Témoignage de réussite d'un client
La précision au service de la haute performance :Assurance qualité dans la production de céramiques techniques
Une histoire de réussite d'un client par l'équipe du laboratoire du département Innovation et Technologie du Groupe CeramTec
Les céramiques techniques offrent de nombreux avantages. Pour qu'elles puissent être utilisées de manière fiable, la qualité des matériaux doit être contrôlée. CeramTec fait confiance à l'expertise de NETZSCHdepuis de nombreuses années - que ce soit dans le cadre de projets de développement, dans le processus de fabrication ou dans la production en série, les analyseurs NETZSCH sont constamment utilisés.
Différences entre les céramiques de haute performance
Le terme "céramiques avancées" couvre un large éventail de matériaux céramiques différents, parfois très spécialisés, dotés de propriétés mécaniques, thermiques, biochimiques et électriques uniques - et de combinaisons de ces propriétés. On peut distinguer trois groupes de matériaux large: Les céramiques silicatées, les céramiques oxydées et les céramiques non oxydées. Les céramiques silicatées sont principalement constituées de matières premières naturelles combinées à de l'oxyde d'aluminium. Les céramiques d'oxyde comprennent les matériaux à base d'oxydes métalliques. Les céramiques non oxydées font référence au groupe des matériaux céramiques basés sur des composés de carbone, d'azote et de silicium. Le groupe dans lequel un matériau est sélectionné dépend de l'application spécifique et des exigences qui en découlent pour le matériau.
Substrats céramiques : Composants clés pour les applications électroniques
Un substrat est le matériau de base d'un support de circuit, pour lequel différents matériaux sont disponibles. En raison de leurs propriétés électriques, thermiques, mécaniques, isolantes et chimiques, les substrats en céramique haute performance sont utilisés dans de nombreuses industries et domaines d'application - par exemple dans l'électrification des véhicules, l'e-mobilité, l'industrie et la production d'énergie. CeramTec est un guichet unique européen pour tous les substrats céramiques courants : oxyde d'aluminium, nitrure d'aluminium, oxyde d'aluminium renforcé à l'oxyde de zirconium, oxyde de zirconium et, à partir de 2024, également nitrure de silicium. Chaque substrat possède des propriétés différentes (voir figure 1). Le nitrure d'aluminium, par exemple, a une conductivité thermique particulièrement élevée de 170 W/(m-K), ce qui affecte les propriétés mécaniques et électriques du substrat céramique. Une conductivité thermique élevée signifie, par exemple, que la chaleur générée par le courant réactif dans l'électronique de puissance est réduite et que la dissipation de la chaleur est réduite de manière homogène et constante. Ces propriétés sont particulièrement recherchées dans l'électronique de haute performance, comme dans l'industrie des semi-conducteurs, où l'objectif est de générer un maximum de puissance dans un minimum d'espace. La chaleur générée doit être dissipée rapidement et de manière fiable. CeramTec fabrique et transforme les substrats céramiques selon différentes méthodes en fonction de l'application, du matériau, de la géométrie et de la quantité - ils sont estampés, lasurés ou pressés à sec.
Créer des innovations, contrôler la qualité
La section Innovation et Technologie de CeramTec recherche et développe en permanence des matériaux et des procédés de fabrication pour de nouveaux produits. Le département Applications de rubans et de substrats se concentre sur le développement de nouveaux substrats céramiques et sur leur optimisation. Un exemple de réussite : Le nouveau AIN HP (nitrure d'aluminium haute performance) offre une résistance à la flexion nettement supérieure à celle des autres matériaux de substrat tout en conservant ses propriétés thermiques. Il est particulièrement adapté à la charge continue dans les modules de puissance et est utilisé dans la production et la distribution d'énergie, l'électrification des véhicules et les convertisseurs de puissance dans la construction de véhicules ferroviaires. Les essais continus en laboratoire constituent une partie essentielle du travail de recherche et de développement de l'équipe. Tout d'abord, les matières premières et les masses céramiques produites à partir de celles-ci sont caractérisées. Après le processus de mise en forme, les paramètres thermiques des bandes vertes sont déterminés. Des mesures sont ensuite effectuées sur le substrat fritté. En fonction de la mesure, celles-ci peuvent être complexes et durer jusqu'à 36 heures.
Les mesures ne sont toutefois pas effectuées uniquement pour les projets de développement ; dans le cadre du contrôle de la qualité, elles font également partie du processus de fabrication ou de la mise en série. Par exemple, la conductivité thermique ou la rigidité diélectrique des substrats sont testées : Les échantillons mesurés doivent correspondre aux valeurs standard typiques du matériau. En effet, une chose est très importante pour CeramTec : Que les clients puissent se fier à leur produit qui présente les propriétés du matériau convenues.
Aperçu du laboratoire : Analyse thermique de l'AIN
Lorsqu'il s'agit de mesurer les propriétés thermiques, l'équipe s'appuie sur l'expertise de NETZSCH. Les expériences positives constantes, la proximité des sites et l'excellent service ont conduit à l'utilisation d'un nombre croissant de technologies de mesure NETZSCH. La figure 4 donne un aperçu de la technologie utilisée pour l'analyse thermique.
Comme nous l'avons déjà mentionné, la conductivité thermique a une influence sur les propriétés mécaniques et électriques d'un substrat céramique. Pour étudier cette question, la diffusivité thermique est d'abord testée. Elle indique la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température et dépend du matériau. CeramTec teste en laboratoire la diffusivité thermique des substrats céramiques tels que l'AIN à l'aide du Nanoflash NETZSCH LFA 447. Pour ce faire, l'équipe du laboratoire prépare l'échantillon au format spécifié pour l'appareil de test et l'enduit de graphite. La conductivité peut alors être mesurée dans une plage de température allant de 20°C à 300°C.
Les figures 5a et 5b montrent une comparaison de l'augmentation de la chaleur dans le temps après l'application d'énergie à une céramique d'oxyde (fig. 5a) et à une céramique de nitrure (fig. 5b) : L'augmentation de chaleur est plus importante pour la céramique de nitrure. La conductivité thermique peut ensuite être calculée à partir de la diffusivité thermique mesurée ainsi que de la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique et de la densité du matériau :
Pour les céramiques de nitrure d'aluminium, cela se traduit par des conductivités thermiques de plus de 170 W/(m-K), selon le type de matériau. Selon l'application, la céramique nécessite une conductivité thermique faible ou élevée. En particulier dans le cas des semi-conducteurs de puissance, qui génèrent des températures élevées, la chaleur doit être dissipée rapidement et de manière fiable.
L'analyse thermique tient également compte du coefficient de dilatation thermique (Coefficient d'Expansion Thermique Linéaire (CLTE/CTE)The coefficient of linear thermal expansion (CLTE) describes the length change of a material as a function of the temperature.CTE). La dilatation thermique indique comment les dimensions géométriques d'un corps changent avec la température. Cette connaissance est importante pour calculer le décalage thermique dans les combinaisons de matériaux, par exemple. Un CTE déterminé avec précision est également important pour la métallisation et l'emballage afin de connaître les tolérances des dimensions extérieures d'un substrat, par exemple. CeramTec détermine le coefficient de dilatation thermique des matériaux frittés en laboratoire à l'aide des dilatomètres NETZSCH DIL 402 E et DIL 402 Expedis dilatomètres. La dilatation thermique d'un corps céramique peut être étudiée dans une plage de température allant jusqu'à 2000°C. En outre, les dilatomètres permettent d'effectuer des mesures sous différentes atmosphères - telles que l'air, l'azote ou l'argon - grâce à la régulation des gaz. Ceci est important pour pouvoir effectuer des mesures dans la gamme des hautes températures, par exemple. Le logiciel d'analyse Proteus® permet d'évaluer la courbe de mesure et de déterminer la dilatation thermique dans différents segments de température.
La mesure thermogravimétrique fait également partie de l'analyse thermique. Elle est principalement utilisée pour étudier les réactions exothermiques et endothermiques ainsi que les variations de poids des matières premières (poudres, liants et matières organiques) à l'air et des bandes vertes à l'air ou à l'azote. CeramTec utilise différents systèmes STA ( NETZSCH ) pour ces mesures.
La capacité calorifique décrit comment la température mesurée d'un corps varie en fonction de la quantité de chaleur qui lui est ajoutée. CeramTec la détermine pour les matériaux frittés à l'aide du NETZSCH DSC 300 Caliris®.
Une autre tâche du laboratoire en rapport avec les paramètres thermiques consiste à reproduire le processus de production, car la courbe de température décrit la température du four et donc celle du processus de FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage. Par exemple, le dilatomètre peut être utilisé pour déterminer les étapes de FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage.
Prêt pour des performances optimales
Lorsqu'un substrat quitte la production de CeramTec, il a été testé de manière approfondie : il est prêt à être utilisé dans des applications électriques de haute technologie et à exploiter les avantages spécifiques du matériau. Les analyses de laboratoire sont essentielles non seulement pour le contrôle de la qualité, mais aussi pour le développement de nouveaux produits innovants. NETZSCH est un partenaire important de CeramTec à cet égard.
Chère équipe du laboratoire Ceramtec - Nous vous remercions de nous avoir donné un aperçu intéressant de votre travail de recherche. Nous sommes heureux de pouvoir contribuer à l'avenir avec nos appareils d'analyse.