Customer SUCCESS STORY
Hochleistung durch Präzision: Qualitätssicherung in der technischen Keramikherstellung
Eine Customer Success Story des Laborteams der Abteilung Innovation and Technology der CeramTec-Gruppe
Technische Keramik bietet viele Vorteile. Damit diese verlässlich genutzt werden können, müssen die Werkstoffe auf ihre Qualität geprüft werden. Dabei setzt CeramTec seit vielen Jahren auf die Expertise von NETZSCH: Ob bei Entwicklungsprojekten, im Herstellungsprozess oder der Serienfreigabe, die Analysegeräte von NETZSCH sind durchgängig im Einsatz.
Unterschiede in Hochleistungskeramik
Hinter dem Begriff Hochleistungskeramik verbirgt sich eine Vielzahl unterschiedlicher, zum Teil hoch spezialisierter keramischer Werkstoffe mit einzigartigen mechanischen, thermischen, biologisch-chemischen und elektrischen Eigenschaften – sowie deren Kombinationen. Man kann zwischen drei großen Werkstoffgruppen unterscheiden: Silikatkeramik, Oxidkeramik und Nichtoxidkeramik. Silikatkeramik besteht überwiegend aus natürlich vorkommenden Rohstoffen in Verbindung mit Aluminiumoxid. Zur Oxidkeramik gehören Werkstoffe, die auf Metalloxiden basieren. Nichtoxidkeramik bezeichnet die Gruppe der keramischen Werkstoffe auf der Basis von Verbindungen aus Kohlenstoff, Stickstoff und Silizium. Aus welcher Gruppe ein Werkstoff gewählt wird, hängt vom konkreten Anwendungsfall und den daraus abzuleitenden Anforderungen an das Material ab.
Keramische Substrate: Schlüsselkomponenten für elektronische Anwendungen
Als Substrat bezeichnet man das Grundmaterial eines Schaltungsträgers, dafür bieten sich unterschiedliche Materialien an. Substrate aus Hochleistungskeramik werden aufgrund ihrer elektrischen, thermischen, mechanischen, isolierenden und chemischen Eigenschaften in zahlreichen Branchen und Anwendungsbereichen eingesetzt – beispielsweise in der Fahrzeugelektrifizierung, der E-Mobilität, der Industrie oder der Energiegewinnung. CeramTec ist ein europäischer One-Stop-Shop für alle gängigen keramischen Substrate: Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirkonoxid verstärktes Aluminiumoxid, Zirkonoxid und seit 2024 auch Siliziumnitrid. Die einzelnen Substrate unterscheiden sich dabei in ihren Eigenschaften (s. Abb. 3). So zeichnet sich Aluminiumnitrid etwa durch eine besonders hohe WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit von 170 W/(m·K) aus, was sich auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Keramiksubstrats auswirkt. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit reduziert z. B. die Blindstromwärme in der Leistungselektronik und sorgt für eine gleichmäßige und konstante Wärmeabfuhr.
Das sind Eigenschaften, die besonders in der Hochleistungselektronik gefragt sind, wie in der Halbleiterindustrie, wenn es darum geht, maximale Leistung auf minimalem Raum zu erzeugen. Denn dann muss die dabei entstehende Wärme rasch und zuverlässig abgeführt werden. CeramTec fertigt und bearbeitet keramische Substrate je nach Anwendungsgebiet, Werkstoff, Geometrie und Stückzahl mit verschiedenen Verfahren – sie werden gestanzt, gelasert oder trockengepresst.
Innovationen schaffen, Qualität kontrollieren
Der Bereich Innovation and Technology von CeramTec erforscht und entwickelt kontinuierlich Materialen und Herstellungsverfahren für neue Produkte. Dabei konzentriert sich die Abteilung Tape and Substrate Applications auf die Entwicklung neuer keramischer Substrate und auf deren Optimierung. Ein Erfolgsbeispiel: Das neue AIN HP (Aluminiumnitrid High Performance) bietet eine deutlich höhere Biegebruchfestigkeit im Vergleich zu anderen Substratmaterialien und behält gleichzeitig seine thermischen Eigenschaften. Es ist besonders gut für die Dauerbelastung in Leistungsmodulen geeignet und findet Anwendung in der Energie-Erzeugung und -Verteilung, der Fahrzeugelektrifizierung sowie in Leistungswandlern im Schienenfahrzeugbau. Wesentlicher Bestandteil von Forschung und Entwicklung des Teams sind die kontinuierlichen Prüfungen im Labor. Zunächst werden die Rohstoffe und die daraus gefertigten Keramikmassen charakterisiert. Nach dem Formgebungsprozess werden die thermischen Parameter an den Grünfolien bestimmt. Später folgen Messungen des gesinterten Substrats. Je nach Messung können diese aufwändig sein und bis zu 36 Stunden dauern.
Messungen werden jedoch nicht nur bei Entwicklungsprojekten durchgeführt, als Qualitätskontrolle sind sie auch Teil des Herstellungsprozesses oder der Serienfreigabe. Die Substrate werden dabei beispielswiese auf ihre Wärmeleitfähigkeit oder Durchschlagsfestigkeit geprüft: Die gemessenen Proben müssen den materialtypischen Richtwerten entsprechen. Denn eins ist CeramTec wichtig: Kunden müssen sich darauf verlassen können, dass ein Produkt die vereinbarten Materialeigenschaften aufweist.
Laboreinblick: Thermische Analysen von AIN
Bei den Messungen der thermischen Eigenschaften setzt das Team auf die Expertise von NETZSCH. Stets gute Erfahrungen, die räumliche Nähe der Standorte und ein exzellenter Service haben dazu geführt, dass immer mehr Messtechnik von NETZSCH zum Einsatz kommt. Ein Überblick der verwendeten Technik für die thermische Analyse zeigt Abbildung 4.
Wie bereits erwähnt, hat die Wärmeleitfähigkeit Einfluss auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften eines keramischen Substrats. Um sie zu untersuchen, wird zunächst die TemperaturleitfähigkeitDie Temperaturleitfähigkeit (a mit der Einheit mm2/s) ist eine materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationären Wärmetransports. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert.Temperaturleitfähigkeit geprüft. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert und ist eine materialabhängige Eigenschaft. CeramTec testet sie bei keramischen Substraten wie AIN im Labor mit dem LFA447 Nanoflash von NETZSCH. Dafür präpariert das Laborteam den Prüfkörper auf das vom Prüfgerät vorgeschriebene Format und beschichtet es mit Graphit. Anschließend kann die Leitfähigkeit in einem Temperaturbereich von 20 bis 300 °C gemessen werden.
Die Abbildungen 5a und 5b zeigen den Verlauf des Wärmeanstiegs mit der Zeit nach Energieeintrag einer Oxidkeramik (Abb. 5a) und einer Nitridkeramik (Abb. 5b) im Vergleich: Der Wärmeanstieg bei einer Nitridkeramik ist höher. Die Wärmeleitfähigkeit lässt sich anschließend anhand der gemessenen Temperaturleitfähigkeit sowie der spezifischen Wärmekapazität und der DichteDie Massen-Dichte ist definiert als Verhältnis zwischen Masse und Volumen.Dichte des Werkstoffs berechnen:
Für Aluminiumnitridkeramiken ergeben sich so – abhängig vom Werkstofftyp – Wärmeleitfähigkeiten von wenigen W/(m·K) bis über 170 W/(m·K). Je nach Anwendung, bedarf die Keramik einer niedrigen oder hohen Wärmeleitfähigkeit. Gerade bei Leistungs-Halbleitern, die hohe Temperaturen entwickeln, muss die Wärme rasch und zuverlässig abgeführt werden.
Zur thermischen Analyse gehört auch die Betrachtung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE). Die thermische Ausdehnung gibt an, wie sich die geometrischen Abmessungen eines Körpers bei einer Temperaturänderung entwickeln. Kenntnis darüber ist wichtig, um beispielsweise die thermische Fehlanpassung bei Materialkombinationen zu berechnen. Auch bei der Metallisierung und der Verpackung ist ein exakt bestimmter CTE wichtig, um etwa die Toleranzen der äußeren Abmessung eines Substrats zu kennen. CeramTec bestimmt den thermischen Ausdehnungskoeffizienten gesinterter Werkstoffe im Labor mit Hilfe der Dilatometern DIL 402 E und DIL 402 Expedis® von NETZSCH. Die Wärmeausdehnung eines keramischen Körpers kann in einem Temperaturbereich bis zu 2000 °C untersucht werden. Zusätzlich bieten die Dilatometer die Möglichkeit, über eine Gasregelung die Messungen in verschiedenen Atmosphären vorzunehmen – etwa unter Luft, Stickstoff oder Argon. Das ist wichtig, um beispielsweise Messungen im Hochtemperaturbereich vornehmen zu können. Bei der Auswertung der Messkurve und der Bestimmung der Wärmeausdehnung in verschiedenen Temperatursegmenten unterstützt die Analysesoftware Proteus®.
Ebenfalls Teil der thermischen Analyse ist die Thermogravimetrie. Diese dient vor allem der Untersuchung von exothermen und endothermen Reaktionen sowie von Gewichtsänderungen bei Rohstoffen (Pulver, Binder und Organik) unter Luft und bei Grünfolien unter Luft oder Stickstoff. Diese Messungen werden bei CeramTec mit verschiedenen NETZSCH STA Geräten durchgeführt.
Wie sich die gemessene Temperatur eines Körpers im Verhältnis zu der Menge an ihm zugefügter Wärme ändert, beschreibt die Wärmekapazität. CeramTec bestimmt sie bei gesinterten Werkstoffen mit Hilfe der NETZSCH DSC 300 Caliris®.
Eine weitere Laboraufgabe im Zusammenhang mit den thermischen Parametern ist die Überwachung des Produktionsprozesses, denn die Temperaturkurve beschreibt die Temperatur des Ofens und damit des Sintervorgangs. So können beispielsweise Sinterstufen mit Hilfe der Dilatometer bestimmt werden.
Bereit für Höchstleistungen
Wenn ein Substrat die Produktion bei CeramTec verlässt, ist es ausgiebig getestet: Es ist bereit für den Einsatz in Hightech-Elektroanwendungen und für die Nutzung seiner materialspezifischen Vorteile. Laboranalysen sind nicht nur für die Qualitätskontrolle, sondern auch für die Entwicklung neuer innovativer Produkte unerlässlich. NETZSCH ist dabei ein wichtiger Partner für CeramTec.
Liebes CeramTec-Laborteam, herzlichen Dank für die interessanten Einblicke in Ihre Forschungsarbeit. Wir freuen uns, auch in Zukunft mit unseren Analysegeräten einen Beitrag leisten zu können.