Sob os rigorosos requisitos de alta precisão e alta confiabilidade da indústria de semicondutores, embora o granito seja um dos principais materiais, suas propriedades também apresentam certas limitações. A seguir, suas principais desvantagens e desafios em aplicações práticas:
Primeiro, o material é altamente quebradiço e difícil de processar
Risco de rachaduras: O granito é essencialmente uma pedra natural com microfissuras naturais e limites de partículas minerais em seu interior, sendo um material tipicamente quebradiço. Em usinagens de ultraprecisão (como retificação em nanoescala e processamento complexo de superfícies curvas), se a força for irregular ou os parâmetros de processamento forem inadequados, problemas como lascamento e propagação de microfissuras tendem a ocorrer, levando ao descarte da peça.
Baixa eficiência de processamento: Para evitar fraturas frágeis, são necessários processos especiais, como retificação de baixa velocidade com rebolos diamantados e polimento magnetoreológico. O ciclo de processamento é 30% a 50% maior que o de materiais metálicos, e o custo de investimento em equipamentos é alto (por exemplo, o preço de um centro de usinagem de cinco eixos ultrapassa 10 milhões de yuans).
Limitações de estruturas complexas: É difícil produzir estruturas ocas leves por meio de fundição, forjamento e outros processos. É usado principalmente em formas geométricas simples, como placas e bases, e sua aplicação é limitada em equipamentos que exigem suportes irregulares ou integração interna de tubulações.
Em segundo lugar, a alta densidade leva a uma carga pesada no equipamento
Difícil de manusear e instalar: A densidade do granito é de aproximadamente 2,6 a 3,0 g/cm³ e seu peso é de 1,5 a 2 vezes maior que o do ferro fundido sob o mesmo volume. Por exemplo, o peso de uma base de granito para uma máquina de fotolitografia pode chegar a 5 a 10 toneladas, exigindo equipamento de elevação dedicado e fundações à prova de choque, o que aumenta o custo de construção da fábrica e a implantação do equipamento.
Atraso de resposta dinâmica: A alta inércia limita a aceleração das partes móveis do equipamento (como robôs de transferência de wafers). Em cenários que exigem partida e parada rápidas (como equipamentos de inspeção de alta velocidade), isso pode afetar o ritmo de produção e reduzir a eficiência.
Terceiro, o custo de reparação e iteração é alto
Defeitos são difíceis de reparar: se ocorrer desgaste superficial ou danos por colisão durante o uso, o componente precisa ser devolvido à fábrica para reparo com equipamentos profissionais de retificação, que não podem ser manuseados rapidamente no local. Em contrapartida, componentes metálicos podem ser reparados imediatamente por métodos como soldagem a ponto e revestimento a laser, resultando em menor tempo de inatividade.
O ciclo de iteração do projeto é longo: as diferenças nos veios de granito natural podem causar pequenas flutuações nas propriedades do material (como coeficiente de expansão térmica e taxa de amortecimento) de diferentes lotes. Se o projeto do equipamento mudar, as propriedades do material precisam ser reequilibradas, e o ciclo de verificação de pesquisa e desenvolvimento é relativamente longo.
Iv. Recursos limitados e desafios ambientais
A pedra natural não é renovável: granitos de alta qualidade (como o "Jinan Green" e o "Sesame Black", usados em semicondutores) dependem de veios específicos, possuem reservas limitadas e sua mineração é restrita por políticas de proteção ambiental. Com a expansão da indústria de semicondutores, pode haver o risco de instabilidade no fornecimento de matéria-prima.
Problemas de poluição no processamento: Durante os processos de corte e trituração, é produzida uma grande quantidade de pó de granito (contendo dióxido de silício). Se não for manuseado corretamente, pode causar silicose. Além disso, o efluente precisa ser tratado por sedimentação antes de ser descartado, aumentando o investimento em proteção ambiental.
Cinco. Compatibilidade insuficiente com processos emergentes
Limitações do ambiente de vácuo: Alguns processos de semicondutores (como revestimento a vácuo e litografia por feixe de elétrons) exigem a manutenção de um estado de alto vácuo dentro do equipamento. No entanto, os microporos na superfície do granito podem adsorver moléculas de gás, que são liberadas lentamente e afetam a estabilidade do grau de vácuo. Portanto, é necessário um tratamento adicional de densificação da superfície (como impregnação com resina).
Problemas de compatibilidade eletromagnética: O granito é um material isolante. Em cenários onde descarga de eletricidade estática ou blindagem eletromagnética são necessárias (como plataformas de adsorção eletrostática de wafers), revestimentos metálicos ou filmes condutores precisam ser compostos, aumentando a complexidade estrutural e o custo.
Estratégia de resposta da indústria
Apesar das deficiências acima mencionadas, a indústria de semicondutores compensou parcialmente as deficiências do granito por meio da inovação tecnológica:
Design de estrutura composta: adota a combinação de "base de granito + estrutura de metal", levando em consideração a rigidez e o peso leve (por exemplo, um certo fabricante de máquina de fotolitografia incorpora uma estrutura de favo de mel de liga de alumínio na base de granito, reduzindo o peso em 40%).
Materiais alternativos sintéticos artificiais: desenvolver compósitos de matriz cerâmica (como cerâmicas de carboneto de silício) e pedras artificiais à base de resina epóxi para simular a estabilidade térmica e a resistência à vibração do granito, ao mesmo tempo em que aumenta a flexibilidade do processamento.
Tecnologia de processamento inteligente: ao introduzir algoritmos de IA para otimizar o caminho de processamento, simulação de estresse para prever riscos de rachaduras e combinar detecção online para ajustar parâmetros em tempo real, a taxa de desperdício de processamento foi reduzida de 5% para menos de 1%.
Resumo
As deficiências do granito na indústria de semicondutores decorrem essencialmente da relação entre suas propriedades naturais e as demandas industriais. Com o avanço da tecnologia e o desenvolvimento de materiais alternativos, seus cenários de aplicação podem gradualmente se reduzir a "componentes de referência essenciais e insubstituíveis" (como trilhos-guia hidrostáticos para máquinas de fotolitografia e plataformas de medição de ultraprecisão), enquanto gradualmente abrem espaço para materiais de engenharia mais flexíveis em componentes estruturais não críticos. No futuro, como equilibrar desempenho, custo e sustentabilidade será um tema que a indústria continuará a explorar.
Horário de publicação: 24 de maio de 2025