Historia de éxito de un cliente
Alto rendimiento a través de la precisión:Garantía de calidad en la producción de cerámica técnica
Un caso de éxito del equipo de laboratorio del Departamento de Innovación y Tecnología del Grupo CeramTec
La cerámica técnica ofrece muchas ventajas. Para que puedan utilizarse de forma fiable, es necesario comprobar la calidad de los materiales. CeramTec lleva muchos años confiando en la experiencia de NETZSCHen este campo: ya sea en proyectos de desarrollo, en el proceso de fabricación o en la producción en serie, los analizadores de NETZSCH se utilizan constantemente.
Diferencias en la cerámica de alto rendimiento
El término "cerámica avanzada" abarca una amplia gama de materiales cerámicos diferentes, a veces muy especializados, con propiedades mecánicas, térmicas, bioquímicas y eléctricas únicas, y combinaciones de éstas. Se pueden distinguir tres grupos de materiales en large: Cerámicas de silicato, cerámicas de óxido y cerámicas sin óxido. Las cerámicas de silicato se componen principalmente de materias primas naturales combinadas con óxido de aluminio. Las cerámicas de óxido incluyen materiales basados en óxidos metálicos. Las cerámicas sin óxido se refieren al grupo de materiales cerámicos basados en compuestos de carbono, nitrógeno y silicio. El grupo del que se selecciona un material depende de la aplicación específica y de los requisitos resultantes para el material.
Sustratos cerámicos: Componentes clave para aplicaciones electrónicas
Un sustrato es el material básico de un soporte de circuito, para el que existen diversos materiales. Gracias a sus propiedades eléctricas, térmicas, mecánicas, aislantes y químicas, los sustratos de cerámica de alto rendimiento se utilizan en numerosos sectores y áreas de aplicación, como la electrificación de vehículos, la movilidad eléctrica, la industria y la generación de energía. CeramTec es una ventanilla única europea para todos los sustratos cerámicos habituales: óxido de aluminio, nitruro de aluminio, óxido de aluminio reforzado con óxido de circonio, óxido de circonio y, a partir de 2024, también nitruro de silicio. Cada sustrato tiene propiedades diferentes (véase la figura 1). El nitruro de aluminio, por ejemplo, tiene una conductividad térmica especialmente alta, de 170 W/(m-K), que afecta a las propiedades mecánicas y eléctricas del sustrato cerámico. Una conductividad térmica elevada significa, por ejemplo, que se reduce el calor generado por la corriente reactiva en la electrónica de potencia y que la disipación de calor se reduce de forma homogénea y constante. Se trata de propiedades demandadas especialmente en la electrónica de alto rendimiento, como en la industria de semiconductores, donde el objetivo es generar la máxima potencia en el mínimo espacio. El calor generado debe disiparse de forma rápida y fiable. CeramTec fabrica y procesa sustratos cerámicos utilizando distintos métodos en función de la aplicación, el material, la geometría y la cantidad: se estampan, se graban con láser o se prensan en seco.
Crear innovaciones, controlar la calidad
La Sección de Innovación y Tecnología de CeramTec investiga y desarrolla continuamente materiales y procesos de fabricación para nuevos productos. El Departamento de Aplicaciones de Cintas y Sustratos se centra en el desarrollo de nuevos sustratos cerámicos y su optimización. Un ejemplo de éxito: El nuevo AIN HP (Nitruro de Aluminio de Alto Rendimiento) ofrece una resistencia a la flexión significativamente mayor que otros materiales de sustrato, manteniendo al mismo tiempo sus propiedades térmicas. Es especialmente adecuado para la carga continua en módulos de potencia y se utiliza en la generación y distribución de energía, la electrificación de vehículos y los convertidores de potencia en la construcción de vehículos ferroviarios. Las pruebas continuas en el laboratorio son una parte esencial del trabajo de investigación y desarrollo del equipo. En primer lugar, se caracterizan las materias primas y las masas cerámicas producidas a partir de ellas. Tras el proceso de conformado, se determinan los parámetros térmicos de las cintas verdes. A continuación se realizan mediciones en el sustrato sinterizado. Dependiendo de la medición, éstas pueden ser complejas y durar hasta 36 horas.
Pero las mediciones no sólo se realizan en los proyectos de desarrollo; en el control de calidad, también forman parte del proceso de fabricación o lanzamiento en serie. Por ejemplo, se comprueba la conductividad térmica o la rigidez dieléctrica de los sustratos: Las muestras medidas deben corresponder a los valores estándar típicos del material. Esto se debe a que una cosa es muy importante para CeramTec: Que los clientes puedan confiar en que su producto presenta las propiedades del material acordadas.
Una mirada al laboratorio: Análisis térmico de AIN
Cuando se trata de medir propiedades térmicas, el equipo confía en la experiencia de NETZSCH. Las experiencias positivas constantes, la proximidad de las sedes y el excelente servicio han llevado a utilizar cada vez más la tecnología de medición de NETZSCH. En la figura 4 se muestra un resumen de la tecnología utilizada para el análisis térmico.
Como ya se ha mencionado, la conductividad térmica influye en las propiedades mecánicas y eléctricas de un sustrato cerámico. Para investigarlo, primero se comprueba la difusividad térmica. Indica la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura y es una propiedad que depende del material. CeramTec comprueba la difusividad térmica de los sustratos cerámicos como el AIN en el laboratorio utilizando el NETZSCH LFA 447Nanoflash. Para ello, el equipo del laboratorio prepara la muestra de ensayo en el formato especificado para el dispositivo de ensayo y la recubre con grafito. A continuación, puede medirse la conductividad en un intervalo de temperaturas comprendido entre 20 °C y 300 °C.
Las figuras 5a y 5b muestran una comparación del aumento de calor en el tiempo tras la aplicación de energía a una cerámica de óxido (fig. 5a) y a una cerámica de nitruro (fig. 5b): El aumento de calor es mayor en la cerámica de nitruro. La conductividad térmica puede calcularse a partir de la difusividad térmica medida, así como de la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica y la DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad del material:
En el caso de las cerámicas de nitruro de aluminio, esto se traduce en conductividades térmicas superiores a 170 W/(m-K), según el tipo de material. Dependiendo de la aplicación, la cerámica requiere una conductividad térmica baja o alta. Especialmente en el caso de los semiconductores de potencia, que generan altas temperaturas, el calor debe disiparse de forma rápida y fiable.
El análisis térmico también incluye la consideración del coeficiente de expansión térmica (Coeficiente lineal de expansión térmica (CLTE/CTE)The coefficient of linear thermal expansion (CLTE) describes the length change of a material as a function of the temperature.CTE). La dilatación térmica indica cómo cambian las dimensiones geométricas de un cuerpo con la temperatura. Este conocimiento es importante para calcular el desajuste térmico en combinaciones de materiales, por ejemplo. Un CTE determinado con precisión también es importante para la metalización y el embalaje con el fin de conocer las tolerancias de las dimensiones exteriores de un sustrato, por ejemplo. CeramTec determina el coeficiente de dilatación térmica de los materiales sinterizados en el laboratorio utilizando los dilatómetros NETZSCH DIL 402 E y DIL 402 Expedis dilatómetros. La dilatación térmica de un cuerpo cerámico puede investigarse en un rango de temperaturas de hasta 2000 °C. Además, los dilatómetros ofrecen la posibilidad de realizar mediciones en distintas atmósferas, como aire, nitrógeno o argón, mediante el control de gas. Esto es importante para poder realizar mediciones en el rango de altas temperaturas, por ejemplo. El software de análisis Proteus® ofrece ayuda para evaluar la curva de medición y determinar la dilatación térmica en diferentes segmentos de temperatura.
La termogravimetría también forma parte del análisis térmico. Se emplea principalmente para investigar reacciones exotérmicas y endotérmicas, así como cambios de peso en materias primas (polvos, aglutinantes y materiales orgánicos) al aire y en cintas verdes al aire o nitrógeno. CeramTec utiliza varios sistemas STA en NETZSCH para estas mediciones.
La capacidad calorífica describe cómo cambia la temperatura medida de un cuerpo en relación con la cantidad de calor que se le añade. CeramTec la determina para materiales sinterizados utilizando el NETZSCH DSC 300 Caliris®.
Otra tarea de laboratorio en relación con los parámetros térmicos es sobredimensionar el proceso de producción, ya que la curva de temperatura describe la temperatura del horno y, por tanto, la del proceso de SinterizaciónLa sinterización es un proceso de producción para formar un cuerpo mecánicamente resistente a partir de un polvo cerámico o metálico. sinterización. Por ejemplo, el dilatómetro puede utilizarse para determinar los pasos de SinterizaciónLa sinterización es un proceso de producción para formar un cuerpo mecánicamente resistente a partir de un polvo cerámico o metálico. sinterización.
Preparados para el máximo rendimiento
Cuando un sustrato sale de la producción de CeramTec, ya ha sido sometido a pruebas exhaustivas: está listo para su uso en aplicaciones eléctricas de alta tecnología y para que se aprovechen sus ventajas específicas como material. Los análisis de laboratorio son esenciales no sólo para el control de calidad, sino también para el desarrollo de nuevos productos innovadores. NETZSCH es un socio importante para CeramTec en este sentido.
Estimado equipo de Ceramtec Lab - Muchas gracias por la interesante información sobre su trabajo de investigación. Estaremos encantados de contribuir con nuestros dispositivos analíticos también en el futuro.