Asiakkaan menestystarina
Korkeaa suorituskykyä tarkkuudella:Laadunvarmistus teknisen keramiikan tuotannossa
CeramTec Groupin innovaatio- ja teknologiaosaston laboratoriotiimin asiakastarina
Tekninen keramiikka tarjoaa monia etuja. Jotta niitä voidaan käyttää luotettavasti, materiaalien laatu on testattava. CeramTec on luottanut NETZSCH:n asiantuntemukseen tässä asiassa jo vuosien ajan - NETZSCH -analysaattorit ovat jatkuvasti käytössä niin kehitysprojekteissa, valmistusprosessissa kuin sarjatuotannossa.
Korkean suorituskyvyn keramiikan erot
Termi "edistyksellinen keramiikka" kattaa laajan valikoiman erilaisia, toisinaan hyvin erikoistuneita keraamisia materiaaleja, joilla on ainutlaatuiset mekaaniset, termiset, biokemialliset ja sähköiset ominaisuudet - ja näiden yhdistelmiä. Voidaan erottaa kolme materiaaliryhmää large: Silikaattikeramiikka, oksidikeramiikka ja oksiditon keramiikka. Silikaattikeramiikka koostuu pääasiassa luonnossa esiintyvistä raaka-aineista yhdessä alumiinioksidin kanssa. Oksidikeramiikkaan kuuluvat metallioksideihin perustuvat materiaalit. Oksidittomat keraamiset viittaavat hiilen, typen ja piin yhdisteisiin perustuvien keraamisten materiaalien ryhmään. Se, mistä ryhmästä materiaali valitaan, riippuu erityissovelluksesta ja siitä johtuvista materiaalille asetetuista vaatimuksista.
.
Keraamiset substraatit: Elektronisten sovellusten avainkomponentit
Substraatti on piirikantajan perusmateriaali, jota varten on saatavilla erilaisia materiaaleja. Sähköisten, termisten, mekaanisten, eristävien ja kemiallisten ominaisuuksiensa ansiosta suorituskykyisestä keramiikasta valmistettuja substraatteja käytetään lukuisilla teollisuudenaloilla ja sovellusalueilla - esimerkiksi ajoneuvojen sähköistämisessä, sähköisessä liikkuvuudessa, teollisuudessa ja energiantuotannossa. CeramTec on eurooppalainen keskitetty palvelupiste kaikille yleisimmille keraamisille substraateille: alumiinioksidille, alumiininitridille, zirkoniumoksidilla vahvistetulle alumiinioksidille, zirkoniumoksidille ja vuodesta 2024 alkaen myös piinitridille. Kullakin substraatilla on erilaiset ominaisuudet (ks. kuva 1). Esimerkiksi alumiininitridin LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on erityisen korkea, 170 W/(m-K), mikä vaikuttaa keraamisen substraatin mekaanisiin ja sähköisiin ominaisuuksiin. Korkea LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus tarkoittaa esimerkiksi sitä, että tehoelektroniikan reaktiivisen virran tuottama lämpö vähenee ja että lämmönhukka vähenee tasaisesti ja jatkuvasti. Nämä ominaisuudet ovat kysyttyjä erityisesti suuritehoisessa elektroniikassa, kuten puolijohdeteollisuudessa, jossa tavoitteena on tuottaa mahdollisimman paljon tehoa mahdollisimman pienessä tilassa. Syntyvä lämpö on johdettava nopeasti ja luotettavasti pois. CeramTec valmistaa ja käsittelee keraamisia substraatteja erilaisilla menetelmillä sovelluksesta, materiaalista, geometriasta ja määrästä riippuen - ne leimataan, laseroidaan tai kuivapuristetaan.
Innovaatioiden luominen, laadun valvonta
CeramTecin innovaatio- ja teknologiaosasto tutkii ja kehittää jatkuvasti materiaaleja ja valmistusprosesseja uusia tuotteita varten. Teippi- ja substraattisovellusosasto keskittyy uusien keraamisten substraattien kehittämiseen ja niiden optimointiin. Yksi onnistunut esimerkki: Uusi AIN HP (Aluminum Nitride High Performance) tarjoaa huomattavasti korkeamman taivutuslujuuden kuin muut substraattimateriaalit säilyttäen samalla lämpöominaisuutensa. Se soveltuu erityisen hyvin tehomoduulien jatkuvaan kuormitukseen, ja sitä käytetään sähköntuotannossa ja -jakelussa, ajoneuvojen sähköistämisessä ja raideliikennevälineissä käytettävien tehomuuntimien rakentamisessa. Jatkuva testaus laboratoriossa on olennainen osa ryhmän tutkimus- ja kehitystyötä. Ensin luonnehditaan raaka-aineet ja niistä valmistetut keraamiset massat. Muotoiluprosessin jälkeen määritetään vihreiden nauhojen lämpöparametrit. Tämän jälkeen tehdään mittauksia sintratulle alustalle. Mittauksesta riippuen nämä voivat olla monimutkaisia ja kestää jopa 36 tuntia.
Mittauksia ei kuitenkaan suoriteta vain kehityshankkeita varten, vaan laadunvalvonnassa ne ovat myös osa valmistusprosessia tai sarjavalmistusta. Substraattien LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus tai dielektrinen lujuus testataan esimerkiksi: Mitattujen näytteiden on vastattava materiaalille tyypillisiä standardiarvoja. Tämä johtuu siitä, että yksi asia on CeramTecille erittäin tärkeä: Että asiakkaat voivat luottaa siihen, että heidän tuotteessaan on sovitut materiaaliominaisuudet.
Tutustuminen laboratorioon: AIN:n lämpöanalyysi
Lämpöominaisuuksien mittaamisessa tiimi luottaa NETZSCH asiantuntemukseen. Jatkuvasti myönteiset kokemukset, toimipisteiden läheisyys ja erinomainen palvelu ovat johtaneet siihen, että NETZSCH -mittaustekniikkaa käytetään yhä enemmän. Kuvassa 4 on yleiskatsaus lämpöanalyyseissä käytettyyn tekniikkaan.
Kuten jo mainittiin, LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus vaikuttaa keraamisen substraatin mekaanisiin ja sähköisiin ominaisuuksiin. Tämän tutkimiseksi testataan ensin LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus. Se osoittaa, kuinka nopeasti materiaali reagoi lämpötilan muutokseen, ja se on materiaalista riippuvainen ominaisuus. CeramTec testaa AIN:n kaltaisten keraamisten substraattien lämmönjohtavuutta laboratoriossa NETZSCH LFA 447Nanoflash -laitteella. Tätä varten laboratoriotiimi valmistelee testinäytteen testilaitteelle määritettyyn muotoon ja päällystää sen grafiitilla. Tämän jälkeen johtavuus voidaan mitata lämpötila-alueella 20°C-300°C.
Kuvissa 5a ja 5b esitetään vertailu lämmön lisääntymisestä ajan kuluessa, kun energiaa on annettu oksidikeramiikkaan (kuva 5a) ja nitridikeramiikkaan (kuva 5b): Lämmönlisäys on suurempi nitridikeramiikassa. LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.Lämmönjohtavuus voidaan tämän jälkeen laskea mitatusta lämpödiffuusiokyvystä sekä materiaalin ominaislämpökapasiteetista ja tiheydestä:
Alumiininitridikeramiikan osalta tämä johtaa lämmönjohtavuuteen, joka on materiaalityypistä riippuen yli 170 W/(m-K). Sovelluksesta riippuen keramiikka vaatii joko alhaisen tai korkean lämmönjohtavuuden. Erityisesti tehopuolijohteissa, jotka tuottavat korkeita lämpötiloja, lämpö on johdettava nopeasti ja luotettavasti pois.
Lämpöanalyysissä otetaan huomioon myös lämpölaajenemiskerroin (Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE). Lämpölaajeneminen kertoo, miten kappaleen geometriset mitat muuttuvat lämpötilan myötä. Tämä tieto on tärkeää esimerkiksi materiaaliyhdistelmien lämpöerojen laskennassa. Tarkasti määritetty Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE on tärkeä myös metalloinnissa ja pakkaamisessa, jotta esimerkiksi substraatin ulkomittojen toleranssit ovat tiedossa. CeramTec määrittää sintrattujen materiaalien lämpölaajenemiskertoimen laboratoriossa käyttämällä NETZSCH DIL 402 E ja DIL 402 Expedis® dilatometreillä. Keraamisen kappaleen lämpölaajenemista voidaan tutkia lämpötila-alueella 2000 °C:een asti. Lisäksi dilatometrit tarjoavat mahdollisuuden suorittaa mittauksia eri ilmakehissä - kuten ilmassa, typessä tai argonissa - kaasunohjauksen avulla. Tämä on tärkeää, jotta mittauksia voidaan suorittaa esimerkiksi korkeissa lämpötiloissa. Proteus® -analyysiohjelmisto tukee mittauskäyrän arvioinnissa ja lämpölaajenemisen määrittämisessä eri lämpötilalohkoissa.
Termogravimetrinen mittaus on myös osa lämpöanalyysia. Sitä käytetään ensisijaisesti eksotermisten ja endotermisten reaktioiden sekä raaka-aineiden (jauheet, sideaineet ja orgaaniset aineet) painonmuutosten tutkimiseen ilmassa ja vihreiden nauhojen painonmuutosten tutkimiseen ilmassa tai typessä. CeramTec käyttää näihin mittauksiin erilaisia NETZSCH STA-järjestelmiä.
Lämpökapasiteetti kuvaa, miten kappaleen mitattu lämpötila muuttuu suhteessa siihen lisättyyn lämpömäärään. CeramTec määrittää tämän sintrattujen materiaalien osalta käyttämällä NETZSCH DSC 300 Caliris®.
Toinen lämpöparametreihin liittyvä laboratoriotehtävä on tuotantoprosessin ylikehittäminen, sillä lämpötilakäyrä kuvaa uunin ja siten sintrausprosessin lämpötilaa. Esimerkiksi dilatometrin avulla voidaan määrittää sintrausvaiheet.
Valmiina huippusuoritukseen
Kun substraatti lähtee CeramTecin tuotannosta, se on testattu perusteellisesti: se on valmis käytettäväksi huipputekniikan sähkösovelluksissa ja sen materiaalikohtaisten etujen hyödyntämiseen. Laboratorioanalyysit ovat välttämättömiä paitsi laadunvalvonnassa myös uusien innovatiivisten tuotteiden kehittämisessä. NETZSCH on CeramTecin tärkeä yhteistyökumppani tässä suhteessa.
.
Hyvä Ceramtec Lab Team - Kiitos paljon mielenkiintoisista näkemyksistä tutkimustyöhönne. Olemme iloisia voidessamme antaa panoksemme analyysilaitteillamme myös tulevaisuudessa.