Sota els estrictes requisits d'alta precisió i alta fiabilitat de la indústria dels semiconductors, tot i que el granit és un dels materials principals, les seves propietats també comporten certes limitacions. Els següents són els seus principals desavantatges i reptes en aplicacions pràctiques:
En primer lloc, el material és molt fràgil i difícil de processar
Risc d'esquerdes: El granit és essencialment una pedra natural amb microesquerdes naturals i límits de partícules minerals a l'interior, i és un material típicament fràgil. En el mecanitzat d'ultraprecisió (com ara el mòlt a nanoescala i el processament de superfícies corbes complexes), si la força és desigual o els paràmetres de processament són inadequats, és probable que es produeixin problemes com ara l'esquerdament i la propagació de microesquerdes, cosa que provoca el desballestament de la peça.
Baixa eficiència de processament: per evitar fractures fràgils, calen processos especials com el mòlt a baixa velocitat amb moles de diamant i el polit magnetoreològic. El cicle de processament és entre un 30% i un 50% més llarg que el dels materials metàl·lics i el cost d'inversió en equips és elevat (per exemple, el preu d'un centre de mecanitzat de cinc eixos supera els 10 milions de iuans).
Limitacions d'estructures complexes: És difícil produir estructures lleugeres buides mitjançant fosa, forja i altres processos. S'utilitza principalment en formes geomètriques simples com ara plaques i bases, i la seva aplicació és limitada en equips que requereixen suports irregulars o integració de canonades internes.
En segon lloc, l'alta densitat comporta una gran càrrega a l'equipament
Dificultat de manipulació i instal·lació: la densitat del granit és d'aproximadament 2,6-3,0 g/cm³, i el seu pes és d'1,5 a 2 vegades superior al del ferro colat amb el mateix volum. Per exemple, el pes d'una base de granit per a una màquina de fotolitografia pot arribar a les 5 a 10 tones, cosa que requereix equips d'elevació dedicats i fonaments resistents als cops, cosa que augmenta el cost de la construcció de la fàbrica i el desplegament dels equips.
Retard de resposta dinàmica: una inèrcia elevada limita l'acceleració de les parts mòbils de l'equip (com ara robots de transferència d'oblies). En escenaris on es requereix un inici i una aturada ràpids (com ara equips d'inspecció d'alta velocitat), pot afectar el ritme de producció i reduir l'eficiència.
En tercer lloc, el cost de reparació i iteració és elevat
Els defectes són difícils de reparar: si es produeix desgast superficial o danys per col·lisió durant l'ús, cal retornar-los a la fàbrica per a la seva reparació mitjançant equips de mòlta professionals, que no es poden manipular ràpidament in situ. En canvi, els components metàl·lics es poden reparar immediatament mitjançant mètodes com la soldadura per punts i el revestiment làser, la qual cosa resulta en un temps d'inactivitat més curt.
El cicle d'iteració del disseny és llarg: les diferències en les venes de granit natural poden causar lleugeres fluctuacions en les propietats del material (com ara el coeficient d'expansió tèrmica i la relació d'amortiment) de diferents lots. Si el disseny de l'equip canvia, cal tornar a ajustar les propietats del material i el cicle de verificació de la investigació i el desenvolupament és relativament llarg.
Iv. Recursos limitats i reptes mediambientals
La pedra natural no és renovable: el granit d'alta qualitat (com ara el "Jinan Green" i el "Sesame Black" utilitzats en semiconductors) depèn de vetes específiques, té reserves limitades i la seva mineria està restringida per polítiques de protecció ambiental. Amb l'expansió de la indústria dels semiconductors, pot haver-hi un risc d'inestabilitat en el subministrament de matèries primeres.
Problemes de contaminació durant el processament: Durant els processos de tall i mòlta, es produeix una gran quantitat de pols de granit (que conté diòxid de silici). Si no es gestiona correctament, pot causar silicosi. A més, les aigües residuals s'han de tractar mitjançant sedimentació abans de ser abocades, cosa que augmenta la inversió en protecció del medi ambient.
Cinquè. Compatibilitat insuficient amb els processos emergents
Limitacions de l'entorn de buit: Alguns processos de semiconductors (com ara el recobriment al buit i la litografia per feix d'electrons) requereixen mantenir un estat d'alt buit dins de l'equip. Tanmateix, els microporus de la superfície del granit poden adsorbir molècules de gas, que s'alliberen lentament i afecten l'estabilitat del grau de buit. Per tant, cal un tractament addicional de densificació superficial (com ara la impregnació de resina).
Problemes de compatibilitat electromagnètica: el granit és un material aïllant. En escenaris on es requereix una descàrrega d'electricitat estàtica o un blindatge electromagnètic (com ara plataformes d'adsorció electrostàtica d'oblies), cal combinar recobriments metàl·lics o pel·lícules conductores, cosa que augmenta la complexitat estructural i el cost.
Estratègia de resposta de la indústria
Malgrat les deficiències esmentades anteriorment, la indústria dels semiconductors ha compensat parcialment les deficiències del granit mitjançant la innovació tecnològica:
Disseny d'estructura composta: Adopta la combinació de "base de granit + marc metàl·lic", tenint en compte tant la rigidesa com el pes lleuger (per exemple, un fabricant de màquines de fotolitografia incrusta una estructura de bresca d'aliatge d'alumini a la base de granit, reduint el pes en un 40%).
Materials alternatius sintètics artificials: Desenvolupar compostos de matriu ceràmica (com ara ceràmica de carbur de silici) i pedres artificials a base de resina epoxi per simular l'estabilitat tèrmica i la resistència a les vibracions del granit, alhora que millorar la flexibilitat del processament.
Tecnologia de processament intel·ligent: mitjançant la introducció d'algoritmes d'IA per optimitzar la ruta de processament, la simulació d'estrès per predir els riscos d'esquerdes i la combinació de la detecció en línia per ajustar els paràmetres en temps real, la taxa de ferralla del processament s'ha reduït del 5% a menys de l'1%.
Resum
Les deficiències del granit en la indústria dels semiconductors provenen essencialment del joc entre les seves propietats naturals i les demandes industrials. Amb l'avanç de la tecnologia i el desenvolupament de materials alternatius, els seus escenaris d'aplicació poden reduir-se gradualment cap a "components bàsics de referència irreemplaçables" (com ara guies hidrostàtiques per a màquines de fotolitografia i plataformes de mesurament d'ultraprecisió), alhora que donen pas gradualment a materials d'enginyeria més flexibles en components estructurals no crítics. En el futur, com equilibrar el rendiment, el cost i la sostenibilitat serà un tema que la indústria continuarà explorant.
Data de publicació: 24 de maig de 2025