Ügyfél SIKERES TÖRTÉNET
Nagy teljesítmény a precizitás révén:Minőségbiztosítás a műszaki kerámiák gyártásában
A CeramTec Group Innovációs és Technológiai Osztályának laboratóriumi csapatának ügyfélsikertörténete
A műszaki kerámia számos előnnyel jár. Ahhoz, hogy megbízhatóan lehessen őket használni, az anyagok minőségét tesztelni kell. A CeramTec már évek óta támaszkodik a NETZSCHszakértelmére - akár a fejlesztési projektek, akár a gyártási folyamat, akár a sorozatgyártás során a NETZSCH analizátorok állandóan használatban vannak.
A nagy teljesítményű kerámiák közötti különbségek
A "fejlett kerámia" kifejezés a különböző, olykor igen speciális, egyedi mechanikai, termikus, biokémiai és elektromos tulajdonságokkal rendelkező kerámiaanyagok széles skáláját - és ezek kombinációit - foglalja magában. Három anyagcsoportot lehet megkülönböztetni large: Szilikátkerámiák, oxidkerámiák és nem oxidkerámiák. A szilikátkerámiák főként a természetben előforduló nyersanyagokból állnak alumínium-oxiddal kombinálva. Az oxidkerámiák közé tartoznak a fémoxidokon alapuló anyagok. A nem oxidkerámiák a szén, nitrogén és szilícium vegyületein alapuló kerámiaanyagok csoportját jelentik. Az, hogy egy anyagot melyik csoportból választunk ki, az adott alkalmazástól és az anyaggal szemben támasztott követelményektől függ.
.
Kerámia szubsztrátumok: Kerámiakerámia: kulcsfontosságú összetevők az elektronikus alkalmazásokhoz
A szubsztrát az áramköri hordozó alapanyaga, amelyhez különböző anyagok állnak rendelkezésre. Elektromos, termikus, mechanikai, szigetelő és kémiai tulajdonságaiknak köszönhetően a nagy teljesítményű kerámiából készült hordozókat számos iparágban és alkalmazási területen használják - például a járművek villamosítása, az e-mobilitás, az ipar és az energiatermelés területén. A CeramTec az összes elterjedt kerámia szubsztrát európai egyablakos ügyintézője: alumínium-oxid, alumínium-nitrid, cirkónium-oxiddal erősített alumínium-oxid, cirkónium-oxid és 2024-től szilícium-nitrid is. Mindegyik szubsztrát különböző tulajdonságokkal rendelkezik (lásd az 1. ábrát). Az alumínium-nitrid például különösen magas, 170 W/(m-K) hővezető képességgel rendelkezik, ami befolyásolja a kerámia hordozó mechanikai és elektromos tulajdonságait. A magas Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség például azt jelenti, hogy a teljesítményelektronikában a reaktív áram által termelt hő csökken, és a hőleadás homogén módon és folyamatosan csökken. Ezekre a tulajdonságokra különösen a nagy teljesítményű elektronikában van szükség, például a félvezetőiparban, ahol a cél a maximális teljesítmény előállítása minimális térben. A keletkező hőt gyorsan és megbízhatóan kell elvezetni. A CeramTec az alkalmazástól, anyagtól, geometriától és mennyiségtől függően különböző módszerekkel gyártja és dolgozza fel a kerámia hordozókat - stancolt, lézeres vagy száraz préseléssel.
Innovációk létrehozása, minőségellenőrzés
A CeramTec innovációs és technológiai részlege folyamatosan kutatja és fejleszti az új termékekhez szükséges anyagokat és gyártási eljárásokat. A Szalag- és szubsztrátalkalmazási részleg új kerámia szubsztrátumok fejlesztésével és optimalizálásával foglalkozik. Egy sikeres példa: Az új AIN HP (Aluminum Nitride High Performance) jelentősen nagyobb hajlítószilárdságot kínál, mint más hordozóanyagok, miközben megőrzi a termikus tulajdonságait. Különösen alkalmas a teljesítménymodulok folyamatos terhelésére, és az energiatermelésben és -elosztásban, a járművek villamosításában és a vasúti járműépítésben használt áramátalakítókban alkalmazzák. A folyamatos laboratóriumi tesztelés a csapat kutatási és fejlesztési munkájának lényeges részét képezi. Először a nyersanyagokat és a belőlük előállított kerámiatömegeket jellemzik. A formázási folyamat után meghatározzák a zöld szalagok hőtechnikai paramétereit. Ezt követik a szinterezett hordozón végzett mérések. Ezek a méréstől függően összetettek lehetnek, és akár 36 órát is igénybe vehetnek.
A méréseket azonban nem csak a fejlesztési projektek esetében végzik, a minőségellenőrzésben a gyártási folyamat vagy a sorozatfelszabadítás részét is képezik. A szubsztrátokat például a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességük vagy a dielektromos szilárdságuk szempontjából vizsgálják: A mért mintáknak meg kell felelniük az anyagra jellemző szabványos értékeknek. Ez azért van így, mert a CeramTec számára egy dolog nagyon fontos: Hogy az ügyfelek megbízhassanak abban, hogy a termékük az elfogadott anyagtulajdonságokkal rendelkezik.
Betekintés a laboratóriumba: AIN termikus elemzése
A hőtani tulajdonságok mérésekor a csapat a NETZSCH szakértelemre támaszkodik. A folyamatosan pozitív tapasztalatok, a helyszínek közelsége és a kiváló szolgáltatás egyre több NETZSCH méréstechnológiát alkalmaznak. A hőelemzéshez használt technológia áttekintése a 4. ábrán látható.
Mint már említettük, a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség hatással van a kerámia hordozó mechanikai és elektromos tulajdonságaira. Ennek vizsgálatához először a hővezető képességet vizsgáljuk. Ez azt jelzi, hogy egy anyag milyen gyorsan reagál a hőmérsékletváltozásra, és anyagfüggő tulajdonság. A CeramTec laboratóriumban a NETZSCH LFA 447Nanoflash segítségével vizsgálja a kerámia hordozók, mint például az AIN, hővezetési képességét. Ehhez a laboratóriumi csapat előkészíti a vizsgálati mintát a vizsgálóeszközhöz meghatározott formátumban, és bevonja grafittal. A vezetőképesség ezután 20°C és 300°C közötti hőmérséklet-tartományban mérhető.
Az 5a. és az 5b. ábra a hőnövekedés időbeli összehasonlítását mutatja egy oxidkerámiára (5a. ábra) és egy nitridkerámiára (5b. ábra) történő energiafelvételt követően: A hőnövekedés nagyobb a nitridkerámia esetében. A mért Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség, valamint a Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás és az anyag sűrűsége alapján kiszámítható a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség:
Az alumínium-nitrid kerámiák esetében ez az anyagtípustól függően 170 W/(m-K) feletti hővezetési tényezőt eredményez. Az alkalmazástól függően a kerámiának alacsony vagy magas hővezető képességre van szüksége. Különösen a magas hőmérsékletet előállító teljesítmény-félvezetők esetében a hőt gyorsan és megbízhatóan kell elvezetni.
A hőelemzés a hőtágulási együttható (Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE) figyelembevételét is magában foglalja. A hő tágulás azt jelzi, hogy egy test geometriai méretei hogyan változnak a hőmérséklet függvényében. Ez az ismeret fontos például az anyagkombinációk termikus eltérésének kiszámításához. A pontosan meghatározott Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE a fémezés és a csomagolás esetében is fontos, például a hordozó külső méreteinek tűréshatárainak ismeretében. A CeramTec a szinterelt anyagok hőtágulási együtthatóját laboratóriumban határozza meg a NETZSCH DIL 402 E és DIL 402 Expedis® dilatométerekkel. A kerámiatest hőtágulása 2000°C-ig terjedő hőmérséklet-tartományban vizsgálható. A dilatométerek emellett gázvezérléssel lehetővé teszik a mérések elvégzését különböző légkörök - például levegő, nitrogén vagy argon - mellett. Ez fontos ahhoz, hogy például a magas hőmérsékleti tartományban is lehessen méréseket végezni. A Proteus® elemző szoftver támogatást nyújt a mérési görbe kiértékelésében és a hő tágulás meghatározásában a különböző hőmérsékleti szegmensekben.
A termogravimetriás mérés szintén a termikus analízis része. Elsősorban az exoterm és endoterm reakciók, valamint a nyersanyagok (porok, kötőanyagok és szerves anyagok) tömegváltozásának vizsgálatára alkalmazzák levegőn és zöld szalagokban levegőn vagy nitrogénben. A CeramTec különböző NETZSCH STA rendszereket használ ezekhez a mérésekhez.
A hőkapacitás azt írja le, hogyan változik egy test mért hőmérséklete a hozzá adott hőmennyiség függvényében. A CeramTec ezt a szinterelt anyagok esetében a NETZSCH DSC 300 Caliris® segítségével határozza meg.
A termikus paraméterekkel kapcsolatos másik laboratóriumi feladat a gyártási folyamat túlnövesztése, mivel a hőmérsékleti görbe a kemence és így a szinterelési folyamat hőmérsékletét írja le. A dilatométer például a szinterelési lépések meghatározására használható.
Készen áll a csúcsteljesítményre
Mire egy hordozóanyag elhagyja a CeramTec gyártását, már alaposan tesztelték: készen áll a csúcstechnológiás elektromos alkalmazásokban való felhasználásra és az anyagspecifikus előnyök kihasználására. A laboratóriumi elemzések nemcsak a minőségellenőrzéshez, hanem az új innovatív termékek kifejlesztéséhez is elengedhetetlenek. A NETZSCH a CeramTec fontos partnere ebben a tekintetben.
Kedves Ceramtec Lab Team - Köszönjük szépen az érdekes betekintést a kutatómunkába. Örömmel járulunk hozzá analitikai eszközeinkkel a jövőben is.