Használható-e a fehér olvasztott alumínium-oxid mikropor az elektronikai iparban?

Bevezetés

Az elektronikai ipar a gyártási folyamatok és anyagszükségletek széles skáláját fedi le, beleértve a félvezetőgyártást, az elektronikus csomagolást, a polimer alapú szigetelőrendszereket, a hőkezelést és a precíziós felületfeldolgozást.

Fehér olvasztott alumínium-oxid (WFA) mikroporegy nagy keménységű alumínium-oxid alapú csiszolóanyag, amely jól bevált a hagyományos alkalmazásokban, például csiszolóanyagokban, lelapolásban, felületkezelésben és tűzálló rendszerekben. Alkalmazása az elektronikával kapcsolatos alkalmazásokban azonban alaposabb minősítést igényel.

Arra, hogy a White Fused Alumina Micro Powder alkalmas-e elektronikai alkalmazásokra, nem lehet egy egyszerű igennel vagy nemmel válaszolni. Az alkalmasság az adott porminőségtől, a szemcsék jellemzőitől, a kémiai összetételtől, a készítménytől, a feldolgozási módszertől és az alkalmazás-specifikus minősítési követelményektől függ.

Emiatt a WFA-t minőség-specifikus anyagként kell értékelni, nem pedig univerzális elektronikus töltőanyagként, hőkezelő anyagként, laminált töltőanyagként vagy félvezető polírozó csiszolóanyagként.

Mi az a fehér olvasztott alumínium-oxid mikropor?

A fehér olvasztott timföldet kalcinált alumínium-oxid olvasztásával állítják elő elektromos ívkemencében. Az olvasztást követően az anyagot lehűtik, majd aprítással, őrléssel és részecskeosztályozással feldolgozzák, hogy megkapják a kívánt szemcse- vagy mikroporméretet.

Az anyag túlnyomórészt α-Al2O3-ból áll, és gyártási útja és a kapott részecskeszerkezet szerint különbözik a többi timföldterméktől.

A kereskedelemben kapható WFA mikroporok jellemzői eltérőek lehetnek, például:

• részecskeméret-eloszlás;
• részecskemorfológia;
• kémiai összetétel;
• szennyeződési profil;
• felület állapota;
• agglomerációs viselkedés;
• évfolyam-specifikus minőségi előírások.

Ezek a különbségek különösen akkor fontosak, ha a WFA-t az elektronikával kapcsolatos alkalmazásoknál fontolgatják, ahol a szükséges specifikációk lényegesen eltérhetnek a hagyományos koptató vagy tűzálló alkalmazásokhoz használtaktól.

Anyag alapvető jellemzői

A fehér olvasztott alumínium-oxid egy nagy keménységű kerámia csiszolóanyag, amely a timföld anyagokra jellemző kémiai és hőstabilitással rendelkezik. Az alumínium-oxidot elektromosan szigetelő kerámiaként is széles körben ismerik.

Az anyagi viselkedés három különböző szintjét azonban külön kell tartani:

• A timföld belső jellemzői, mint például a kerámia keménysége és az elektromos szigetelő viselkedés;
• Por minőségű jellemzők, beleértverészecskeméret-eloszlás, morfológia, összetétel, szennyeződések, felületi állapot és agglomeráció;
• A kész rendszer tulajdonságai, például a kompozit hővezető képessége, dielektromos teljesítmény, reológia, mechanikai tulajdonságok, méretviselkedés és megbízhatóság.

Ez a megkülönböztetés azért fontos, mert egy elektronikus polimer kompozit vagy polírozási eljárás teljesítményét nem lehet előre megjósolni a WFA por kémiai azonosságából.

Lehetséges elektronikával kapcsolatos alkalmazások

Hőkezelési polimer rendszerek

Az alumínium-oxid töltőanyagokat széles körben vizsgálják és használják hővezető, elektromosan szigetelő polimer kompozitokban elektronikus hőkezelési alkalmazásokhoz.

A White Fused Alumina Micro Powder ezért egy lehetséges alumínium-oxid töltőanyagként értékelhető kiválasztott polimer rendszerekben. Alkalmassága azonban az adott készítmény követelményeitől függ.

A hagyományos WFA részecskéket aprítással és őrléssel állítják elő, és morfológiájuk lehet szögletes vagy szabálytalan. Összehasonlításképpen, a gömb alakú alumínium-oxid termékeket kifejezetten úgy tervezték, hogy lekerekített részecskegeometriát biztosítsanak, és egyes nagymértékben töltött polimerrendszerekben előnyöket kínálhatnak a csomagolási viselkedés, a folyóképesség és a viszkozitás szabályozása terén.

Ez nem jelenti azt, hogy a szögletes WFA eleve használhatatlan töltőanyagként. Ez azt jelenti, hogy a WFA-ról nem szabad feltételezni, hogy a gömb alakú vagy más tervezett timföldfajtákhoz hasonlóan viselkedik.

Amikor alumínium-oxidot építenek be egy polimer mátrixba, a kész kompozit hővezető képességét olyan tényezők befolyásolhatják, mint például:

• töltőanyag betöltés;
• részecskeméret-eloszlás;
• részecskemorfológia;
• polimer kémia;
• részecske diszperzió;
• töltő-mátrix interfészek;
• felületkezelés, ahol használják;
• feldolgozási és kikeményedési feltételek.

A timfölddel töltött epoxi rendszerekkel végzett kísérleti munka megerősíti, hogy a részecskék jellemzői és a készítmény körülményei jelentősen befolyásolhatják a kapott kompozit hőválaszát.

Egyes készítményekben a felületkezelés is szóba jöhet a diszperzió vagy a töltőanyag-mátrix kölcsönhatások módosítása érdekében, de hasznossága készítmény-specifikus, és inkább értékelni kell, mint feltételezni.

Elektromos és tokozási rendszerek

Az alumínium-oxid egy elektromosan szigetelő kerámia, és alumínium-oxiddal töltött polimereket használnak bizonyos elektromos szigetelési és elektronikai csomagolási alkalmazásokban.

A White Fused Alumina Micro Powder töltőanyagként értékelhető ilyen rendszerekben, de a kész anyag elektromos jellemzőit meg kell különböztetni magától az alumínium-oxidétól.

Tulajdonságok, például:

• dielektromos szilárdság;
• dielektromos állandó;
• dielektromos veszteség;
• térfogati ellenállás;
• nedvességreakció;
• hosszú távú elektromos megbízhatóság
• a teljes kikeményedett rendszertől függ.

A releváns változók közé tartozhat a gyantamátrix, a töltőanyag-töltés, a részecskeeloszlás, a szennyeződések, a nedvesség, a diszperzió, a határfelületi állapot és a kikeményedési folyamat.

Emiatt az elektromos szigetelési teljesítményt a tervezett összetétel és megfelelő vizsgálati körülmények segítségével kell megerősíteni, nem pedig kizárólag az alumínium-oxid jelenlétéből következtetni.

Precíziós lapozás és polírozás

A fehér olvasztott alumínium-oxid csiszolóanyagként ismert, és nagy keménysége miatt fontos a mechanikai anyageltávolítási folyamatokban.

Az elektronikával kapcsolatos gyártásban csiszolóporok használhatók megfelelő anyagok csiszolására, lapolására vagy mechanikai polírozására. A csiszolóanyag kiválasztásának azonban meg kell felelnie az aljzatnak és a kívánt felületi állapotnak.

A vonatkozó szempontok közé tartozik:

• koptató szemcseméret;
• részecskeméret-eloszlás;
• durva szemcsetartalom;
• részecskemorfológia;
• anyageltávolítási követelmények;
• felületkezelési követelmények;
• elfogadható felszín alatti károk;
• diszperziós és szuszpenziós viselkedés, ahol alkalmazható.

A szemcseméretű konzisztencia különösen fontos a precíziós kikészítésben. A durva részecskék és agglomerátumok növelhetik a karcolások vagy egyéb felületi hibák kockázatát.

Ezért az a tény, hogy a WFA finom csiszolóanyag, önmagában nem bizonyítja az alkalmasságot minden precíziós elektronikai eljáráshoz.

CMP: Fontos megkülönböztetések és korlátozások

A kémiai mechanikai síkosítás (CMP) alapvetően különbözik a hagyományos köszörüléstől vagy lapolástól.

A CMP egyesíti a csiszolórészecskék, a polírozó párna és a munkadarab közötti mechanikai kölcsönhatást az iszapból származó kémiai kölcsönhatásokkal. A csiszolóanyag típusa, a szemcseméret, a méreteloszlás, az agglomeráció, az iszap stabilitása, a kémia és a folyamat körülményei mind befolyásolhatják az eltávolítási viselkedést és a hibák kialakulását.

A CMP irodalomban szilícium-dioxid-, cérium-oxid- és alumínium-oxid alapú csiszolórendszerek találhatók, ami azt bizonyítja, hogy az alumínium-oxid, mint vegyi anyag család, nincs általánosan kizárva a CMP-ből.

Ez azonban nem jelenti azt, hogy a hagyományos ipari White Fused Alumina mikroport félvezető CMP csiszolóanyagként kell kezelni.

A CMP csiszolóanyagokat az adott polírozási folyamathoz tervezték, és szigorú ellenőrzést igényelhetnek:

• részecskeméret és -eloszlás;
• nagy részecskék vagy agglomerátumok szabályozása;
• diszperziós stabilitás;
• kémiai tisztaság;
• hígtrágya kémia;
• interakció a célanyaggal;
• felülethibás teljesítmény.

A CMP-hibamechanizmusokkal kapcsolatos kutatások azt mutatják, hogy a koptató agglomeráció és az abnormális részecskék hozzájárulhatnak a karcolások kialakulásához.

Ennek megfelelően a közönséges WFA mikropor nem tekinthető alkalmas félvezető CMP-hez, egyszerűen azért, mert egyes speciális CMP-rendszerekben alumínium-oxid csiszolóanyagokat használnak.

A mechanikus lapolást, köszörülést, hagyományos polírozást és félvezető CMP-t ezért külön alkalmazási kategóriaként kell kezelni az anyagválasztás során.

Elektronikus laminátum szempontok

Az elektronikus laminátumokban és polimer kompozitokban szervetlen töltőanyagok választhatók a termikus, elektromos, mechanikai, méret- vagy feldolgozási jellemzők módosítására.

Ha a White Fused Alumina Micro Powder-t ilyen készítményre értékelik, annak alkalmasságát a teljes laminált rendszer követelményei alapján kell meghatározni.

A releváns megfontolások a következők lehetnek:

• töltőanyag morfológia;
• részecskeméret-eloszlás;
• töltőanyag betöltés;
• megmunkálási vagy fúrási viselkedés;
• polimer kompatibilitás;
• készítmény viszkozitása;
• dielektromos tulajdonságok;
• hőtágulási viselkedés;
• mechanikai teljesítmény.

A nagyfrekvenciás elektronikai anyagoknál a dielektromos állandó és a dielektromos veszteség rendszerszintű tervezési paraméterek. Ezért minden alumínium-oxid tartalmú töltőanyag hatását a tényleges laminátum összetételben és a vonatkozó működési feltételek mellett kell meghatározni.

A WFA-ról nem szabad feltételezni, hogy felcserélhető más szervetlen töltőanyagokkal, pusztán azért, mert ezeket az anyagokat elektronikus polimer rendszerekben is használják.

Miért nem cserélhető fel a WFA más alumínium-oxid töltőanyagokkal?

Az alumínium-oxid töltőanyag kifejezés különböző gyártási módszerekkel, morfológiájú, részecskeszerkezetű, összetételű és specifikációjú anyagokat takar.

Például:

• A fehér olvasztott alumínium-oxidot olvasztással állítják elő, amelyet zúzás és részecskeosztályozás követ.
• A gömb alakú alumínium-oxidot úgy tervezték, hogy lekerekített részecskemorfológiát biztosítson, és széles körben tanulmányozzák hővezető polimer rendszerekben.
• A kalcinált alumínium-oxidot hőkezeléssel, nem pedig fúzióval állítják elő, és eltérő részecskejellemzőkkel rendelkezhet.
• Az elektronikus minőségű timföld azokra a minőségekre utal, amelyeket úgy szabályoznak, hogy megfeleljenek az elektronikus anyagokra vonatkozó egyedi követelményeknek, nem pedig egyetlen univerzális tisztasági vagy részecske-specifikációra.

Ezek az anyagok mind tartalmazhatnak Al2O3-t, de a kémiai azonosság önmagában nem teszi őket egymással felcserélhetővé.

A minőség kiválasztását ezért a tényleges porspecifikáción és az alkalmazási teszteken kell alapulnia.

Az alkalmazás értékelésének legfontosabb anyagparaméterei

Részecskeméret-eloszlás és durvarészecske-szabályozás

A szemcseméret-eloszlás fontos paraméter mind a töltőanyag, mind a csiszolóanyag alkalmazásoknál.

Polimer rendszerek esetében befolyásolhatja:

• csomagolás;
• készítmény viszkozitása;
• diszperzió;
• töltőanyag betöltés;
• végső összetett viselkedés.
• Csiszoló folyamatok esetén hatással lehet:
• eltávolítási viselkedés;
• felületkezelés;
• karcolás veszélye;
• folyamat következetessége.

Az ISO 8486-2:2007 elismert módszert biztosít az olvasztott alumínium-oxid mikroszemcsék méreteloszlásának meghatározására vagy ellenőrzésére F230-tól F2000-ig, beleértve a polírozáshoz használt laza szemcséket is.

Az elektronikai alkalmazások speciális részecskeméret-követelményeit azonban az adott alkalmazásnak megfelelően kell meghatározni, nem pedig az általános koptatóanyag-besorolásból.

Tisztaság és releváns szennyeződések

A kémiai összetétel és a szennyeződések szintje egyre fontosabbá válhat, ahogy az anyagszükségletek egyre szigorúbbak.

Ezért a vásárlóknak értékelniük kell a rendelkezésre álló minőségi specifikációt:

• timföldtartalom;
• releváns oxid-szennyeződések;
• alkalmazásra érzékeny szennyeződések, ahol alkalmazható;
• a gyártási tételek közötti összhang.

Nem szabad egyetlen szennyeződési határértéket sem általánosan alkalmazni az összes elektronikával kapcsolatos alkalmazásra.

Részecskemorfológia

A részecskék morfológiája befolyásolja mind a koptató viselkedést, mind a polimer feldolgozást.

A zúzott olvasztott timföld általában szögletes részecskejellemzőket mutat, míg a mesterséges gömb alakú timföldnek eltérő a tömítése és reológiai profilja.

Az előnyben részesített morfológia attól függ, hogy az anyagot elsősorban a következőképpen értékelik-e:

• csiszolóanyag;
• szemcsés töltőanyag;
• hígtrágya része;
• egy erősen töltött polimer készítmény része.

Felületi állapot és kezelés, ahol releváns

A felület állapota befolyásolhatja a nedvesedést, a diszperziót, a nedvesség kölcsönhatását és a töltőanyag-mátrix viselkedését.

A felületmódosítást vagy a kapcsolószeres kezelést egyes alumínium-oxid/polimer kutatásokban és kereskedelmi készítményekben alkalmazzák a határfelületi viselkedés módosítására.

A felületkezelés azonban nem minden WFA alkalmazás univerzális előfeltétele. Hatását a tervezett gyantában vagy hordozórendszerben kell értékelni.

Diszperziós és agglomerációs viselkedés

A diszperzió mind a töltött polimerekben, mind a csiszolószuszpenziókban fontos.

A gyenge diszperzió vagy agglomeráció egyenetlen összetételt, inkonzisztens reológiát vagy nemkívánatos felületi hibákat eredményezhet a precíziós csiszoló eljárások során.

A CMP-kutatás különösen demonstrálja a szuszpenzió stabilitásának és a nagy részecskék szabályozásának fontosságát a mikrokarcolás és a kapcsolódó hibák minimalizálásában.

Tétel konzisztencia

Ha egy elektronikával kapcsolatos folyamat érzékeny a részecskék vagy kémiai változásokra, a tételek közötti konzisztencia fontos lehet a folyamatszabályozás szempontjából.

A releváns paraméterek közé tartozhatnak a részecskeméret-eloszlás, a kémiai összetétel, a nedvesség vagy más, a minőségre jellemző specifikációk.

A kívánt konzisztenciát a tervezett folyamatnak és az ügyfél specifikációinak megfelelően kell meghatározni.

Dokumentáció és támogatási információk

Az alkalmazástól és a szállítótól függően hasznos dokumentumok lehetnek:

• Műszaki Adatlap (TDS);
• Biztonsági adatlap (SDS);
• Elemzési Tanúsítvány (COA);
• tételspecifikus vizsgálati adatok;
• részecskeméret-teszt információ;
• alkalmazás-specifikus műszaki útmutató.

Ezek a dokumentumok különböző célokat szolgálnak, és nem kezelhetők felcserélhetőként.

Amit a vásárlóknak és a folyamatmérnököknek ellenőrizniük kell

Por és minőségi információ

ÉrtékeléskorFehér olvasztott alumínium-oxid mikroporaz elektronikával kapcsolatos alkalmazások esetében a vásárlóknak és a folyamatmérnököknek át kell tekinteniük, ha releváns és elérhető:

• pontos termékminőség;
• részecskeméret-eloszlás és mérési módszer;
• durva részecskékre vagy túlméretekre vonatkozó specifikáció, ha van;
• kémiai összetétel;
• timföldtartalom;
• releváns szennyeződési információk;
• részecskemorfológia;
• nedvességtartalom, adott esetben;
• diszperziós információ, ha rendelkezésre áll;
• felületkezelés, ha van;
• kötegminőségi információk;
• TDS;
• SDS;
• COA vagy azzal egyenértékű kötegadatok, ha vannak.

Alkalmazás-specifikus érvényesítés

Az anyagi dokumentáció csak a kiindulópont.

Az alkalmasságot a tervezett alkalmazásra jellemző feltételek mellett kell értékelni.

A használattól függően az érvényesítés a következőket tartalmazhatja:

• készítmény kompatibilitás;
• keverési és diszperziós viselkedés;
• feldolgozási viszkozitás;
• termikus tesztelés;
• dielektromos tesztelés;
• mechanikai vizsgálat;
• méretstabilitás értékelése;
• koptatóanyag eltávolítási viselkedés;
• felületi érdesség vagy hiba értékelése;
• releváns megbízhatósági vizsgálat.

A megfelelő vizsgálatok a tényleges végfelhasználástól függenek.

Korlátozások és alkalmazási határok

A White Fused Alumina Micro Powder nem feltételezhető minden elektronikával kapcsolatos alkalmazáshoz minőség- és folyamatspecifikus értékelés nélkül.

A fontos határok a következők:

• Félvezető CMP:A közönséges ipari WFA mikroport nem szabad automatikusan félvezető CMP csiszolóanyagként kezelni. A CMP folyamatspecifikus csiszolóanyag- és hígtrágya-minősítést igényel.
• Speciális elektronikus töltőanyagok:A WFA-t nem szabad közvetlenül felcserélhetőként kezelni gömb alakú alumínium-oxiddal vagy más, kifejezetten elektronikus polimerrendszerekhez tervezett töltőanyaggal.
• Elektromos szigetelés:Az alumínium-oxid elektromosan szigetelő, de a végső dielektromos teljesítmény a komplett rendszerhez tartozik.
• Hőkezelés:Az alumínium-oxid töltőanyag kiválasztása önmagában nem határozza meg a kész TIM, a kapszulázó anyag vagy az edénykeverék hővezető képességét.
• Elektronikus laminátumok:Az alkalmasság a teljes gyanta/töltőanyag kialakításától, a feldolgozási úttól, az elektromos követelményektől és az alkalmazás körülményeitől függ.
• Precíziós csiszoló feldolgozás:A finom szemcseméret önmagában nem határozza meg az alkalmasságot. Figyelembe kell venni a szemcseméret-eloszlást, az agglomerációt, a szubsztrátum-kompatibilitást és a felületminőségi követelményeket is.

Következtetés

A White Fused Alumina Micro Powder megfontolható bizonyos elektronikai alkalmazásokhoz, de ez nem egy univerzális elektronikai anyag.

Legfontosabb szerepei két különböző anyagfunkcióból fakadnak: nagy keménységű alumínium-oxid csiszolóanyagként való felhasználása a megfelelő mechanikai kikészítési eljárásokban, valamint lehetséges timföldtartalmú töltőanyagként való értékelése kiválasztott polimer rendszerekben.

Hőkezelés, kapszulázás, laminált vagy más elektronikus anyagok felhasználásával kapcsolatos alkalmazások esetén a végső teljesítmény a teljes összetételtől függ, nem pedig a WFA-tól.

Hasonlóképpen, a közönséges ipari WFA mikroport nem szabad egyenlőségjelezni a tervezett CMP csiszolóanyagokkal pusztán azért, mert egyes CMP rendszerekben alumínium-oxid részecskéket használnak.

A műszakilag megalapozott kiválasztási folyamatnak ezért a pontos porminőséggel és specifikációval kell kezdődnie, majd ezt követi a részecskeméret-eloszlás, a morfológia, az összetétel, a szennyeződések, a diszperziós viselkedés, a dokumentáció és az alkalmazás-specifikus vizsgálatok értékelése.

Hivatkozások

1. Schafföner, S., Dietze, C., Möhmel, S., Fruhstorfer, J. és Aneziris, CG (2017). Olvasztott és szinterezett timföld aggregátumokat tartalmazó tűzálló anyagok: feldolgozási, szemcseméret-eloszlási és részecskemorfológiai vizsgálatok.Ceramics International, 43(5), 4252–4262. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.12.067.
2. Ouyang, Y., Bai, L., Tian, ​​H., Li, X. és Yuan, F. (2022). A hővezető plomer kompozitok legújabb fejlődése: Al2O3 töltőanyagok, tulajdonságok és alkalmazások.Kompozitok A. rész: Alkalmazott tudomány és gyártás, 152, 106685. DOI: 10.1016/j.compositesa.2021.106685.
3. Anithambigai, P., Dheepan Chakravarthii, MK, Mutharasu, D., Huong, LH, Zahner, T., Lacey, D. és Kamarulazizi, I. (2017). Potenciális hővezető alumínium-oxiddal töltött epoxi kompozit nagy teljesítményű LED-ek hőkezeléséhez.Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 28(1), 856–867. DOI: 10.1007/s10854-016-5600-4.
4. Raghavan, S., Keswani, M. és Jia, R. (2008). Részecsketudomány és technológia a kémiai mechanikai síkosításhoz szükséges iszapok tervezésében.KONA por és részecske folyóirat, 26, 94–105. DOI: 10.14356/kona.2008010.
5. Kwon, T.-Y., Ramachandran, M., & Park, J.-G. (2013). Karcképződés és mechanizmusa a kémiai mechanikai síkosításban (CMP).Súrlódás, 1(4), 279–305. DOI: 10.1007/s40544-013-0026-y.
6. Nemzetközi Szabványügyi Szervezet. (2007).ISO 8486-2:2007 – Ragasztott csiszolóanyagok – Szemcseméret-eloszlás meghatározása és kijelölése – 2. rész: Mikroszemcsék F230–F2000. ISO.