسن ، مارسدن در سال 1881 ، چیزی را که احتمالاً سیلیسیم کاربید بود تولید کرد . او در حال کار روی « تهیه ی کربن الماس مانند یا دیاموند » بود . اما مارسدن بدون تحقیقات بیشتر این بلورهای ناشناس را کنار گذاشت .

مویسان همچنین فرمول SiG را پیدا کرد . اما نتایج خود را تا زمانی بعد از آن منتشر نکرد . حقیقت امر این است که اگر خوب بخواهید بدانید از اطلاعات کنونی در مورد توسعه ی پروسه ها ، این مورد مورد قبول است که سیلیسیم کاربید توسط برزلیوس ( Berzelius ) [6] تهیه شده است . ( در آزمایشاتی که در سال 1810 انجام شد ) . و دوباره در سال 1824 ، دیسپرت ( Despretz) [7] این کار را انجام داد . او در حال آزمایش بر روی بر طرف کردن ناخالصی ها بود و البته با این ناخالصی ها مشکل داشت . ( در سال 1849 )

با وجود این دو تا از برنده های این نشان و اولین مخترعین این ماده به طور آشکار آچسون و کالسون هستند . کارهای کالسون زودتر انجام شده اما گزارش فرمول درست تقریباً همزمان بوده است . اکنون این سخت است که نتیجه بگیریم که کدامیک از این مردها مخترع این ماده هستند .

اما از آن جایی که آچسون پشت کار دقیق تری در مورد تشخیص پتانسیل های این ماده ی تازه از خود نشان داد . موجب تولید صنعتی این ماده شد . این به نظر می رسد که باید او را در مورد این کشف سر آمد بدانیم . در حالی که همه ی اعتباری که به کالسون می دهیم . برای همکاری اصلی در زمینه ی شیمی ر کاربید است .

عکس شماره ی (2) : بلورهای سیلیسیوم کاربید ( SiG )

خواص ( property ) :

خواص سیلیسیم کاربید وابسته به خلوص و روش تهیه ی نمونه های آن است . تعدادی از داده های ارائه شده در دسترس است که در تعداد معدودی اختلاف وجود دارد [10 8 ] حتی آن نمونه هایی که می توان آن را به صورت تک کریستال رشد داد . دارای داده های متفاوتی هستند که به خلوص و حتی نوع یا بودن سیلیسیم کاربید وابسته است .
هنگامی که در قطعات ، نمونه های بزرگتر را بخواهیم بسازیم مسئله ی دیگری پیش می آید که عبارت اند از : اندازه ی دانه ی مواد خام ، تخلخل ، نوع پیوند بین دانه ها و ...
برای نزدیک شدن هر چه بیشتر به خواص سیلیسیم کاربید به طور خود به خود مقادیری را انتخاب می کنیم که به روزتر باشند و در آزمایشاتشان از مواد با خلوص بالاتری بهره برده باشند . به عنوان مثال خود پیوندی ( Self – bonded ) یا دوباره بلوری شدن سیلیسیم کاربید است .

این اطلاعات هنوز مورد بحث است . به عنوان مثال تولیدات یا روشهای تست کردن که هر روزه بهبود یافته اند . اما از آنجایی که تولیدات مصنوعی سیلیسیم کاربید ، مخصوصاً برای آنهایی که ساینده های قدیمی هستند و در تولیدات نسوز کاربرد دارند . از این نوع جدید ، مواد پر دانسیته تولید نشده است . اطلاعات بر رو یچنین تولیداتی باید از تولید کننده گرفته شود .

عکس شماره ی (3) : کاربرد سیلیسیوم کاربید در صنایع نسوز

خواص فیزیکی ( physical property ) :

سختی ( hordness) احتمالاً بهترین خاصیت شناخته شده ی سیلیسیم کاربید است . آن اغلب دارای وضعیت 5/9 در مقیاس موهس است . اما این بیان از آن جایی آمده که این ماده بین الماس در حالت 10 و کوراندوم ( ) در حالت 9 است . تست های آزمایشاتی امروزه توسعه یافته که عمدتاً شامل مقاومت فشاری، ضربه ، مقاومت سایش و ... است .
روش سختی نوپ به وسیله ی نشانگذار الماسه دار که توسط تیبالت ( فاهذشعمف ( , kd;,mdsj ) Niyquist ) مورد استفاده شده است . معمولاً استفاده می شود [12] .

سختی نوپ 100 g : جدول شماره ی 
میانگین اطلاعات سختی نوپ زیر بار 100 g با نشانگذار الماس که در آزمایشگاه شرکت کربوراندوم تعیین شده است در جدول 1 آمده است .

این ارقام نشان دهنده ی میانگین چندین اندازه گیری هستند ، تفاوت تستها بر روی سیلیسیم کاربید احتمالاً به علت این حقیقت است که این ماده سختی بیشتری در یک جهت دارد . این ماده ان ایزوتروپ است . محققین ولف ، تومان ، فیلدوکلاوک سختی نوپ در زیر بار 25 گرم را تعیین کردند . به جای اینکه از بار 100 گرم استفاده کنند [13]

کرانز ( Kranz ) عدد سختی ویکرزی به اندازه ی 5100 کیلوگرم بر میلی متر مربع در زیر بار 100 گرم به دست آورد . [14]