Příběh úspěchu zákazníka
Vysoký výkon díky přesnosti:Zajištění kvality při výrobě technické keramiky
Úspěšný příběh zákazníka od týmu laboratoře v oddělení inovací a technologií společnosti CeramTec Group
Technická keramika nabízí mnoho výhod. Aby mohla být spolehlivě používána, musí být testována kvalita materiálů. Společnost CeramTec se v této oblasti již mnoho let spoléhá na odborné znalosti NETZSCH- ať už jde o vývojové projekty, výrobní proces nebo sériovou výrobu, analyzátory NETZSCH jsou neustále využívány.
Rozdíly ve vysoce výkonné keramice
Pojem "pokročilá keramika" zahrnuje širokou škálu různých, někdy vysoce specializovaných keramických materiálů s jedinečnými mechanickými, tepelnými, biochemickými a elektrickými vlastnostmi - a jejich kombinacemi. Lze rozlišit tři skupiny materiálů large: Silikátová keramika, oxidová keramika a neoxidová keramika. Silikátová keramika se skládá především z přírodních surovin v kombinaci s oxidem hlinitým. Oxidová keramika zahrnuje materiály na bázi oxidů kovů. Neoxidová keramika označuje skupinu keramických materiálů na bázi sloučenin uhlíku, dusíku a křemíku. Skupina, ze které je materiál vybrán, závisí na konkrétním použití a z toho vyplývajících požadavcích na materiál.
Keramické substráty: Klíčové komponenty pro elektronické aplikace
Základním materiálem nosiče obvodu je substrát, pro který jsou k dispozici různé materiály. Díky svým elektrickým, tepelným, mechanickým, izolačním a chemickým vlastnostem se substráty z vysoce výkonné keramiky používají v mnoha průmyslových odvětvích a oblastech použití - například při elektrifikaci vozidel, e-mobilitě, v průmyslu a energetice. Společnost CeramTec je evropským komplexním prodejcem všech běžných keramických substrátů: oxidu hlinitého, nitridu hlinitého, oxidu hlinitého vyztuženého oxidem zirkoničitým, oxidu zirkoničitého a od roku 2024 také nitridu křemičitého. Každý substrát má jiné vlastnosti (viz obrázek 1). Například nitrid hliníku má obzvláště vysokou tepelnou vodivost 170 W/(m-K), což ovlivňuje mechanické a elektrické vlastnosti keramického substrátu. Vysoká Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost například znamená, že se snižuje teplo generované jalovým proudem ve výkonové elektronice a že se homogenně a trvale snižuje odvod tepla. To jsou vlastnosti, které jsou žádané zejména ve vysoce výkonné elektronice, například v polovodičovém průmyslu, kde je cílem generovat maximální výkon na minimálním prostoru. Vzniklé teplo musí být rychle a spolehlivě odváděno. Společnost CeramTec vyrábí a zpracovává keramické substráty různými metodami v závislosti na aplikaci, materiálu, geometrii a množství - jsou lisované, laserované nebo lisované za sucha.
Vytváření inovací, kontrola kvality
Inovační a technologické oddělení společnosti CeramTec se neustále zabývá výzkumem a vývojem materiálů a výrobních postupů pro nové výrobky. Oddělení pásků a aplikací substrátů se zaměřuje na vývoj nových keramických substrátů a jejich optimalizaci. Jeden z úspěšných příkladů: Nový AIN HP (Aluminum Nitride High Performance) nabízí výrazně vyšší pevnost v ohybu než jiné substrátové materiály při zachování tepelných vlastností. Je obzvláště vhodný pro trvalé zatížení ve výkonových modulech a používá se při výrobě a distribuci elektrické energie, elektrifikaci vozidel a při výrobě měničů energie v konstrukci kolejových vozidel. Průběžné testování v laboratoři je nezbytnou součástí výzkumné a vývojové práce týmu. Nejprve se charakterizují suroviny a z nich vyrobené keramické hmoty. Po procesu tvarování se určují tepelné parametry zelených pásů. Poté následují měření na slinutém substrátu. Ta mohou být v závislosti na měření složitá a trvat až 36 hodin.
Měření se však neprovádějí pouze u vývojových projektů; v rámci kontroly kvality jsou také součástí výrobního procesu nebo uvolňování sérií. U substrátů se například testuje jejich Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost nebo dielektrická pevnost: Měřené vzorky musí odpovídat typickým standardním hodnotám pro daný materiál. Pro společnost CeramTec je totiž velmi důležitá jedna věc: Aby se zákazníci mohli spolehnout, že jejich výrobek bude mít dohodnuté vlastnosti materiálu.
Nahlédnutí do laboratoře: Tepelná analýza AIN
Pokud jde o měření tepelných vlastností, tým se spoléhá na odborné znalosti NETZSCH. Trvale pozitivní zkušenosti, blízkost lokalit a vynikající servis vedly k tomu, že stále více využíváme měřicí techniku NETZSCH. Přehled technologií používaných pro tepelnou analýzu je uveden na obrázku 4.
Jak již bylo uvedeno, Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost má vliv na mechanické a elektrické vlastnosti keramického substrátu. Aby bylo možné tuto skutečnost prozkoumat, testuje se nejprve Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita. Ta udává, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty, a je vlastností závislou na materiálu. Společnost CeramTec testuje tepelnou difuzivitu keramických substrátů, jako je AIN, v laboratoři pomocí přístroje NETZSCH LFA 447Nanoflash. Za tímto účelem tým laboratoře připraví zkušební vzorek ve formátu určeném pro zkušební zařízení a pokryje jej grafitem. Vodivost pak lze měřit v teplotním rozsahu od 20 °C do 300 °C.
Obrázky 5a a 5b ukazují srovnání nárůstu tepla v čase po aplikaci energie na oxidovou keramiku (obr. 5a) a nitridovou keramiku (obr. 5b): Nárůst tepla je vyšší u nitridové keramiky. Z naměřené tepelné difuzivity, měrné tepelné kapacity a hustoty materiálu lze následně vypočítat tepelnou vodivost:
U keramiky z nitridu hliníku to vede k tepelné vodivosti přes 170 W/(m-K) v závislosti na typu materiálu. V závislosti na aplikaci vyžaduje keramika buď nízkou, nebo vysokou tepelnou vodivost. Zejména v případě výkonových polovodičů, které generují vysoké teploty, musí být teplo odváděno rychle a spolehlivě.
Tepelná analýza zahrnuje také zohlednění koeficientu tepelné roztažnosti (Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE). Tepelná roztažnost udává, jak se geometrické rozměry tělesa mění s teplotou. Tato znalost je důležitá například pro výpočet tepelného nesouladu v kombinacích materiálů. Přesně stanovený Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE je důležitý také pro pokovování a balení, aby bylo možné znát například tolerance vnějších rozměrů substrátu. Společnost CeramTec určuje koeficient tepelné roztažnosti slinutých materiálů v laboratoři pomocí přístrojů NETZSCH DIL 402 E a DIL 402 Expedis® dilatometrů. Tepelnou roztažnost keramického tělesa lze zkoumat v teplotním rozsahu až do 2000 °C. Kromě toho dilatometry nabízejí možnost provádět měření v různých atmosférách - např. ve vzduchu, dusíku nebo argonu - prostřednictvím regulace plynu. To je důležité, aby bylo možné provádět měření například v oblasti vysokých teplot. Analytický software Proteus® poskytuje podporu při vyhodnocování křivky měření a určování teplotní roztažnosti v různých teplotních segmentech.
Součástí termické analýzy je také termogravimetrické měření. Používá se především ke zkoumání ExotermickéPřechod vzorku nebo reakce je exotermická, pokud při ní vzniká teplo.exotermických a endotermických reakcí a hmotnostních změn v surovinách (prášcích, pojivech a organických materiálech) na vzduchu a v zelených páskách na vzduchu nebo dusíku. Společnost CeramTec používá pro tato měření různé systémy NETZSCH STA.
Tepelná kapacita popisuje, jak se mění naměřená teplota tělesa v závislosti na množství tepla, které se k němu přidá. Společnost CeramTec ji určuje u slinutých materiálů pomocí přístroje NETZSCH DSC 300 Caliris®.
Dalším laboratorním úkolem v souvislosti s tepelnými parametry je přerůstání výrobního procesu, protože teplotní křivka popisuje teplotu pece, a tím i teplotu procesu spékání. K určení stupně spékání lze například použít dilatometr.
Připravenost na špičkový výkon
V okamžiku, kdy substrát opustí výrobu ve společnosti CeramTec, je již důkladně otestován: je připraven pro použití v high-tech elektrotechnických aplikacích a pro využití jeho specifických materiálových výhod. Laboratorní analýzy jsou nezbytné nejen pro kontrolu kvality, ale také pro vývoj nových inovativních výrobků. NETZSCH je v tomto ohledu důležitým partnerem společnosti CeramTec.
Vážený týme laboratoře Ceramtec - velmi Vám děkujeme za zajímavé poznatky o Vaší výzkumné práci. Rádi přispějeme našimi analytickými přístroji i v budoucnu.