Kundens framgångshistoria
Hög prestanda genom precision:Kvalitetssäkring vid tillverkning av teknisk keramik
En kundframgångshistoria av laboratorieteamet på CeramTec Groups avdelning för innovation och teknik
Teknisk keramik erbjuder många fördelar. För att de ska kunna användas på ett tillförlitligt sätt måste materialens kvalitet testas. CeramTec har under många år förlitat sig på NETZSCH:s expertis inom detta område - oavsett om det gäller utvecklingsprojekt, tillverkningsprocessen eller serieproduktion används NETZSCH:s analysatorer ständigt.
Skillnader i högpresterande keramer
Begreppet "avancerade keramer" omfattar ett brett spektrum av olika, ibland mycket specialiserade keramiska material med unika mekaniska, termiska, biokemiska och elektriska egenskaper - och kombinationer av dessa. Man kan skilja mellan tre large grupper av material: Silikatkeramik, oxidkeramik och icke-oxidkeramik. Silikatkeramik består huvudsakligen av naturligt förekommande råmaterial i kombination med aluminiumoxid. Oxidkeramik omfattar material baserade på metalloxider. Icke-oxidkeramik avser gruppen keramiska material baserade på föreningar av kol, kväve och kisel. Ur vilken grupp ett material väljs beror på den specifika tillämpningen och de krav som ställs på materialet.
Keramiska substrat: Nyckelkomponenter för elektroniska tillämpningar
Ett substrat är grundmaterialet i en kretsbärare, för vilken det finns olika material tillgängliga. På grund av sina elektriska, termiska, mekaniska, isolerande och kemiska egenskaper används substrat av högpresterande keramer i många branscher och tillämpningsområden - till exempel inom fordonselektrifiering, e-mobility, industri och kraftgenerering. CeramTec är en europeisk one-stop-shop för alla vanliga keramiska substrat: aluminiumoxid, aluminiumnitrid, zirkoniumoxidförstärkt aluminiumoxid, zirkoniumoxid och från och med 2024 även kiselnitrid. Varje substrat har olika egenskaper (se figur 1). Aluminiumnitrid har t.ex. en särskilt hög Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga på 170 W/(m-K), vilket påverkar det keramiska substratets mekaniska och elektriska egenskaper. En hög Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga innebär t.ex. att den värme som alstras av den reaktiva strömmen i kraftelektronik reduceras och att värmeavledningen sker homogent och konstant. Det här är egenskaper som efterfrågas särskilt inom högpresterande elektronik, t.ex. inom halvledarindustrin, där målet är att generera maximal effekt på minimal yta. Den värme som alstras måste snabbt och tillförlitligt ledas bort. CeramTec tillverkar och bearbetar keramiska substrat med olika metoder beroende på applikation, material, geometri och kvantitet - de stansas, laseras eller torrpressas.
Skapa innovationer och kontrollera kvaliteten
CeramTecs innovations- och teknikavdelning forskar och utvecklar kontinuerligt material och tillverkningsprocesser för nya produkter. Avdelningen Tape and Substrate Applications är inriktad på utveckling av nya keramiska substrat och optimering av dessa. Ett framgångsrikt exempel: Det nya AIN HP (Aluminum Nitride High Performance) erbjuder betydligt högre böjhållfasthet än andra substratmaterial samtidigt som det bibehåller sina termiska egenskaper. Det är särskilt lämpligt för kontinuerlig belastning i kraftmoduler och används inom kraftgenerering och -distribution, fordonselektrifiering och kraftomvandlare vid konstruktion av järnvägsfordon. Kontinuerliga tester i laboratoriet är en viktig del av teamets forsknings- och utvecklingsarbete. Först karakteriseras råmaterialen och de keramiska massor som produceras av dem. Efter formningsprocessen bestäms de termiska parametrarna för de gröna banden. Detta följs av mätningar på det sintrade substratet. Beroende på mätning kan dessa vara komplicerade och ta upp till 36 timmar.
Mätningar utförs dock inte bara för utvecklingsprojekt, utan ingår även i kvalitetskontrollen i samband med tillverkningsprocessen eller serietillverkningen. Till exempel testas substraten med avseende på Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga eller dielektrisk hållfasthet: De prov som mäts måste motsvara de typiska standardvärdena för materialet. Detta beror på att en sak är mycket viktig för CeramTec: Att kunderna ska kunna lita på att deras produkt har de överenskomna materialegenskaperna.
Inblick i laboratoriet: Termisk analys av AIN
När det gäller mätning av termiska egenskaper förlitar sig teamet på expertisen hos NETZSCH. Genomgående positiva erfarenheter, närheten till platserna och den utmärkta servicen har lett till att allt mer av NETZSCH mätteknik används. En översikt över den teknik som används för termisk analys visas i figur 4.
Som redan nämnts har värmeledningsförmågan en inverkan på de mekaniska och elektriska egenskaperna hos ett keramiskt substrat. För att undersöka detta testas först den termiska diffusiviteten. Den indikerar hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring och är en materialberoende egenskap. CeramTec testar värmediffusiviteten för keramiska substrat som AIN i laboratoriet med hjälp av NETZSCH LFA 447Nanoflash. För detta ändamål förbereder laboratorieteamet testprovet till det format som anges för testanordningen och belägger det med grafit. Ledningsförmågan kan sedan mätas i ett temperaturområde från 20°C till 300°C.
Figurerna 5a och 5b visar en jämförelse av värmeökningen över tiden efter tillförsel av energi till en oxidkeramik (fig. 5a) och en nitridkeramik (fig. 5b): Värmeökningen är högre för nitridkeramiken. Värmekonduktiviteten kan sedan beräknas utifrån den uppmätta värmediffusiviteten samt materialets specifika värmekapacitet och TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet:
För aluminiumnitridkeramik resulterar detta i värmeledningsförmågor på över 170 W/(m-K), beroende på materialtyp. Beroende på användningsområde kräver keramiken antingen låg eller hög Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga. Speciellt när det gäller krafthalvledare, som genererar höga temperaturer, måste värmen avledas snabbt och tillförlitligt.
I den termiska analysen ingår också att ta hänsyn till den termiska expansionskoefficienten (Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE). Den termiska expansionen anger hur de geometriska dimensionerna hos en kropp förändras med temperaturen. Denna kunskap är viktig för att beräkna den termiska missanpassningen i materialkombinationer, till exempel. En exakt bestämd Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE är också viktig för metallisering och förpackning för att känna till toleranserna för de yttre dimensionerna på ett substrat, till exempel. CeramTec bestämmer den termiska expansionskoefficienten för sintrade material i laboratoriet med hjälp av NETZSCH DIL 402 E och DIL 402 Expedis® dilatometrar. Den termiska expansionen hos en keramisk kropp kan undersökas i temperaturområdet upp till 2000°C. Dilatometrarna ger dessutom möjlighet att utföra mätningar under olika atmosfärer - t.ex. luft, kväve eller argon - via gasreglering. Detta är viktigt för att till exempel kunna utföra mätningar i högtemperaturområdet. Analysprogrammet Proteus® ger stöd vid utvärdering av mätkurvan och bestämning av den termiska expansionen i olika temperatursegment.
Termogravimetrisk mätning är också en del av den termiska analysen. Den används främst för undersökning av exoterma och endoterma reaktioner samt viktförändringar i råmaterial (pulver, bindemedel och organiska material) under luft och i gröna band under luft eller kväve. Olika NETZSCH STA-system används av CeramTec för dessa mätningar.
Värmekapaciteten beskriver hur den uppmätta temperaturen hos en kropp förändras i förhållande till den mängd värme som tillförs den. CeramTec bestämmer detta för sintrade material med hjälp av NETZSCH DSC 300 Caliris®.
En annan laboratorieuppgift i samband med de termiska parametrarna är att övertolka produktionsprocessen, eftersom temperaturkurvan beskriver ugnens temperatur och därmed sintringsprocessens temperatur. Dilatometern kan t.ex. användas för att bestämma sintringsstegen.
Redo för topprestanda
När ett substrat lämnar produktionen hos CeramTec har det genomgått omfattande tester: Det är redo för användning i högteknologiska elektriska applikationer och för att dess materialspecifika fördelar ska kunna utnyttjas. Laboratorieanalyser är inte bara nödvändiga för kvalitetskontrollen, utan även för utvecklingen av nya innovativa produkter. NETZSCH är en viktig partner för CeramTec i detta avseende.
Kära Ceramtec Lab Team - Tack så mycket för den intressanta inblicken i ert forskningsarbete. Vi är glada att kunna bidra med våra analytiska enheter även i framtiden.