STORIA DI SUCCESSO DEL CLIENTE
Prestazioni elevate attraverso la precisione:Garanzia di qualità nella produzione di ceramica tecnica
Una storia di successo del team di laboratorio del Dipartimento Innovazione e Tecnologia di CeramTec Group
Le ceramiche tecniche offrono molti vantaggi. Per poterli utilizzare in modo affidabile, è necessario testare la qualità dei materiali. CeramTec si affida da molti anni all'esperienza di NETZSCH: nei progetti di sviluppo, nel processo di produzione o nella produzione in serie, gli analizzatori di NETZSCH sono utilizzati costantemente.
Differenze nelle ceramiche ad alte prestazioni
Il termine "ceramica avanzata" copre un'ampia gamma di materiali ceramici diversi, talvolta altamente specializzati, con proprietà meccaniche, termiche, biochimiche ed elettriche uniche - e combinazioni di queste. Si può fare una distinzione tra tre gruppi di materiali large: Ceramiche a base di silicato, ceramiche a base di ossido e ceramiche non a base di ossido. Le ceramiche a base di silicato sono costituite principalmente da materie prime presenti in natura in combinazione con l'ossido di alluminio. Le ceramiche a base di ossidi comprendono materiali basati su ossidi metallici. Le ceramiche non ossidiche si riferiscono al gruppo di materiali ceramici basati su composti di carbonio, azoto e silicio. Il gruppo di appartenenza di un materiale selectdipende dall'applicazione specifica e dai requisiti che ne derivano.
Substrati ceramici: Componenti chiave per le applicazioni elettroniche
Il substrato è il materiale di base di un supporto di circuito, per il quale sono disponibili diversi materiali. Grazie alle loro proprietà elettriche, termiche, meccaniche, isolanti e chimiche, i substrati in ceramica ad alte prestazioni sono utilizzati in numerosi settori e aree di applicazione, ad esempio nell'elettrificazione dei veicoli, nella mobilità elettrica, nell'industria e nella produzione di energia. CeramTec è uno sportello unico europeo per tutti i substrati ceramici più comuni: ossido di alluminio, nitruro di alluminio, ossido di alluminio rinforzato con ossido di zirconio, ossido di zirconio e, dal 2024, anche nitruro di silicio. Ogni substrato ha proprietà diverse (vedi figura 1). Il nitruro di alluminio, ad esempio, ha una conducibilità termica particolarmente elevata, pari a 170 W/(m-K), che influisce sulle proprietà meccaniche ed elettriche del substrato ceramico. Un'elevata conducibilità termica significa, ad esempio, che il calore generato dalla corrente reattiva nell'elettronica di potenza è ridotto e che la dissipazione del calore è omogenea e costante. Queste proprietà sono particolarmente richieste nell'elettronica ad alte prestazioni, come nell'industria dei semiconduttori, dove l'obiettivo è generare la massima potenza nel minimo spazio. Il calore generato deve essere dissipato in modo rapido e affidabile. CeramTec produce e lavora substrati ceramici con metodi diversi a seconda dell'applicazione, del materiale, della geometria e della quantità: sono stampati, laserati o pressati a secco.
Creare innovazioni, controllare la qualità
La sezione Innovazione e Tecnologia di CeramTec ricerca continuamentearches e sviluppa materiali e processi produttivi per nuovi prodotti. Il reparto Applicazioni di nastri e substrati si concentra sullo sviluppo di nuovi substrati ceramici e sulla loro ottimizzazione. Un esempio di successo: Il nuovo AIN HP (Nitruro di Alluminio ad alte prestazioni) offre una resistenza alla flessione significativamente più elevata rispetto ad altri materiali di substrato, pur mantenendo le sue proprietà termiche. È particolarmente adatto per il carico continuo nei moduli di potenza e viene utilizzato nella generazione e distribuzione di energia, nell'elettrificazione dei veicoli e nei convertitori di potenza nella costruzione di veicoli ferroviari. I test continui in laboratorio sono una parte essenziale del lavoro di ricerca e sviluppo del teamarc. In primo luogo, vengono caratterizzate le materie prime e le masse ceramiche da esse prodotte. Dopo il processo di formatura, vengono determinati i parametri termici dei nastri verdi. Seguono le misurazioni sul substrato sinterizzato. A seconda delle misure, queste possono essere complesse e richiedere fino a 36 ore.
Le misurazioni, tuttavia, non vengono effettuate solo per i progetti di sviluppo; nel controllo qualità, fanno parte anche del processo di produzione o del rilascio in serie. Ad esempio, i substrati vengono testati per la loro conducibilità termica o rigidità dielettrica: I campioni misurati devono corrispondere ai valori standard tipici del materiale. Questo perché una cosa è molto importante per CeramTec: Che i clienti possano contare su un prodotto con le proprietà del materiale concordate.
Approfondimento in laboratorio: Analisi termica di AIN
Quando si tratta di misurare le proprietà termiche, il team si affida all'esperienza di NETZSCH. Le esperienze costantemente positive, la vicinanza delle sedi e l'eccellente servizio hanno portato all'utilizzo di un numero sempre maggiore di tecnologie di misura NETZSCH. La figura 4 mostra una panoramica della tecnologia utilizzata per l'analisi termica.
Come già detto, la conducibilità termica influisce sulle proprietà meccaniche ed elettriche di un substrato ceramico. Per indagare su questo aspetto, viene innanzitutto analizzata la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica. Essa indica la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura ed è una proprietà che dipende dal materiale. CeramTec testa la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica di substrati ceramici come l'AIN in laboratorio, utilizzando il Nanoflash NETZSCH LFA 447. A tal fine, il team di laboratorio prepara il campione di prova nel formato specificato per il dispositivo di prova e lo riveste di grafite. La conducibilità può quindi essere misurata in un intervallo di temperatura compreso tra 20°C e 300°C.
Le figure 5a e 5b mostrano un confronto dell'aumento di calore nel tempo in seguito all'applicazione di energia a una ceramica di ossido (fig. 5a) e a una ceramica di nitruro (fig. 5b): L'aumento di calore è maggiore per la ceramica al nitruro. La conducibilità termica può essere calcolata in base alla Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica misurata, allaCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica e alla densità del materiale:
Per le ceramiche al nitruro di alluminio, ciò si traduce in conducibilità termiche superiori a 170 W/(m-K), a seconda del tipo di materiale. A seconda dell'applicazione, la ceramica richiede una conducibilità termica bassa o alta. Soprattutto nel caso dei semiconduttori di potenza, che generano temperature elevate, il calore deve essere dissipato in modo rapido e affidabile.
L'analisi termica comprende anche la considerazione del coefficiente di espansione termica (CTE). L'espansione termica indica come le dimensioni geometriche di un corpo cambiano con la temperatura. Questa conoscenza è importante per calcolare il disallineamento termico delle combinazioni di materiali, ad esempio. UnCoefficiente di espansione termica lineare (CLTE/CTE)Il coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) descrive la variazione di lunghezza di un materiale in funzione della temperatura. CTE determinato con precisione è importante anche per la metallizzazione e l'imballaggio, ad esempio per conoscere le tolleranze delle dimensioni esterne di un substrato. CeramTec determina il coefficiente di espansione termica dei materiali sinterizzati in laboratorio utilizzando i dilatometri NETZSCH DIL 402 E e DIL 402 Expedis dilatometri. L'espansione termica di un corpo ceramico può essere studiata nell'intervallo di temperatura fino a 2000°C. Inoltre, i dilatometri offrono la possibilità di effettuare misure in atmosfere diverse, come aria, azoto o argon, grazie al controllo del gas. Questo è importante per poter effettuare misure, ad esempio, nell'intervallo delle alte temperature. Il software di analisi Proteus® fornisce supporto nella valutazione della curva di misura e nella determinazione dell'espansione termica in diversi segmenti di temperatura.
Anche la misura termogravimetrica fa parte dell'analisi termica. Viene impiegata principalmente per l'analisi delle reazioni esotermiche ed endotermiche e delle variazioni di peso delle materie prime (polveri, leganti e materiali organici) all'aria e dei nastri verdi all'aria o all'azoto. Per queste misure CeramTec utilizza diversi sistemi NETZSCH STA.
La capacità termica descrive come cambia la temperatura misurata di un corpo in relazione alla quantità di calore aggiunto. CeramTec la determina per i materiali sinterizzati utilizzando il DSC 300 NETZSCH Caliris® .
Un altro compito del laboratorio in relazione ai parametri termici è quello di sovrastimare il processo produttivo, poiché la curva di temperatura descrive la temperatura del forno e quindi quella del processo di SinterizzazioneLa sinterizzazione è un processo di produzione per la formazione di un corpo meccanicamente resistente a partire da una polvere ceramica o metallica. sinterizzazione. Ad esempio, il dilatometro può essere utilizzato per determinare le fasi di SinterizzazioneLa sinterizzazione è un processo di produzione per la formazione di un corpo meccanicamente resistente a partire da una polvere ceramica o metallica. sinterizzazione.
Pronti per le massime prestazioni
Quando un substrato esce dalla produzione di CeramTec, è già stato ampiamente testato: è pronto per l'uso in applicazioni elettriche ad alta tecnologia e per l'utilizzo dei vantaggi specifici del materiale. Le analisi di laboratorio sono essenziali non solo per il controllo della qualità, ma anche per lo sviluppo di nuovi prodotti innovativi. NETZSCH è un partner importante per CeramTec in questo senso.
Caro team di Ceramtec Lab - Grazie mille per gli interessanti approfondimenti sul vostro lavoro di ricercaarc. Saremo lieti di contribuire con i nostri dispositivi analitici anche in futuro.