Kunde-succeshistorie
Høj ydeevne gennem præcision:Kvalitetssikring i produktionen af teknisk keramik
En kundesucceshistorie fra laboratorieteamet i CeramTec Groups innovations- og teknologiafdeling
Teknisk keramik har mange fordele. For at de kan bruges pålideligt, skal materialernes kvalitet testes. CeramTec har i mange år benyttet sig af NETZSCH's ekspertise på dette område - uanset om det er i udviklingsprojekter, i fremstillingsprocessen eller i serieproduktion, er NETZSCH -analysatorer i konstant brug.
Forskelle i højtydende keramik
Udtrykket "avanceret keramik" dækker over en bred vifte af forskellige, til tider højt specialiserede keramiske materialer med unikke mekaniske, termiske, biokemiske og elektriske egenskaber - og kombinationer af disse. Man kan skelne mellem tre large grupper af materialer: Silikatkeramik, oxidkeramik og ikke-oxidkeramik. Silikatkeramik består hovedsageligt af naturligt forekommende råmaterialer i kombination med aluminiumoxid. Oxidkeramik omfatter materialer baseret på metaloxider. Ikke-oxidkeramik henviser til gruppen af keramiske materialer, der er baseret på forbindelser af kulstof, nitrogen og silicium. Hvilken gruppe et materiale vælges fra, afhænger af den specifikke anvendelse og de deraf følgende krav til materialet.
Keramiske substrater: Nøglekomponenter til elektroniske applikationer
Et substrat er grundmaterialet i en kredsløbsbærer, som der findes forskellige materialer til. På grund af deres elektriske, termiske, mekaniske, isolerende og kemiske egenskaber bruges substrater af højtydende keramik i mange industrier og anvendelsesområder - for eksempel inden for elektrificering af køretøjer, e-mobilitet, industri og energiproduktion. CeramTec er en europæisk one-stop-shop for alle almindelige keramiske substrater: aluminiumoxid, aluminiumnitrid, zirkoniumoxidforstærket aluminiumoxid, zirkoniumoxid og, fra 2024, også siliciumnitrid. Hvert substrat har forskellige egenskaber (se figur 1). Aluminiumnitrid har f.eks. en særlig høj Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne på 170 W/(m-K), hvilket påvirker det keramiske substrats mekaniske og elektriske egenskaber. En høj Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne betyder f.eks., at den varme, der genereres af den reaktive strøm i effektelektronik, reduceres, og at varmeafledningen reduceres homogent og konstant. Det er egenskaber, der især efterspørges i højtydende elektronik, f.eks. i halvlederindustrien, hvor målet er at generere maksimal effekt på minimal plads. Den genererede varme skal afledes hurtigt og pålideligt. CeramTec fremstiller og bearbejder keramiske substrater ved hjælp af forskellige metoder afhængigt af anvendelse, materiale, geometri og mængde - de bliver stemplet, laseret eller tørpresset.
Skabelse af innovationer, kontrol af kvalitet
CeramTecs innovations- og teknologiafdeling forsker og udvikler løbende materialer og fremstillingsprocesser til nye produkter. Afdelingen for tape- og substratapplikationer fokuserer på udvikling af nye keramiske substrater og optimering af dem. Et vellykket eksempel: Det nye AIN HP (Aluminum Nitride High Performance) giver en betydeligt højere bøjningsstyrke end andre substratmaterialer, samtidig med at det bevarer sine termiske egenskaber. Det er særligt velegnet til kontinuerlig StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning i strømmoduler og bruges til energiproduktion og -distribution, elektrificering af køretøjer og strømomformere i jernbanekøretøjer. Kontinuerlig testning i laboratoriet er en vigtig del af teamets forsknings- og udviklingsarbejde. Først karakteriseres råmaterialerne og de keramiske masser, der produceres af dem. Efter formningsprocessen bestemmes de termiske parametre for de grønne bånd. Dette efterfølges af målinger på det sintrede substrat. Afhængigt af målingen kan disse være komplekse og tage op til 36 timer.
Målingerne udføres dog ikke kun i forbindelse med udviklingsprojekter; i kvalitetskontrollen er de også en del af fremstillingsprocessen eller seriefrigivelsen. For eksempel testes substraterne for deres Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne eller dielektriske styrke: De målte prøver skal svare til de typiske standardværdier for materialet. Dette skyldes, at én ting er meget vigtig for CeramTec: At kunderne kan stole på, at deres produkt har de aftalte materialeegenskaber.
Indblik i laboratoriet: Termisk analyse af AIN
Når det drejer sig om at måle termiske egenskaber, stoler teamet på ekspertisen hos NETZSCH. Konsekvent positive erfaringer, nærheden til lokationerne og den fremragende service har ført til brugen af mere og mere NETZSCH måleteknologi. En oversigt over den teknologi, der bruges til termisk analyse, er vist i figur 4.
Som allerede nævnt har varmeledningsevnen indflydelse på de mekaniske og elektriske egenskaber af et keramisk substrat. For at undersøge dette testes først den termiske diffusivitet. Den angiver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring, og er en materialeafhængig egenskab. CeramTec tester den termiske diffusivitet for keramiske substrater som AIN i laboratoriet ved hjælp af NETZSCH LFA 447Nanoflash. Til dette formål forbereder laboratorieteamet testprøven til det format, der er specificeret til testenheden, og belægger den med grafit. Ledningsevnen kan derefter måles i et temperaturområde fra 20 °C til 300 °C.
Figur 5a og 5b viser en sammenligning af varmestigningen over tid efter tilførsel af energi til en oxidkeramik (fig. 5a) og en nitridkeramik (fig. 5b): Varmestigningen er højere for nitridkeramikken. Varmeledningsevnen kan derefter beregnes ud fra den målte varmediffusivitet samt materialets specifikke varmekapacitet og densitet:
For aluminiumnitridkeramik resulterer dette i varmeledningsevner på over 170 W/(m-K), afhængigt af materialetypen. Afhængigt af anvendelsen kræver keramikken enten lav eller høj Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne. Især i forbindelse med effekthalvledere, som genererer høje temperaturer, skal varmen afledes hurtigt og pålideligt.
Termisk analyse omfatter også overvejelser om den termiske udvidelseskoefficient (Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE). Den termiske ekspansion angiver, hvordan et legemes geometriske dimensioner ændrer sig med temperaturen. Denne viden er vigtig for at beregne den termiske uoverensstemmelse i f.eks. materialekombinationer. En præcist bestemt Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE er også vigtig for metallisering og emballering for at kende tolerancerne for de ydre dimensioner af f.eks. et substrat. CeramTec bestemmer den termiske udvidelseskoefficient for sintrede materialer i laboratoriet ved hjælp af NETZSCH DIL 402 E og DIL 402 Expedis® dilatometre. Den termiske udvidelse af et keramisk legeme kan undersøges i temperaturområdet op til 2000 °C. Derudover giver dilatometrene mulighed for at udføre målinger under forskellige atmosfærer - såsom luft, nitrogen eller argon - via gaskontrol. Det er vigtigt for at kunne foretage målinger i f.eks. højtemperaturområdet. Analysesoftwaren Proteus® hjælper med at evaluere målekurven og bestemme den termiske udvidelse i forskellige temperatursegmenter.
Termogravimetrisk måling er også en del af den termiske analyse. Den anvendes primært til undersøgelse af eksoterme og endoterme reaktioner samt vægtændringer i råmaterialer (pulvere, bindemidler og organiske materialer) under luft og i grønne bånd under luft eller kvælstof. CeramTec bruger forskellige NETZSCH STA-systemer til disse målinger.
Varmekapaciteten beskriver, hvordan den målte temperatur på et legeme ændrer sig i forhold til den mængde varme, der tilføres det. CeramTec bestemmer dette for sintrede materialer ved hjælp af NETZSCH DSC 300 Caliris®.
En anden laboratorieopgave i forbindelse med de termiske parametre er at overskue produktionsprocessen, da temperaturkurven beskriver ovnens og dermed sintringsprocessens temperatur. Dilatometeret kan f.eks. bruges til at bestemme sintringstrin.
Klar til toppræstationer
Når et substrat forlader produktionen hos CeramTec, er det blevet grundigt testet: Det er klar til at blive brugt i højteknologiske elektriske applikationer, og dets materialespecifikke fordele kan udnyttes. Laboratorieanalyser er ikke kun vigtige for kvalitetskontrollen, men også for udviklingen af nye innovative produkter. NETZSCH er en vigtig partner for CeramTec i denne henseende.
Kære Ceramtec Lab Team - mange tak for den interessante indsigt i jeres forskningsarbejde. Vi er glade for at kunne bidrage med vores analyseudstyr også i fremtiden.