お客様のサクセスストーリー
精密さによる高性能：テクニカルセラミックス製造における品質保証
セラムテック・グループのイノベーション・テクノロジー部門ラボチームによる顧客成功事例
テクニカルセラミックスには多くの利点がある。これらを確実に使用するためには、材料の品質を検査する必要があります。CeramTec 社は長年にわたり、NETZSCHの専門知識を活用してきました。開発プロジェクトでも、製造工程でも、連続生産でも、NETZSCH アナライザーは常に使用されています。
高性能セラミックスの違い
アドバンスト・セラミックス」という用語は、ユニークな機械的、熱的、生物化学的、電気的特性を持つ、さまざまな、時には高度に専門化されたセラミック材料、およびこれらの組み合わせを幅広くカバーしています。3つの材料グループ（large ）を区別することができます：ケイ酸塩セラミックス、酸化物セラミックス、非酸化物セラミックスです。ケイ酸塩セラミックスは、主に天然に存在する原材料と酸化アルミニウムとの組み合わせで構成されています。酸化物セラミックスには、金属酸化物をベースにした材料が含まれます。非酸化物セラミックスとは、炭素、窒素、ケイ素の化合物を主成分とするセラミックス材料のグループを指す。材料がどのグループから選択されるかは、具体的な用途と、その結果としての材料に対する要求によって決まる。
セラミック基板電子アプリケーションのキーコンポーネント
基板は回路キャリアの基本材料であり、様々な材料が利用可能です。高性能セラミック基板は、その電気的、熱的、機械的、絶縁的、化学的特性により、自動車の電動化、e-モビリティ、産業、発電など、多くの産業や応用分野で使用されています。CeramTecは、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム強化酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、そして2024年からは窒化ケイ素という、一般的なセラミック基板をすべて取り扱う欧州のワンストップショップです。それぞれの基板は異なる特性を持っている（図1参照）。例えば窒化アルミニウムの熱伝導率は170 W/(m・K)と特に高く、セラミック基板の機械的・電気的特性に影響を与えます。熱伝導率が高いということは、例えば、パワーエレクトロニクスの無効電流によって発生する熱が低減され、熱放散が均質かつ常時低減されることを意味する。これらの特性は、最小のスペースで最大の電力を発生させることを目的とする半導体産業などの高性能エレクトロニクスで特に求められる特性です。発生した熱は、迅速かつ確実に放散されなければなりません。CeramTecでは、用途、材料、形状、数量に応じて、スタンピング、レーザー加工、ドライプレスなど、さまざまな方法でセラミック基板を製造・加工しています。
イノベーションの創造、品質の管理
セラムテックのイノベーション・テクノロジー部門は、新製品のための材料と製造プロセスを継続的に研究・開発しています。テープ・基板応用部門は、新しいセラミック基板の開発とその最適化に重点を置いています。成功例のひとつ：新しいAIN HP（Aluminum Nitride High Performance）は、熱特性を維持しながら、他の基材よりも曲げ強度が大幅に向上しています。特にパワーモジュールの連続負荷に適しており、発電・配電、車両電化、鉄道車両構造のパワーコンバーターに使用されています。研究室での継続的なテストは、チームの研究開発に欠かせない作業だ。まず、原材料とそこから製造されるセラミック塊の特性評価が行われる。成形工程の後、グリーンテープの熱パラメータが決定される。続いて、焼結基板の測定が行われる。測定内容によっては複雑で、最大36時間を要することもある。
測定は開発プロジェクトだけで行われるわけではなく、品質管理では製造工程やシリーズリリースの一部でもある。例えば、基板の熱伝導率や絶縁耐力を測定します：測定された試料は、その材料の一般的な標準値と一致していなければなりません。これは、CeramTecにとって非常に重要なことが一つあるからです：お客様が、合意された材料特性を備えた製品を信頼できることです。
研究室への洞察AINの熱分析
熱特性の測定に関しては、チームはNETZSCH の専門知識を頼りにしている。一貫して好意的な経験、拠点が近いこと、優れたサービスにより、NETZSCH の測定技術がますます利用されるようになっている。熱分析に使用される技術の概要を図4に示す。
すでに述べたように、熱伝導率はセラミック基板の機械的・電気的特性に影響を与えます。これを調べるために、まず熱拡散率を試験します。熱拡散率は、材料が温度変化にどの程度迅速に反応するかを示すもので、材料に依存する特性です。セラムテックでは、NETZSCH LFA 447Nanoflashを使用して、ラボでアインのようなセラミック基板の熱拡散率を試験しています。このため、ラボチームは、試験装置用に指定された形式に試験片を準備し、グラファイトでコーティングします。その後、20℃から300℃の温度範囲で導電率を測定することができる。
図5aと図5bは、酸化物セラミック（図5a）と窒化物セラミック（図5b）にエネルギーを印加した後の経時的な発熱量の比較を示しています：熱の増加は窒化物セラミックの方が大きい。熱伝導率は、測定された熱拡散率、比熱容量、材料の密度から計算することができます：
窒化アルミニウムセラミックスの場合、材料の種類にもよりますが、熱伝導率は170W/(m・K)を超えます。用途に応じて、セラミックには低熱伝導率または高熱伝導率が要求されます。特に、高温を発生するパワー半導体の場合、熱を迅速かつ確実に放散する必要があります。
熱分析には、熱膨張係数 (線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTE) の考慮も含まれます。熱膨張は、物体の幾何学的寸法が温度によってどのように変化するかを示します。この知識は、例えば材料の組み合わせにおける熱的ミスマッチを計算するのに重要です。正確に決定された線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTEは、例えば、基板の外寸の公差を知るために、メタライゼーションやパッケージングにおいても重要です。セラムテックは、NETZSCH DIL 402 EおよびDIL 402を使用して、焼結材料の熱膨張係数を測定します。 Expedis®熱膨張計を使用しています。セラミック体の熱膨張は、2000℃までの温度範囲で調べることができます。さらに、熱膨張計はガス制御により、空気、窒素、アルゴンなどの異なる雰囲気下での測定が可能です。これは、例えば高温領域での測定を行うために重要です。Proteus® 解析ソフトウェアは、測定曲線の評価や、異なる温度セグメントにおける熱膨張の測定をサポートします。
熱重量測定も熱分析の一部である。主に発熱（吸熱性）反応や、原料（粉体、バインダー、有機材料）の空気下での重量変化、グリーンテープの空気または窒素下での重量変化の調査に使用されます。CeramTec社では、これらの測定に様々なNETZSCH STAシステムを使用しています。
熱容量は、物体に加えられた熱量に関連して、測定された物体の温度がどのように変化するかを説明します。セラムテックは、NETZSCH DSC 300Caliris を使用して焼結材料の熱容量を測定します。
温度曲線は加熱炉の温度、ひいては焼結プロセスの温度を記述するため、熱パラメータに関連するもう一つの実験室での作業は、製造プロセスを過大評価することです。例えば、熱膨張計は焼結ステップを決定するために使用できます。
トップパフォーマンスへの準備
基材がセラムテックで生産される頃には、広範なテストが実施され、ハイテク電気用途での使用や、材料固有の利点を活用する準備が整っている。ラボでの分析は、品質管理だけでなく、革新的な新製品の開発にも不可欠です。NETZSCH は、この点においてセラムテックの重要なパートナーです。
親愛なるCeramtec Labチームの皆様 - 研究作業に関する興味深い洞察をありがとうございます。今後も当社の分析装置で貢献できれば幸いです。