Czy biały proszek tlenku glinu można stosować w przemyśle elektronicznym?

Wstęp

Przemysł elektroniczny obejmuje szeroki zakres procesów produkcyjnych i wymagań materiałowych, w tym produkcję półprzewodników, opakowania elektroniczne, systemy izolacyjne na bazie polimerów, zarządzanie temperaturą i precyzyjną obróbkę powierzchni.

Mikroproszek z białego stopionego tlenku glinu (WFA).to materiał ścierny na bazie tlenku glinu o wysokiej twardości, który ma ugruntowaną pozycję w konwencjonalnych zastosowaniach, takich jak materiały ścierne, docieranie, wykańczanie powierzchni i systemy ogniotrwałe. Jego potencjalne zastosowanie w zastosowaniach związanych z elektroniką wymaga jednak dokładniejszej kwalifikacji.

Na to, czy mikroproszek z białego stopionego tlenku glinu nadaje się do zastosowań w elektronice, nie można odpowiedzieć prostym tak lub nie. Przydatność zależy od konkretnego gatunku proszku, charakterystyki cząstek, składu chemicznego, receptury, metody przetwarzania i wymagań kwalifikacyjnych specyficznych dla zastosowania.

Z tego powodu WFA należy oceniać jako materiał specyficzny dla gatunku, a nie traktować jako uniwersalny wypełniacz elektroniczny, materiał termozarządzający, wypełniacz laminowany lub półprzewodnikowy materiał ścierny polerski.

Co to jest mikroproszek z białego stopionego tlenku glinu?

Biały stopiony tlenek glinu wytwarza się przez stapianie kalcynowanego tlenku glinu w elektrycznym piecu łukowym. Po stopieniu materiał jest schładzany, a następnie przetwarzany poprzez kruszenie, mielenie i klasyfikację cząstek w celu uzyskania wymaganej wielkości ziarna lub mikroproszku.

Materiał składa się głównie z α-Al₂O₃ i różni się od innych produktów z tlenku glinu metodą produkcji i wynikającą strukturą cząstek.

Komercyjne mikroproszki WFA mogą różnić się właściwościami, takimi jak:

• rozkład wielkości cząstek;
• morfologia cząstek;
• skład chemiczny;
• profil zanieczyszczeń;
• stan powierzchni;
• zachowanie aglomeracyjne;
• specyfikacje jakości specyficzne dla danego gatunku.

Różnice te są szczególnie ważne, gdy rozważa się zastosowanie WFA w zastosowaniach związanych z elektroniką, gdzie wymagane specyfikacje mogą znacznie różnić się od tych stosowanych w konwencjonalnych zastosowaniach ściernych lub ogniotrwałych.

Charakterystyka materiału rdzenia

Biały stopiony tlenek glinu to ceramiczny materiał ścierny o wysokiej twardości, charakteryzujący się stabilnością chemiczną i termiczną charakterystyczną dla materiałów z tlenku glinu. Tlenek glinu jest również powszechnie uznawany za ceramikę izolującą elektrycznie.

Należy jednak rozdzielić trzy różne poziomy zachowań materialnych:

• Wewnętrzne właściwości tlenku glinu, takie jak twardość ceramiki i właściwości elektroizolacyjne;
• Charakterystyka proszku, w tymrozkład wielkości cząstek, morfologia, skład, zanieczyszczenia, stan powierzchni i aglomeracja;
• Właściwości gotowego systemu, takie jak przewodność cieplna kompozytu, wydajność dielektryczna, reologia, właściwości mechaniczne, zachowanie wymiarowe i niezawodność.

To rozróżnienie jest ważne, ponieważ wydajności elektronicznego kompozytu polimerowego lub procesu polerowania nie można przewidzieć na podstawie samej tożsamości chemicznej proszku WFA.

Potencjalne zastosowania związane z elektroniką

Systemy polimerowe zarządzające temperaturą

Wypełniacze z tlenku glinu są szeroko badane i stosowane w przewodzących ciepło, elektrycznie izolujących kompozytach polimerowych do zastosowań w elektronicznym zarządzaniu ciepłem.

Mikroproszek z białego stopionego tlenku glinu można zatem ocenić jako potencjalny wypełniacz z tlenku glinu w wybranych układach polimerowych. Jednakże jego przydatność zależy od wymagań konkretnego preparatu.

Konwencjonalne cząstki WFA powstają w wyniku kruszenia i mielenia i mogą mieć morfologię kątową lub nieregularną. Dla porównania, sferyczne produkty z tlenku glinu są specjalnie zaprojektowane tak, aby zapewnić zaokrągloną geometrię cząstek i mogą oferować korzyści w zakresie zachowania upakowania, płynności i kontroli lepkości w niektórych układach polimerowych o dużym wypełnieniu.

Nie oznacza to, że kątowy WFA jest z natury bezużyteczny jako wypełniacz. Oznacza to, że nie należy zakładać, że WFA zachowuje się identycznie jak sferyczne lub inne gatunki tlenku glinu technicznego.

Kiedy tlenek glinu jest włączany do matrycy polimerowej, na przewodność cieplną gotowego kompozytu mogą wpływać takie czynniki, jak:

• ładowanie wypełniacza;
• rozkład wielkości cząstek;
• morfologia cząstek;
• chemia polimerów;
• dyspersja cząstek;
• interfejsy wypełniacz-matryca;
• obróbka powierzchniowa, jeśli jest stosowana;
• warunki przetwarzania i utwardzania.

Prace eksperymentalne nad systemami epoksydowymi wypełnionymi tlenkiem glinu potwierdzają, że charakterystyka cząstek i warunki formułowania mogą znacząco wpływać na reakcję termiczną powstałego kompozytu.

W niektórych recepturach można również rozważyć obróbkę powierzchniową w celu modyfikacji interakcji dyspersji lub wypełniacza z matrycą, ale jej przydatność zależy od receptury i należy ją oceniać, a nie zakładać.

Systemy elektryczne i hermetyzacyjne

Tlenek glinu jest materiałem ceramicznym izolującym elektrycznie, a polimery wypełnione tlenkiem glinu są stosowane w wybranych zastosowaniach związanych z izolacją elektryczną i opakowaniami elektronicznymi.

Mikroproszek z białego stopionego tlenku glinu można ocenić jako wypełniacz w takich systemach, ale właściwości elektryczne gotowego materiału należy odróżnić od właściwości samego tlenku glinu.

Właściwości takie jak:

• wytrzymałość dielektryczna;
• stała dielektryczna;
• straty dielektryczne;
• rezystywność objętościowa;
• reakcja na wilgoć;
• długoterminowa niezawodność elektryczna
• zależą od całkowicie utwardzonego systemu.

Odpowiednie zmienne mogą obejmować matrycę żywicy, zawartość wypełniacza, rozkład cząstek, zanieczyszczenia, wilgoć, dyspersję, stan międzyfazowy i proces utwardzania.

Z tego powodu właściwości izolacji elektrycznej należy potwierdzić przy użyciu zamierzonej receptury i odpowiednich warunków testowych, a nie wnioskować wyłącznie na podstawie obecności tlenku glinu.

Precyzyjne docieranie i polerowanie

Biały stopiony tlenek glinu jest uznawany za materiał ścierny, a jego wysoka twardość sprawia, że ​​ma zastosowanie w procesach mechanicznego usuwania materiału.

W produkcji związanej z elektroniką proszki ścierne mogą być stosowane do szlifowania, docierania lub mechanicznego polerowania odpowiednich materiałów. Jednakże dobór ścierniwa musi być dostosowany do podłoża i pożądanego stanu powierzchni.

Istotne kwestie obejmują:

• wielkość cząstek ściernych;
• rozkład wielkości cząstek;
• zawartość gruboziarnistych cząstek;
• morfologia cząstek;
• wymagania dotyczące usuwania materiału;
• wymagania dotyczące wykończenia powierzchni;
• dopuszczalne uszkodzenia podpowierzchniowe;
• dyspersja i zachowanie zawiesiny, tam gdzie ma to zastosowanie.

Konsystencja wielkości cząstek jest szczególnie ważna w precyzyjnym wykańczaniu. Grube cząstki i aglomeraty mogą zwiększać ryzyko zarysowania lub innych wad powierzchni.

Dlatego fakt, że WFA jest drobnym materiałem ściernym, sam w sobie nie oznacza przydatności do każdego procesu związanego z elektroniką precyzyjną.

CMP: Ważne rozróżnienia i ograniczenia

Planaryzacja chemiczno-mechaniczna (CMP) zasadniczo różni się od konwencjonalnego szlifowania lub docierania.

CMP łączy mechaniczne oddziaływanie cząstek ściernych, podkładki polerskiej i przedmiotu obrabianego z oddziaływaniami chemicznymi szlamu. Rodzaj ścierniwa, wielkość cząstek, rozkład wielkości, aglomeracja, stabilność zawiesiny, skład chemiczny i warunki procesu mogą wpływać na zachowanie usuwania i powstawanie defektów.

Literatura dotycząca CMP obejmuje systemy ścierne na bazie krzemionki, ceru i tlenku glinu, co pokazuje, że tlenek glinu jako rodzina chemiczna nie jest powszechnie wykluczona z CMP.

Nie oznacza to jednak, że zwykły przemysłowy mikroproszek z białego topionego tlenku glinu należy traktować jako półprzewodnikowy materiał ścierny CMP.

Materiały ścierne CMP są zaprojektowane do konkretnego procesu polerowania i mogą wymagać ścisłej kontroli:

• wielkość i rozkład cząstek;
• kontrola dużych cząstek lub aglomeratów;
• stabilność dyspersji;
• czystość chemiczna;
• chemia zawiesiny;
• interakcja z materiałem docelowym;
• wydajność w przypadku wad powierzchniowych.

Badania nad mechanizmami defektów CMP pokazują, że aglomeracje ścierne i nieprawidłowe cząstki mogą przyczyniać się do powstawania zarysowań.

W związku z tym zwykły mikroproszek WFA nie powinien być przedstawiany jako odpowiedni do półprzewodnikowego CMP po prostu dlatego, że w niektórych wyspecjalizowanych systemach CMP stosowane są materiały ścierne z tlenku glinu.

Dlatego docieranie mechaniczne, szlifowanie, polerowanie konwencjonalne i CMP półprzewodników należy traktować jako odrębne kategorie zastosowań podczas wyboru materiału.

Zagadnienia dotyczące laminatu elektronicznego

W laminatach elektronicznych i kompozytach polimerowych można wybrać wypełniacze nieorganiczne w celu modyfikacji właściwości termicznych, elektrycznych, mechanicznych, wymiarowych lub przetwórczych.

W przypadku oceny mikroproszku białego topionego tlenku glinu pod kątem takiej receptury, jego przydatność należy określić na podstawie wymagań kompletnego systemu laminatu.

Odpowiednie uwagi mogą obejmować:

• morfologia wypełniacza;
• rozkład wielkości cząstek;
• ładowanie wypełniacza;
• zachowanie podczas obróbki lub wiercenia;
• kompatybilność polimerów;
• lepkość preparatu;
• właściwości dielektryczne;
• zachowanie związane z rozszerzalnością cieplną;
• wydajność mechaniczna.

W przypadku materiałów elektronicznych o wysokiej częstotliwości stała dielektryczna i strata dielektryczna są parametrami projektowymi na poziomie systemu. Dlatego też należy określić wpływ dowolnego wypełniacza zawierającego tlenek glinu na podstawie rzeczywistej receptury laminatu i odpowiednich warunków pracy.

Nie należy zakładać, że WFA jest wymienny z innymi modyfikowanymi wypełniaczami nieorganicznymi tylko dlatego, że materiały te są również stosowane w elektronicznych układach polimerowych.

Dlaczego WFA nie można stosować zamiennie z innymi wypełniaczami z tlenku glinu

Termin wypełniacz z tlenku glinu obejmuje materiały o różnych metodach produkcji, morfologii, strukturze cząstek, składzie i specyfikacjach.

Na przykład:

• Biały stopiony tlenek glinu wytwarza się przez stapianie, a następnie kruszenie i klasyfikację cząstek.
• Sferyczny tlenek glinu został zaprojektowany tak, aby zapewnić zaokrągloną morfologię cząstek i jest szeroko badany pod kątem systemów polimerów przewodzących ciepło.
• Kalcynowany tlenek glinu jest wytwarzany w wyniku obróbki termicznej, a nie stapiania i może mieć inną charakterystykę cząstek.
• Tlenek glinu klasy elektronicznej odnosi się do gatunków kontrolowanych pod kątem spełnienia określonych wymagań dotyczących materiałów elektronicznych, a nie jednej uniwersalnej specyfikacji czystości lub cząstek.

Wszystkie te materiały mogą zawierać Al₂O₃, ale sama tożsamość chemiczna nie czyni ich wymiennymi.

Dlatego wybór gatunku powinien opierać się na rzeczywistych specyfikacjach proszku i testach zastosowań.

Kluczowe parametry materiałowe do oceny aplikacji

Dystrybucja wielkości cząstek i kontrola dużych cząstek

Rozkład wielkości cząstek jest ważnym parametrem zarówno w przypadku zastosowań wypełniaczy, jak i materiałów ściernych.

W przypadku systemów polimerowych może wpływać na:

• uszczelka;
• lepkość preparatu;
• dyspersja;
• ładowanie wypełniacza;
• końcowe zachowanie złożone.
• W przypadku procesów ściernych może to mieć wpływ na:
• zachowanie podczas usuwania;
• wykończenie powierzchni;
• ryzyko zarysowania;
• spójność procesu.

W normie ISO 8486-2:2007 podano uznaną metodę określania lub sprawdzania rozkładu wielkości mikroziarnistości topionego tlenku glinu od F230 do F2000, w tym luźnych ziaren stosowanych do polerowania.

Jednakże specyficzne wymagania dotyczące wielkości cząstek w zastosowaniach elektronicznych należy zdefiniować zgodnie z tym zastosowaniem, a nie zakładać na podstawie ogólnej klasyfikacji ścierniwa.

Czystość i istotne zanieczyszczenia

Skład chemiczny i poziom zanieczyszczeń mogą zyskiwać na znaczeniu w miarę zwiększania się wymagań materiałowych.

Kupujący powinni zatem ocenić dostępną specyfikację gatunku pod kątem:

• zawartość tlenku glinu;
• odpowiednie zanieczyszczenia tlenkowe;
• zanieczyszczenia wrażliwe na zastosowanie, tam gdzie ma to zastosowanie;
• spójność pomiędzy partiami produkcyjnymi.

Żaden pojedynczy limit zanieczyszczeń nie powinien być powszechnie stosowany do wszystkich zastosowań związanych z elektroniką.

Morfologia cząstek

Morfologia cząstek wpływa zarówno na zachowanie ścierne, jak i na obróbkę polimeru.

Kruszony stopiony tlenek glinu zwykle wykazuje charakterystykę cząstek kątowych, podczas gdy modyfikowany sferyczny tlenek glinu ma inny profil upakowania i reologiczny.

Preferowana morfologia zależy od tego, czy materiał jest oceniany przede wszystkim jako:

• materiał ścierny;
• wypełniacz w postaci cząstek;
• część zawiesiny;
• część preparatu polimerowego o dużej zawartości wypełniacza.

Stan powierzchni i obróbka, jeśli ma to zastosowanie

Stan powierzchni może wpływać na zwilżanie, dyspersję, interakcję wilgoci i zachowanie wypełniacza-matrycy.

W niektórych badaniach nad tlenkiem glinu/polimerem i w komercyjnych preparatach stosuje się modyfikację powierzchni lub obróbkę środkiem sprzęgającym w celu modyfikacji zachowania międzyfazowego.

Jednakże obróbka powierzchni nie jest uniwersalnym warunkiem wstępnym dla każdego zastosowania WFA. Jego działanie należy ocenić w zamierzonej żywicy lub systemie nośnika.

Zachowanie w zakresie dyspersji i aglomeracji

Dyspersja jest ważna zarówno w przypadku polimerów wypełnionych, jak i zawiesin ściernych.

Słaba dyspersja lub aglomeracja może powodować niejednorodne receptury, niespójną reologię lub niepożądane defekty powierzchni w precyzyjnych procesach ściernych.

Badania CMP w szczególności pokazują znaczenie stabilności zawiesiny i kontroli dużych cząstek w minimalizowaniu mikrozarysowań i powiązanych defektów.

Spójność partii

Tam, gdzie proces związany z elektroniką jest wrażliwy na zmiany cząstek lub substancji chemicznych, spójność między partiami może być ważna dla kontroli procesu.

Odpowiednie parametry mogą obejmować rozkład wielkości cząstek, skład chemiczny, wilgotność lub inne specyfikacje specyficzne dla gatunku.

Wymaganą konsystencję należy określić zgodnie z zamierzonym procesem i specyfikacją klienta.

Dokumentacja i informacje dotyczące wsparcia

W zależności od zastosowania i dostawcy przydatne dokumenty mogą obejmować:

• Karta danych technicznych (TDS);
• Karta Charakterystyki (SDS);
• Certyfikat analizy (COA);
• dane testowe specyficzne dla partii;
• informacje dotyczące badania wielkości cząstek;
• wskazówki techniczne dotyczące konkretnego zastosowania.

Dokumenty te służą różnym celom i nie należy ich traktować jako wymienne.

Co powinni zweryfikować kupujący i inżynierowie procesu

Informacje o proszku i gatunku

Podczas ocenianiaMikroproszek z białego stopionego tlenku glinuw przypadku zastosowań związanych z elektroniką nabywcy i inżynierowie procesu powinni dokonać przeglądu, jeśli jest to stosowne i dostępne:

• dokładna klasa produktu;
• rozkład wielkości cząstek i metoda pomiaru;
• specyfikacja dotycząca cząstek gruboziarnistych lub nadwymiarowych, jeśli przewidziano;
• skład chemiczny;
• zawartość tlenku glinu;
• istotne informacje na temat zanieczyszczeń;
• morfologia cząstek;
• specyfikacja wilgotności, jeśli ma to zastosowanie;
• informacje dotyczące dyspersji, jeżeli są dostępne;
• obróbka powierzchniowa, jeśli ma to zastosowanie;
• informacje o jakości partii;
• TDS;
• Karta charakterystyki;
• Dane COA lub równoważne dane partii, jeśli zostały dostarczone.

Walidacja specyficzna dla aplikacji

Dokumentacja materiałowa to dopiero punkt wyjścia.

Przydatność należy ocenić w warunkach reprezentatywnych dla zamierzonego zastosowania.

W zależności od zastosowania walidacja może obejmować:

• zgodność receptury;
• zachowanie podczas mieszania i dyspersji;
• lepkość przetwarzania;
• badania termiczne;
• badania dielektryczne;
• badania mechaniczne;
• ocena stabilności wymiarowej;
• zachowanie przy usuwaniu ścierniwa;
• chropowatość powierzchni lub ocena defektów;
• odpowiednie testy niezawodności.

Odpowiednie badania zależą od rzeczywistego zastosowania końcowego.

Ograniczenia i granice zastosowań

Nie należy zakładać, że mikroproszek białego topionego tlenku glinu nadaje się do każdego zastosowania związanego z elektroniką bez oceny specyficznej dla gatunku i procesu.

Do ważnych granic należą:

• Półprzewodnik CMP:Zwykły przemysłowy mikroproszek WFA nie powinien być automatycznie traktowany jako półprzewodnikowy materiał ścierny CMP. CMP wymaga kwalifikacji ścierniwa i zawiesiny specyficznej dla procesu.
• Specjalistyczne wypełniacze elektroniczne:WFA nie należy traktować jako bezpośrednio zamiennego z sferycznym tlenkiem glinu lub innymi wypełniaczami opracowanymi specjalnie dla elektronicznych systemów polimerowych.
• Izolacja elektryczna:Tlenek glinu jest izolacją elektryczną, ale ostateczna wydajność dielektryczna należy do całego opracowanego systemu.
• Zarządzanie ciepłem:Sam wybór wypełniacza z tlenku glinu nie określa przewodności cieplnej gotowego TIM, kapsułki lub masy do zalewania.
• Laminaty elektroniczne:Przydatność zależy od kompletnego projektu żywicy/wypełniacza, metody przetwarzania, wymagań elektrycznych i warunków stosowania.
• Precyzyjna obróbka ścierna:Sam rozmiar drobnych cząstek nie gwarantuje przydatności. Należy również wziąć pod uwagę rozkład wielkości cząstek, aglomerację, zgodność z podłożem i wymagania dotyczące jakości powierzchni.

Wniosek

Mikroproszek z białego stopionego tlenku glinu można rozważyć w wybranych zastosowaniach związanych z elektroniką, ale nie jest to uniwersalny materiał elektroniczny.

Jego najistotniejsza rola wynika z dwóch różnych funkcji materiału: zastosowania jako materiału ściernego na bazie tlenku glinu o wysokiej twardości w odpowiednich procesach wykańczania mechanicznego oraz jego ewentualnej oceny jako wypełniacza zawierającego tlenek glinu w wybranych układach polimerowych.

W przypadku zarządzania termicznego, hermetyzacji, laminowania lub innych zastosowań w materiałach elektronicznych ostateczna wydajność zależy od kompletnej receptury, a nie samego WFA.

Podobnie, zwykłego przemysłowego mikroproszku WFA nie należy utożsamiać ze specjalnymi materiałami ściernymi CMP tylko dlatego, że w niektórych systemach CMP stosowane są cząstki tlenku glinu.

Dlatego technicznie uzasadniony proces selekcji powinien rozpocząć się od dokładnego gatunku i specyfikacji proszku, a następnie ocenić rozkład wielkości cząstek, morfologię, skład, zanieczyszczenia, zachowanie dyspersji, dokumentację i testy specyficzne dla zastosowania.

Referencje

1. Schafföner, S., Dietze, C., Möhmel, S., Fruhstorfer, J. i Aneziris, CG (2017). Materiały ogniotrwałe zawierające topione i spiekane agregaty tlenku glinu: Badania nad przetwarzaniem, rozkładem wielkości cząstek i morfologią cząstek.Międzynarodowe Ceramika, 43(5), 4252–4262. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.12.067.
2. Ouyang, Y., Bai, L., Tian, ​​H., Li, X. i Yuan, F. (2022). Najnowsze postępy w dziedzinie kompozytów polimerowych przewodzących ciepło: napełniacze Al₂O₃, właściwości i zastosowanie.Kompozyty Część A: Nauki stosowane i produkcja, 152, 106685. DOI: 10.1016/j.compositesa.2021.106685.
3. Anithambigai, P., Dheepan Chakravarthii, MK, Mutharasu, D., Huong, LH, Zahner, T., Lacey, D. i Kamarulazizi, I. (2017). Potencjalnie przewodzący ciepło kompozyt epoksydowy wypełniony tlenkiem glinu do zarządzania ciepłem diod LED dużej mocy.Journal of Materials Science: Materiały w elektronice, 28(1), 856–867. DOI: 10.1007/s10854-016-5600-4.
4. Raghavan, S., Keswani, M. i Jia, R. (2008). Nauka i technologia cząstek stałych w inżynierii zawiesin do planaryzacji chemiczno-mechanicznej.KONA Dziennik proszków i cząstek, 26, 94–105. DOI: 10.14356/kona.2008010.
5. Kwon, T.-Y., Ramachandran, M. i Park, J.-G. (2013). Powstawanie zarysowań i ich mechanizm w planaryzacji chemiczno-mechanicznej (CMP).Tarcie, 1(4), 279–305. DOI: 10.1007/s40544-013-0026-y.
6. Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna. (2007).ISO 8486-2:2007 – Materiały ścierne spojone – Oznaczanie i oznaczanie rozkładu wielkości ziaren – Część 2: Mikrogryty F230 do F2000. ISO.