Môže sa biely tavený mikroprášok z oxidu hlinitého použiť v elektronickom priemysle?

Úvod

Elektronický priemysel pokrýva široký rozsah výrobných procesov a materiálových požiadaviek, vrátane výroby polovodičov, elektronických obalov, izolačných systémov na báze polymérov, tepelného manažmentu a presného povrchového spracovania.

Mikroprášok bieleho taveného oxidu hlinitého (WFA).je brúsny materiál na báze oxidu hlinitého s vysokou tvrdosťou, ktorý je dobre zavedený v konvenčných aplikáciách, ako sú abrazíva, lapovanie, povrchová úprava a žiaruvzdorné systémy. Jeho potenciálne využitie v aplikáciách súvisiacich s elektronikou si však vyžaduje starostlivejšiu kvalifikáciu.

Či je biely mikroprášok z taveného oxidu hlinitého vhodný pre elektronickú aplikáciu, sa nedá odpovedať jednoduchým áno alebo nie. Vhodnosť závisí od konkrétnej triedy prášku, vlastností častíc, chemického zloženia, formulácie, spôsobu spracovania a požiadaviek na kvalifikáciu špecifickú pre aplikáciu.

Z tohto dôvodu by mal byť WFA hodnotený ako materiál špecifický pre kvalitu a nie ako univerzálne elektronické plnivo, tepelne riadiaci materiál, laminátové plnivo alebo brúsivo na leštenie polovodičov.

Čo je biely mikroprášok z taveného oxidu hlinitého?

Biely tavený oxid hlinitý sa vyrába tavením kalcinovaného oxidu hlinitého v elektrickej oblúkovej peci. Po roztavení sa materiál ochladí a následne spracuje drvením, mletím a triedením častíc, aby sa získali požadované veľkosti zŕn alebo mikroprášku.

Materiál pozostáva prevažne z α-Al203 a líši sa od iných produktov z oxidu hlinitého spôsobom výroby a výslednou štruktúrou častíc.

Komerčné mikroprášky WFA sa môžu líšiť v charakteristikách, ako sú:

• distribúcia veľkosti častíc;
• morfológia častíc;
• chemické zloženie;
• profil nečistôt;
• stav povrchu;
• aglomeračné správanie;
• špecifikácie kvality špecifické pre danú triedu.

Tieto rozdiely sú obzvlášť dôležité, keď sa WFA zvažuje pre aplikácie súvisiace s elektronikou, kde sa požadované špecifikácie môžu podstatne líšiť od špecifikácií používaných pre bežné brúsne alebo žiaruvzdorné aplikácie.

Charakteristika základného materiálu

Biely tavený oxid hlinitý je keramické brusivo s vysokou tvrdosťou s chemickou a tepelnou stabilitou charakteristickou pre materiály z oxidu hlinitého. Oxid hlinitý je tiež široko uznávaný ako elektricky izolačná keramika.

Tri rôzne úrovne materiálneho správania by však mali byť oddelené:

• Vlastné vlastnosti oxidu hlinitého, ako je tvrdosť keramiky a elektrické izolačné vlastnosti;
• Vlastnosti prášku, vrátanedistribúcia veľkosti častícmorfológia, zloženie, nečistoty, stav povrchu a aglomerácia;
• Vlastnosti hotového systému, ako je tepelná vodivosť kompozitu, dielektrický výkon, reológia, mechanické vlastnosti, rozmerové správanie a spoľahlivosť.

Toto rozlíšenie je dôležité, pretože výkonnosť elektronického polymérového kompozitu alebo procesu leštenia nemožno predpovedať z chemickej identity samotného prášku WFA.

Potenciálne aplikácie súvisiace s elektronikou

Thermal-Management Polymer Systems

Plnivá z oxidu hlinitého sú široko skúmané a používané v tepelne vodivých, elektricky izolačných polymérnych kompozitoch pre elektronické aplikácie tepelného manažmentu.

Biely mikroprášok z taveného oxidu hlinitého preto možno hodnotiť ako jedno potenciálne plnivo oxidu hlinitého vo vybraných polymérnych systémoch. Jeho vhodnosť však závisí od požiadaviek konkrétnej formulácie.

Bežné častice WFA sa vyrábajú drvením a mletím a môžu mať hranatú alebo nepravidelnú morfológiu. Na porovnanie, sférické produkty z oxidu hlinitého sú špecificky navrhnuté tak, aby poskytovali geometriu zaoblených častíc a môžu ponúkať výhody v správaní sa pri balení, tekutosti a kontrole viskozity v niektorých vysoko plnených polymérnych systémoch.

To neznamená, že hranatý WFA je vo svojej podstate nepoužiteľný ako plnivo. Znamená to, že by sa nemalo predpokladať, že by sa WFA správala identicky ako sférický alebo iný umelo vyrobený oxid hlinitý.

Keď je oxid hlinitý začlenený do polymérnej matrice, tepelnú vodivosť hotového kompozitu môžu ovplyvniť faktory vrátane:

• nakladanie plniva;
• distribúcia veľkosti častíc;
• morfológia častíc;
• polymérna chémia;
• disperzia častíc;
• rozhrania výplň-matrica;
• povrchová úprava, ak sa používa;
• podmienky spracovania a vytvrdzovania.

Experimentálne práce na epoxidových systémoch plnených oxidom hlinitým potvrdzujú, že charakteristiky častíc a podmienky formulácie môžu významne ovplyvniť tepelnú odozvu výsledného kompozitu.

Pri niektorých formuláciách možno zvážiť aj povrchovú úpravu na modifikáciu interakcií disperzie alebo plniva a matrice, ale jej užitočnosť je špecifická pre formuláciu a mala by sa skôr hodnotiť ako predpokladať.

Elektrické a zapuzdrené systémy

Oxid hlinitý je elektricky izolačná keramika a polyméry plnené oxidom hlinitým sa používajú vo vybraných aplikáciách elektrickej izolácie a elektronických obalov.

Mikroprášok bieleho taveného oxidu hlinitého možno v takýchto systémoch hodnotiť ako plnivo, ale elektrické charakteristiky hotového materiálu by sa mali odlíšiť od vlastností samotného oxidu hlinitého.

Vlastnosti ako:

• dielektrická pevnosť;
• dielektrická konštanta;
• dielektrická strata;
• objemový odpor;
• odozva na vlhkosť;
• dlhodobá elektrická spoľahlivosť
• závisí od kompletného vytvrdeného systému.

Relevantné premenné môžu zahŕňať matricu živice, náplň plniva, distribúciu častíc, nečistoty, vlhkosť, disperziu, stav rozhrania a proces vytvrdzovania.

Z tohto dôvodu by mala byť elektrická izolácia potvrdená použitím zamýšľaného zloženia a vhodných testovacích podmienok, a nie len odvodzovaním z prítomnosti oxidu hlinitého.

Presné lapovanie a leštenie

Biely tavený oxid hlinitý je zavedený ako brúsny materiál a jeho vysoká tvrdosť ho robí dôležitým pre procesy mechanického odstraňovania materiálu.

Vo výrobe súvisiacej s elektronikou sa brúsne prášky môžu použiť na brúsenie, lapovanie alebo mechanické leštenie vhodných materiálov. Výber brusiva však musí zodpovedať podkladu a požadovanému stavu povrchu.

Relevantné úvahy zahŕňajú:

• veľkosť abrazívnych častíc;
• distribúcia veľkosti častíc;
• obsah hrubých častíc;
• morfológia častíc;
• požiadavky na odstraňovanie materiálu;
• požiadavky na povrchovú úpravu;
• prijateľné podpovrchové poškodenie;
• disperzie a správanie v kaši, ak je to vhodné.

Konzistencia veľkosti častíc je obzvlášť dôležitá pri presnom dokončovaní. Hrubé častice a aglomeráty môžu zvýšiť riziko poškriabania alebo iných povrchových defektov.

Preto skutočnosť, že WFA je jemné brúsivo, sama osebe nezaručuje vhodnosť pre každý proces precíznej elektroniky.

CMP: Dôležité rozdiely a obmedzenia

Chemická mechanická planarizácia (CMP) sa zásadne líši od bežného brúsenia alebo lapovania.

CMP kombinuje mechanickú interakciu medzi abrazívnymi časticami, leštiacou podložkou a obrobkom s chemickými interakciami z kalu. Typ abrazíva, veľkosť častíc, distribúcia veľkosti, aglomerácia, stabilita suspenzie, chémia a podmienky procesu, to všetko môže ovplyvniť správanie pri odstraňovaní a tvorbu defektov.

Literatúra CMP zahŕňa abrazívne systémy na báze oxidu kremičitého, céru a oxidu hlinitého, čo dokazuje, že oxid hlinitý ako chemická skupina nie je všeobecne vylúčený z CMP.

To však neznamená, že s bežným priemyselným mikropráškom bieleho taveného oxidu hlinitého by sa malo zaobchádzať ako s polovodičovým CMP abrazívom.

Brúsivá CMP sú navrhnuté pre konkrétny proces leštenia a môžu vyžadovať prísne kontrolované:

• veľkosť a distribúcia častíc;
• kontrola veľkých častíc alebo aglomerátov;
• stabilita disperzie;
• chemická čistota;
• suspenzná chémia;
• interakcia s cieľovým materiálom;
• výkon pri povrchových defektoch.

Výskum mechanizmov defektov CMP ukazuje, že brúsna aglomerácia a abnormálne častice môžu prispieť k tvorbe škrabancov.

V súlade s tým by obyčajný mikroprášok WFA nemal byť reprezentovaný ako vhodný pre polovodičové CMP jednoducho preto, že v niektorých špecializovaných systémoch CMP sa používajú aluminové abrazíva.

Mechanické lapovanie, brúsenie, konvenčné leštenie a polovodičové CMP by sa preto mali pri výbere materiálu považovať za samostatné kategórie aplikácií.

Úvahy o elektronických laminátoch

V elektronických laminátoch a polymérnych kompozitoch môžu byť anorganické plnivá zvolené tak, aby modifikovali tepelné, elektrické, mechanické, rozmerové alebo spracovateľské charakteristiky.

Ak sa mikroprášok bieleho taveného oxidu hlinitého hodnotí pre takúto formuláciu, jeho vhodnosť by sa mala určiť na základe požiadaviek na kompletný laminátový systém.

Relevantné úvahy môžu zahŕňať:

• morfológia plniva;
• distribúcia veľkosti častíc;
• nakladanie plniva;
• správanie pri obrábaní alebo vŕtaní;
• kompatibilita s polymérmi;
• viskozita prípravku;
• dielektrické vlastnosti;
• správanie pri tepelnej rozťažnosti;
• mechanický výkon.

Pre vysokofrekvenčné elektronické materiály sú dielektrická konštanta a dielektrická strata konštrukčnými parametrami na úrovni systému. Účinok akéhokoľvek plniva obsahujúceho oxid hlinitý je preto potrebné určiť v skutočnej formulácii laminátu a v príslušných prevádzkových podmienkach.

WFA by sa nemalo považovať za zameniteľné s inými umelými anorganickými plnivami len preto, že tieto materiály sa používajú aj v elektronických polymérnych systémoch.

Prečo WFA nie je zameniteľný s inými plnivami oxidu hlinitého

Termín plnivo z oxidu hlinitého zahŕňa materiály s rôznymi výrobnými metódami, morfológiou, štruktúrou častíc, zložením a špecifikáciami.

Napríklad:

• Biely tavený oxid hlinitý sa vyrába tavením, po ktorom nasleduje drvenie a triedenie častíc.
• Sférický oxid hlinitý je navrhnutý tak, aby poskytoval morfológiu zaoblených častíc a je široko študovaný pre tepelne vodivé polymérne systémy.
• Kalcinovaný oxid hlinitý sa vyrába skôr tepelným spracovaním ako fúziou a môže mať odlišné vlastnosti častíc.
• Elektronický oxid hlinitý sa vzťahuje na druhy riadené tak, aby spĺňali špecifické požiadavky na elektronické materiály, a nie jednotnú univerzálnu špecifikáciu čistoty alebo častíc.

Všetky tieto materiály môžu obsahovať Al203, ale samotná chemická identita ich nezamieňa.

Výber triedy by preto mal byť založený na skutočných špecifikáciách prášku a testovaní aplikácie.

Kľúčové parametre materiálu pre hodnotenie aplikácie

Distribúcia veľkosti častíc a kontrola hrubých častíc

Distribúcia veľkosti častíc je dôležitým parametrom pre plniace aj brúsne aplikácie.

Pre polymérne systémy môže ovplyvniť:

• balenie;
• viskozita prípravku;
• disperzia;
• nakladanie plniva;
• konečné zložené správanie.
• Pri abrazívnych procesoch môže ovplyvniť:
• správanie pri odstraňovaní;
• povrchová úprava;
• riziko poškriabania;
• konzistencia procesu.

ISO 8486-2:2007 poskytuje uznávanú metódu na určenie alebo kontrolu distribúcie veľkosti mikrozrnitostí taveného oxidu hlinitého od F230 do F2000, vrátane voľných zŕn používaných pri leštení.

Špecifické požiadavky na veľkosť častíc pre elektronickú aplikáciu by sa však mali definovať podľa tejto aplikácie a nie predpokladať zo všeobecnej klasifikácie abrazíva.

Čistota a príslušné nečistoty

Chemické zloženie a úrovne nečistôt sa môžu stať čoraz dôležitejšími, pretože požiadavky na materiál sú čoraz náročnejšie.

Kupujúci by preto mali posúdiť dostupnú špecifikáciu triedy pre:

• obsah oxidu hlinitého;
• príslušné oxidové nečistoty;
• kontaminanty citlivé na aplikáciu, ak je to vhodné;
• konzistencia medzi výrobnými šaržami.

Žiadny jednotlivý limit nečistôt by sa nemal uplatňovať univerzálne na všetky aplikácie súvisiace s elektronikou.

Morfológia častíc

Morfológia častíc ovplyvňuje abrazívne správanie aj spracovanie polyméru.

Rozdrvený tavený oxid hlinitý bežne vykazuje charakteristiky uhlových častíc, zatiaľ čo upravený sférický oxid hlinitý má odlišné balenie a reologický profil.

Preferovaná morfológia závisí od toho, či sa materiál hodnotí predovšetkým ako:

• abrazívum;
• časticové plnivo;
• časť kaše;
• súčasť vysoko plnenej polymérnej formulácie.

Stav a úprava povrchu, kde je to relevantné

Stav povrchu môže ovplyvniť zmáčanie, disperziu, interakciu vlhkosti a správanie plniva a matrice.

Povrchová modifikácia alebo úprava kopulačným činidlom sa používa v niektorých výskumoch oxidu hlinitého/polyméru a komerčných formuláciách na úpravu medzifázového správania.

Povrchová úprava však nie je univerzálnym predpokladom pre každú aplikáciu WFA. Jeho účinok by sa mal vyhodnotiť v zamýšľanom systéme živice alebo nosiča.

Disperzné a aglomeračné správanie

Disperzia je dôležitá v plnených polyméroch aj v abrazívnych suspenziách.

Slabá disperzia alebo aglomerácia môže spôsobiť nerovnomerné formulácie, nekonzistentnú reológiu alebo nežiaduce povrchové defekty pri presných abrazívnych procesoch.

Najmä výskum CMP demonštruje dôležitosť stability kalu a kontroly veľkých častíc pri minimalizácii mikroškrabancov a súvisiacich defektov.

Konzistencia dávky

Ak je proces súvisiaci s elektronikou citlivý na častice alebo chemické zmeny, konzistencia medzi jednotlivými šaržami môže byť dôležitá pre riadenie procesu.

Relevantné parametre môžu zahŕňať distribúciu veľkosti častíc, chemické zloženie, vlhkosť alebo iné špecifické špecifikácie.

Požadovaná konzistencia by mala byť definovaná podľa zamýšľaného procesu a špecifikácie zákazníka.

Dokumentácia a informácie o podpore

V závislosti od aplikácie a dodávateľa môžu užitočné dokumenty zahŕňať:

• Technický list (TDS);
• Karta bezpečnostných údajov (KBÚ);
• Certifikát analýzy (COA);
• testovacie údaje špecifické pre šaržu;
• informácie o teste veľkosti častíc;
• technickú príručku pre konkrétnu aplikáciu.

Tieto dokumenty slúžia na rôzne účely a nemali by sa považovať za vzájomne zameniteľné.

Čo by si kupujúci a procesní inžinieri mali overiť

Informácie o prášku a stupni

Pri hodnoteníBiely mikroprášok z taveného oxidu hlinitéhov prípade aplikácií súvisiacich s elektronikou by nákupcovia a procesní inžinieri mali preskúmať, ak je to relevantné a dostupné:

• presná trieda produktu;
• distribúcia veľkosti častíc a metóda merania;
• špecifikácia hrubých častíc alebo nadmerných rozmerov, ak sú poskytnuté;
• chemické zloženie;
• obsah oxidu hlinitého;
• relevantné informácie o nečistotách;
• morfológia častíc;
• prípadne špecifikácia vlhkosti;
• informácie o rozptyle, ak sú dostupné;
• povrchová úprava, ak je to vhodné;
• informácie o kvalite šarže;
• TDS;
• KBÚ;
• COA alebo ekvivalentné údaje o šarži, ak sú dodané.

Overenie špecifické pre aplikáciu

Materiálová dokumentácia je len východiskovým bodom.

Vhodnosť by sa mala posúdiť za podmienok reprezentujúcich zamýšľanú aplikáciu.

V závislosti od použitia môže validácia zahŕňať:

• kompatibilita formulácie;
• správanie pri miešaní a disperzii;
• viskozita spracovania;
• tepelné testovanie;
• dielektrické testovanie;
• mechanické testovanie;
• hodnotenie rozmerovej stability;
• správanie pri odstraňovaní abrazívneho materiálu;
• hodnotenie drsnosti povrchu alebo defektov;
• príslušné testovanie spoľahlivosti.

Príslušné testy závisia od skutočného konečného použitia.

Obmedzenia a hranice aplikácií

Biely mikroprášok z taveného oxidu hlinitého by sa nemal považovať za vhodný pre každú aplikáciu súvisiacu s elektronikou bez hodnotenia špecifického pre triedu a proces.

Medzi dôležité hranice patria:

• Polovodičový CMP:Bežný priemyselný mikroprášok WFA by sa nemal automaticky považovať za polovodičové CMP abrazívum. CMP vyžaduje špecifickú procesnú kvalifikáciu brusiva a kalu.
• Špecializované elektronické výplne:WFA by sa nemalo považovať za priamo zameniteľné so sférickým oxidom hlinitým alebo inými plnivami špeciálne navrhnutými pre elektronické polymérové ​​systémy.
• Elektrická izolácia:Oxid hlinitý je elektricky izolujúci, ale konečný dielektrický výkon patrí do kompletného formulovaného systému.
• Tepelný manažment:Samotný výber plniva oxidu hlinitého neurčuje tepelnú vodivosť hotového TIM, zapuzdrovacej alebo zalievacej zmesi.
• Elektronické lamináty:Vhodnosť závisí od celkového dizajnu živice/plniva, spôsobu spracovania, elektrických požiadaviek a podmienok aplikácie.
• Presné abrazívne spracovanie:Samotná veľkosť jemných častíc nezaručuje vhodnosť. Musí sa zvážiť aj distribúcia veľkosti častíc, aglomerácia, kompatibilita substrátu a požiadavky na kvalitu povrchu.

Záver

White Fused Alumina Micro Powder možno zvážiť pre vybrané aplikácie súvisiace s elektronikou, ale nie je to univerzálny elektronický materiál.

Jeho najdôležitejšie úlohy vyplývajú z dvoch rôznych materiálových funkcií: jeho použitie ako vysokotvrdého aluminového brusiva v príslušných mechanických dokončovacích procesoch a jeho možné vyhodnotenie ako plniva s obsahom oxidu hlinitého vo vybraných polymérnych systémoch.

Pri tepelnom manažmente, zapuzdrení, lamináte alebo iných elektronických materiálových aplikáciách konečný výkon závisí skôr od kompletnej formulácie než od samotnej WFA.

Podobne by sa obyčajný priemyselný mikroprášok WFA nemal porovnávať s umelými brusivami CMP jednoducho preto, že častice oxidu hlinitého sa používajú v niektorých systémoch CMP.

Technicky správny proces výberu by mal preto začať s presnou triedou a špecifikáciou prášku, po ktorom by malo nasledovať vyhodnotenie distribúcie veľkosti častíc, morfológie, zloženia, nečistôt, disperzného správania, dokumentácie a testovania špecifického pre aplikáciu.

Referencie

1. Schafföner, S., Dietze, C., Möhmel, S., Fruhstorfer, J., & Aneziris, CG (2017). Žiaruvzdorné materiály obsahujúce tavené a spekané agregáty oxidu hlinitého: Skúmanie spracovania, distribúcie veľkosti častíc a morfológie častíc.Medzinárodná keramika, 43(5), 4252-4262. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.12.067.
2. Ouyang, Y., Bai, L., Tian, ​​H., Li, X., & Yuan, F. (2022). Najnovší vývoj tepelne vodivých plotových kompozitov: Al₂O₃ plnivá, vlastnosti a aplikácie.Kompozity Časť A: Aplikovaná veda a výroba, 152, 106685. DOI: 10.1016/j.compositesa.2021.106685.
3. Anithambigai, P., Dheepan Chakravarthii, MK, Mutharasu, D., Huong, LH, Zahner, T., Lacey, D., & Kamarulazizi, I. (2017). Potenciálne tepelne vodivý epoxidový kompozit plnený oxidom hlinitým pre tepelný manažment vysokovýkonných LED.Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 28(1), 856-867. DOI: 10.1007/s10854-016-5600-4.
4. Raghavan, S., Keswani, M., & Jia, R. (2008). Partikulárna veda a technika v inžinierstve kalov pre chemicko-mechanickú planarizáciu.KONA Powder and Particle Journal, 26, 94-105. DOI: 10.14356/kona.2008010.
5. Kwon, T.-Y., Ramachandran, M., & Park, J.-G. (2013). Vznik škrabancov a jeho mechanizmus pri chemicko-mechanickej planarizácii (CMP).Trenie, 1(4), 279-305. DOI: 10.1007/s40544-013-0026-y.
6. Medzinárodná organizácia pre normalizáciu. (2007).ISO 8486-2:2007 - Lepené brusivá - Stanovenie a označenie zrnitosti - Časť 2: Mikrozrná F230 až F2000. ISO.