SUCCESVERSLAG VAN KLANT
Hoge prestaties door precisie:Kwaliteitsborging bij de productie van technische keramiek
Een succesverhaal van het laboratoriumteam van de afdeling Innovatie en Technologie van CeramTec Group
Technisch keramiek biedt veel voordelen. Om ze betrouwbaar te kunnen gebruiken, moet de kwaliteit van de materialen worden getest. CeramTec vertrouwt al vele jaren op de expertise van NETZSCH. Of het nu gaat om ontwikkelingsprojecten, het productieproces of serieproductie, NETZSCH analysers worden voortdurend gebruikt.
Verschillen in hoogwaardige keramiek
De term "geavanceerde keramiek" dekt een breed scala aan verschillende, soms zeer gespecialiseerde keramische materialen met unieke mechanische, thermische, biochemische en elektrische eigenschappen - en combinaties hiervan. Er kan onderscheid worden gemaakt tussen drie groepen van large materialen: Silicaatkeramiek, oxide keramiek en niet-oxide keramiek. Silicaatkeramiek bestaat voornamelijk uit natuurlijke grondstoffen in combinatie met aluminiumoxide. Oxidekeramiek omvat materialen op basis van metaaloxiden. Niet-oxide keramiek verwijst naar de groep keramische materialen gebaseerd op verbindingen van koolstof, stikstof en silicium. Uit welke groep een materiaal wordt gekozen, hangt af van de specifieke toepassing en de daaruit voortvloeiende vereisten voor het materiaal.
Keramische substraten: Belangrijke componenten voor elektronische toepassingen
Een substraat is het basismateriaal van een circuitdrager, waarvoor verschillende materialen beschikbaar zijn. Vanwege hun elektrische, thermische, mechanische, isolerende en chemische eigenschappen worden substraten van hoogwaardige keramiek gebruikt in tal van industrieën en toepassingsgebieden - bijvoorbeeld in de elektrificatie van voertuigen, e-mobiliteit, industrie en energieopwekking. CeramTec is een Europese one-stop shop voor alle gangbare keramische substraten: aluminiumoxide, aluminiumnitride, met zirkoniumoxide versterkt aluminiumoxide, zirkoniumoxide en vanaf 2024 ook siliciumnitride. Elk substraat heeft verschillende eigenschappen (zie figuur 1). Aluminiumnitride heeft bijvoorbeeld een bijzonder hoog warmtegeleidingsvermogen van 170 W/(m-K), wat de mechanische en elektrische eigenschappen van het keramische substraat beïnvloedt. Een hoge Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid betekent bijvoorbeeld dat de warmte die wordt gegenereerd door de blindstroom in vermogenselektronica wordt verminderd en dat de warmteafvoer homogeen en constant wordt gereduceerd. Dit zijn eigenschappen waar vooral vraag naar is in hoogwaardige elektronica, zoals in de halfgeleiderindustrie, waar het doel is om maximaal vermogen te genereren in een minimale ruimte. De gegenereerde warmte moet snel en betrouwbaar worden afgevoerd. CeramTec produceert en verwerkt keramische substraten op verschillende manieren, afhankelijk van de toepassing, het materiaal, de geometrie en de hoeveelheid - ze worden gestanst, gelaserd of droog geperst.
Innovaties creëren, kwaliteit controleren
De afdeling Innovatie en Technologie van CeramTec onderzoekt en ontwikkelt voortdurend materialen en productieprocessen voor nieuwe producten. De afdeling Tape and Substrate Applications richt zich op de ontwikkeling van nieuwe keramische substraten en de optimalisatie ervan. Een succesvol voorbeeld: Het nieuwe AIN HP (Aluminum Nitride High Performance) biedt een aanzienlijk hogere buigsterkte dan andere substraatmaterialen met behoud van de thermische eigenschappen. Het is bijzonder geschikt voor continue belasting in vermogensmodules en wordt gebruikt bij de opwekking en distributie van elektriciteit, de elektrificatie van voertuigen en vermogensomzetters in de bouw van spoorvoertuigen. Voortdurend testen in het laboratorium is een essentieel onderdeel van het onderzoeks- en ontwikkelingswerk van het team. Eerst worden de grondstoffen en de daaruit geproduceerde keramische massa's gekarakteriseerd. Na het vormgevingsproces worden de thermische parameters van de groene tapes bepaald. Dit wordt gevolgd door metingen op het gesinterde substraat. Afhankelijk van de meting kunnen deze complex zijn en tot 36 uur duren.
Metingen worden echter niet alleen uitgevoerd voor ontwikkelingsprojecten; bij kwaliteitscontrole maken ze ook deel uit van het productieproces of de serievrijgave. De substraten worden bijvoorbeeld getest op hun Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid of diëlektrische sterkte: De gemeten monsters moeten overeenkomen met de typische standaardwaarden voor het materiaal. Voor CeramTec is namelijk één ding heel belangrijk: Dat klanten kunnen vertrouwen op hun product met de overeengekomen materiaaleigenschappen.
Inzicht in het laboratorium: Thermische analyse van AIN
Voor het meten van thermische eigenschappen vertrouwt het team op de expertise van NETZSCH. Consequent positieve ervaringen, de nabijheid van de locaties en de uitstekende service hebben geleid tot het gebruik van steeds meer NETZSCH meettechnologie. Figuur 4 geeft een overzicht van de technologie die wordt gebruikt voor thermische analyse.
Zoals reeds vermeld, heeft Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid een invloed op de mechanische en elektrische eigenschappen van een keramisch substraat. Om dit te onderzoeken wordt eerst de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie getest. Deze geeft aan hoe snel een materiaal reageert op een temperatuurverandering en is een materiaalafhankelijke eigenschap. CeramTec test de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie voor keramische substraten zoals AIN in het laboratorium met de NETZSCH LFA 447Nanoflash. Hiertoe bereidt het laboratoriumteam het testmonster voor op het formaat dat is gespecificeerd voor het testapparaat en bedekt het met grafiet. De geleidbaarheid kan dan gemeten worden in een temperatuurbereik van 20°C tot 300°C.
Figuren 5a en 5b tonen een vergelijking van de warmtetoename in de tijd na het aanbrengen van energie op een oxide keramiek (fig. 5a) en een nitride keramiek (fig. 5b): De warmtetoename is groter voor de nitride keramiek. De Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid kan dan berekend worden uit de gemeten Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie, de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit en de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van het materiaal:
Voor aluminiumnitride keramiek resulteert dit in Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid tot meer dan 170 W/(m-K), afhankelijk van het materiaaltype. Afhankelijk van de toepassing heeft de keramiek een lage of hoge warmtegeleiding nodig. Vooral in het geval van vermogenshalfgeleiders, die hoge temperaturen genereren, moet de warmte snel en betrouwbaar worden afgevoerd.
Bij thermische analyse wordt ook rekening gehouden met de thermische uitzettingscoëfficiënt (Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE). De thermische uitzetting geeft aan hoe de geometrische afmetingen van een lichaam veranderen met de temperatuur. Deze kennis is belangrijk om bijvoorbeeld de thermische mismatch in materiaalcombinaties te berekenen. Een nauwkeurig bepaalde Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE is ook belangrijk voor metallisatie en verpakking om bijvoorbeeld de toleranties van de buitenafmetingen van een substraat te kennen. CeramTec bepaalt de thermische uitzettingscoëfficiënt van gesinterde materialen in het laboratorium met de NETZSCH DIL 402 E en DIL 402 Expedis® dilatometers. De thermische uitzetting van een keramisch lichaam kan worden onderzocht in het temperatuurbereik tot 2000 °C. Daarnaast bieden de dilatometers de mogelijkheid om metingen uit te voeren onder verschillende atmosferen - zoals lucht, stikstof of argon - via gasregeling. Dit is belangrijk om bijvoorbeeld metingen te kunnen uitvoeren in het hoge temperatuurbereik. De Proteus® analysesoftware biedt ondersteuning bij het evalueren van de meetcurve en het bepalen van de thermische uitzetting in verschillende temperatuursegmenten.
Thermogravimetrische meting is ook een onderdeel van thermische analyse. Het wordt voornamelijk gebruikt voor het onderzoek van exotherme en endotherme reacties en gewichtsveranderingen in grondstoffen (poeders, bindmiddelen en organische materialen) onder lucht en in groene tapes onder lucht of stikstof. Voor deze metingen gebruikt CeramTec verschillende NETZSCH STA-systemen.
De warmtecapaciteit beschrijft hoe de gemeten temperatuur van een lichaam verandert in relatie tot de hoeveelheid warmte die eraan wordt toegevoegd. CeramTec bepaalt dit voor gesinterde materialen met de NETZSCH DSC 300 Caliris®.
Een andere laboratoriumtaak in verband met de thermische parameters is het overgroeien van het productieproces, aangezien de temperatuurcurve de temperatuur van de oven beschrijft en dus die van het sinterproces. De dilatometer kan bijvoorbeeld worden gebruikt om sinterstappen te bepalen.
Klaar voor topprestaties
Tegen de tijd dat een substraat de productie bij CeramTec verlaat, is het uitgebreid getest: het is klaar voor gebruik in hightech elektrische toepassingen en om de materiaalspecifieke voordelen te benutten. Laboratoriumanalyses zijn niet alleen essentieel voor de kwaliteitscontrole, maar ook voor de ontwikkeling van nieuwe innovatieve producten. NETZSCH is hierbij een belangrijke partner voor CeramTec.
Beste Ceramtec Lab Team - Hartelijk dank voor de interessante inzichten in uw onderzoekswerk. We zijn blij dat we ook in de toekomst een bijdrage kunnen leveren met onze analytische apparatuur.