ИСТОРИЯ ЗА УСПЕХ НА КЛИЕНТА
Висока производителност чрез прецизност:Осигуряване на качеството при производството на техническа керамика
Историята на успеха на клиента от екипа на лабораторията в отдел "Иновации и технологии" на CeramTec Group
Техническата керамика предлага много предимства. За да може да се използва надеждно, трябва да се провери качеството на материалите. CeramTec от много години разчита на експертния опит на NETZSCHв тази област - независимо дали става въпрос за развойни проекти, производствен процес или серийно производство, анализаторите на NETZSCH се използват постоянно.
Разлики във високоефективната керамика
Терминът "висококачествена керамика" обхваща широк спектър от различни, понякога тясно специализирани керамични материали с уникални механични, термични, биохимични и електрически свойства - и комбинации от тях. Може да се направи разграничение между три large групи материали: Силикатна керамика, оксидна керамика и неоксидна керамика. Силикатната керамика се състои основно от естествени суровини в комбинация с алуминиев оксид. Оксидната керамика включва материали на основата на метални оксиди. Неоксидната керамика се отнася към групата керамични материали на базата на съединения на въглерод, азот и силиций. Групата, от която се избира даден материал, зависи от конкретното приложение и произтичащите от него изисквания към материала.
Керамични субстрати: Ключови компоненти за електронни приложения
Субстратът е основният материал на носителя на веригата, за който се предлагат различни материали. Благодарение на своите електрически, топлинни, механични, изолационни и химически свойства субстратите, изработени от високоефективна керамика, се използват в многобройни отрасли и области на приложение - например в електрификацията на превозните средства, електронната мобилност, промишлеността и производството на енергия. CeramTec е европейски център за обслужване на едно гише за всички разпространени керамични субстрати: алуминиев оксид, алуминиев нитрид, алуминиев оксид, подсилен с циркониев оксид, циркониев оксид, а от 2024 г. - и силициев нитрид. Всеки субстрат има различни свойства (вж. фигура 1). Алуминиевият нитрид например има особено висока топлопроводимост от 170 W/(m-K), което влияе върху механичните и електрическите свойства на керамичния субстрат. Високата топлопроводимост означава например, че топлината, генерирана от реактивния ток в силовата електроника, е намалена и че разсейването на топлината е хомогенно и постоянно намалено. Това са свойства, които се търсят особено в електрониката с висока производителност, например в полупроводниковата промишленост, където целта е да се генерира максимална мощност на минимално пространство. Генерираната топлина трябва да се отвежда бързо и надеждно. CeramTec произвежда и обработва керамични субстрати, като използва различни методи в зависимост от приложението, материала, геометрията и количеството - те се щамповат, лазерират или пресоват на сухо.
Създаване на иновации, контрол на качеството
Отделът за иновации и технологии на CeramTec непрекъснато изследва и разработва материали и производствени процеси за нови продукти. Отделът за ленти и приложения на субстрати е фокусиран върху разработването на нови керамични субстрати и тяхното оптимизиране. Един успешен пример: Новият AIN HP (Aluminum Nitride High Performance) предлага значително по-висока якост на огъване в сравнение с други субстратни материали, като същевременно запазва топлинните си свойства. Той е особено подходящ за продължително натоварване в захранващи модули и се използва в производството и разпределението на електроенергия, електрификацията на превозни средства и преобразуватели на енергия в конструкцията на железопътни превозни средства. Непрекъснатите изпитвания в лаборатория са съществена част от изследователската и развойната дейност на екипа. Първо се характеризират суровините и произведените от тях керамични маси. След процеса на оформяне се определят термичните параметри на зелените ленти. След това се извършват измервания на синтерованата подложка. В зависимост от измерването те могат да бъдат сложни и да отнемат до 36 часа.
Измерванията обаче не се извършват само за развойни проекти; при контрола на качеството те са част и от производствения процес или пускането на серия. Например, субстратите се тестват за тяхната топлопроводимост или диелектрична якост: Измерените проби трябва да отговарят на типичните стандартни стойности за материала. Това е така, защото едно нещо е много важно за CeramTec: Клиентите да могат да разчитат, че техният продукт ще се отличава с договорените свойства на материала.
Поглед към лабораторията: Термичен анализ на AIN
Когато става въпрос за измерване на топлинни свойства, екипът разчита на експертния опит на NETZSCH. Постоянно положителният опит, близостта на местата и отличното обслужване водят до използването на все повече и повече измервателни технологии на NETZSCH. Преглед на технологията, използвана за термичен анализ, е показан на фигура 4.
Както вече беше споменато, топлопроводимостта оказва влияние върху механичните и електрическите свойства на керамичния субстрат. За да се изследва това, първо се проверява термичната дифузия. Тя показва колко бързо даден материал реагира на температурна промяна и е свойство, зависещо от материала. CeramTec тества термичната дифузия на керамични субстрати като AIN в лаборатория с помощта на NETZSCH LFA 447Nanoflash. За тази цел екипът на лабораторията подготвя образеца за изпитване във формата, определен за изпитвателното устройство, и го покрива с графит. След това проводимостта може да бъде измерена в температурен диапазон от 20°C до 300°C.
На фигури 5а и 5б е показано сравнение на нарастването на топлината с течение на времето след прилагане на енергия към оксидна керамика (фиг. 5а) и нитридна керамика (фиг. 5б): Нарастването на топлината е по-голямо при нитридната керамика. След това топлопроводността може да се изчисли от измерената топлодифузия, както и от специфичния топлинен капацитет и плътността на материала:
За керамиката от алуминиев нитрид това води до топлопроводимост над 170 W/(m-K) в зависимост от вида на материала. В зависимост от приложението керамиката изисква ниска или висока топлопроводимост. Особено в случая на силовите полупроводници, които генерират високи температури, топлината трябва да се разсейва бързо и надеждно.
Топлинният анализ включва и отчитане на коефициента на термично разширение (КТЕ). Топлинното разширение показва как се променят геометричните размери на дадено тяло с температурата. Това знание е важно за изчисляване на топлинното несъответствие при комбинации от материали, например. Точно определеното СТЕ е важно и за метализацията и опаковането, за да се знаят например допустимите отклонения на външните размери на субстрата. CeramTec определя коефициента на термично разширение на синтеровани материали в лаборатория с помощта на NETZSCH DIL 402 E и DIL 402 Expedis® дилатометри. Термичното разширение на керамично тяло може да се изследва в температурен диапазон до 2000°C. Освен това дилатометрите предлагат възможност за извършване на измервания в различни атмосфери - като въздух, азот или аргон - чрез управление на газа. Това е важно, за да могат да се извършват измервания във високотемпературния диапазон, например. Софтуерът за анализ на Proteus® осигурява помощ при оценката на кривата на измерване и определянето на термичното разширение в различни температурни сегменти.
Термогравиметричното измерване също е част от термичния анализ. То се използва предимно за изследване на екзотермични и ендотермични реакции, както и на промени в теглото на суровини (прахове, свързващи вещества и органични материали) на въздух и на зелени ленти на въздух или азот. За тези измервания CeramTec използва различни системи NETZSCH STA.
Топлинният капацитет описва как измерената температура на дадено тяло се променя в зависимост от количеството добавена към него топлина. CeramTec определя този показател за синтеровани материали с помощта на NETZSCH DSC 300 Caliris®.
Друга задача на лабораторията във връзка с топлинните параметри е да се пресметне производственият процес, тъй като температурната крива описва температурата на пещта и по този начин тази на процеса на синтероване. Например, дилатометърът може да се използва за определяне на етапите на синтероване.
Готови за най-висока производителност
В момента, в който даден субстрат напусне производството в CeramTec, той вече е подробно тестван: готов е за използване във високотехнологични електрически приложения и за използване на специфичните му предимства. Лабораторните анализи са от съществено значение не само за контрола на качеството, но и за разработването на нови иновативни продукти. NETZSCH е важен партньор на CeramTec в това отношение.
Уважаемият екип на лабораторията на Ceramtec - Много Ви благодаря за интересния поглед към Вашата изследователска работа. Ще се радваме да допринесем с нашите аналитични устройства и в бъдеще.