Može li se bijeli mikro prah od taljenog aluminijevog oksida koristiti u elektroničkoj industriji?

Uvod

Elektronička industrija pokriva širok raspon proizvodnih procesa i zahtjeva za materijalima, uključujući proizvodnju poluvodiča, elektroničko pakiranje, izolacijske sustave na bazi polimera, upravljanje toplinom i preciznu površinsku obradu.

Bijeli fuzionirani aluminij (WFA) mikro prahje abrazivni materijal visoke tvrdoće na bazi aluminijevog oksida koji je dobro uspostavljen u konvencionalnim primjenama kao što su abrazivi, lapping, završna obrada površina i vatrostalni sustavi. Međutim, njegova potencijalna uporaba u aplikacijama povezanim s elektronikom zahtijeva pažljiviju kvalifikaciju.

Je li bijeli fuzionirani aluminijev mikro prah prikladan za primjenu u elektronici ne može se odgovoriti s jednostavnim da ili ne. Prikladnost ovisi o specifičnoj vrsti praha, karakteristikama čestica, kemijskom sastavu, formulaciji, metodi obrade i zahtjevima kvalifikacije specifične za primjenu.

Iz tog razloga, WFA treba ocijeniti kao materijal za specifičan stupanj, a ne tretirati ga kao univerzalno elektroničko punilo, materijal za upravljanje toplinom, punilo za laminat ili abraziv za poliranje poluvodiča.

Što je bijeli fuzionirani aluminijev mikroprah?

Bijela taljena glinica proizvodi se taljenjem kalcinirane glinice u elektrolučnoj peći. Nakon fuzije, materijal se hladi i zatim obrađuje drobljenjem, mljevenjem i klasifikacijom čestica kako bi se dobila potrebna veličina zrna ili mikropraha.

Materijal se pretežno sastoji od α-Al₂O3 i razlikuje se od ostalih proizvoda od aluminijevog oksida prema proizvodnom putu i rezultirajućoj strukturi čestica.

Komercijalni WFA mikro prahovi mogu varirati u karakteristikama kao što su:

• raspodjela veličine čestica;
• morfologija čestica;
• kemijski sastav;
• profil nečistoća;
• stanje površine;
• aglomeracijsko ponašanje;
• specifikacije kvalitete specifične za stupanj.

Ove su razlike posebno važne kada se WFA razmatra za aplikacije povezane s elektronikom, gdje se potrebne specifikacije mogu znatno razlikovati od onih koje se koriste za konvencionalne abrazivne ili vatrostalne primjene.

Karakteristike materijala jezgre

Bijeli taljeni aluminijev oksid je keramički abraziv visoke tvrdoće s kemijskom i toplinskom stabilnošću karakterističnom za materijale od aluminijevog oksida. Glinica je također široko poznata kao električna izolacijska keramika.

Međutim, tri različite razine ponašanja materijala trebale bi biti odvojene:

• Intrinzične karakteristike aluminijevog oksida, kao što su keramička tvrdoća i električno izolacijsko ponašanje;
• Karakteristike kvalitete praha, uključujućidistribucija veličine čestica, morfologija, sastav, nečistoće, stanje površine i aglomeracija;
• Svojstva gotovog sustava, kao što su kompozitna toplinska vodljivost, dielektrična izvedba, reologija, mehanička svojstva, dimenzionalno ponašanje i pouzdanost.

Ova je razlika važna jer se izvedba elektroničkog polimernog kompozita ili postupka poliranja ne može predvidjeti samo na temelju kemijskog identiteta WFA praha.

Potencijalne primjene vezane uz elektroniku

Polimerni sustavi za upravljanje toplinom

Punila od aluminijevog oksida naširoko se istražuju i koriste u toplinski vodljivim, električno izolacijskim polimernim kompozitima za elektroničke primjene upravljanja toplinom.

Mikroprah bijelog taljenog aluminijevog oksida stoga se može ocijeniti kao jedno potencijalno punilo od aluminijevog oksida u odabranim polimernim sustavima. Međutim, njegova prikladnost ovisi o zahtjevima određene formulacije.

Konvencionalne WFA čestice proizvode se drobljenjem i mljevenjem i mogu imati kutnu ili nepravilnu morfologiju. Usporedbe radi, sferični proizvodi od aluminijevog oksida posebno su konstruirani za pružanje zaobljene geometrije čestica i mogu ponuditi prednosti u ponašanju pakiranja, tečljivosti i kontroli viskoznosti u nekim polimernim sustavima s velikim punjenjem.

To ne znači da je kutna WFA sama po sebi neupotrebljiva kao punilo. To znači da se ne bi trebalo pretpostaviti da se WFA ponaša identično sferičnom ili drugom konstruiranom stupnju glinice.

Kada je glinica ugrađena u polimernu matricu, na toplinsku vodljivost gotovog kompozita mogu utjecati čimbenici uključujući:

• punjenje punila;
• raspodjela veličine čestica;
• morfologija čestica;
• kemija polimera;
• disperzija čestica;
• sučelja punila i matrice;
• površinska obrada, ako se koristi;
• uvjete obrade i stvrdnjavanja.

Eksperimentalni rad na epoksidnim sustavima punjenim aluminijevim oksidom potvrđuje da karakteristike čestica i uvjeti formulacije mogu značajno utjecati na toplinski odgovor dobivenog kompozita.

Površinska obrada također se može razmotriti u nekim formulacijama za modificiranje disperzije ili interakcija punila i matrice, ali njena je korisnost specifična za formulaciju i treba je procijeniti, a ne pretpostaviti.

Električni i enkapsulacijski sustavi

Glinica je električki izolacijska keramika, a polimeri punjeni aluminijem oksidom koriste se u odabranim aplikacijama za električnu izolaciju i elektroničko pakiranje.

Bijeli taljeni mikroprah aluminijevog oksida može se ocijeniti kao punilo u takvim sustavima, ali treba razlikovati električne karakteristike gotovog materijala od onih samog aluminijevog oksida.

Svojstva kao što su:

• dielektrična čvrstoća;
• dielektrična konstanta;
• dielektrični gubitak;
• volumenski otpor;
• reakcija na vlagu;
• dugotrajna električna pouzdanost
• ovise o kompletnom stvrdnutom sustavu.

Relevantne varijable mogu uključivati ​​matricu smole, punjenje punila, distribuciju čestica, nečistoće, vlagu, disperziju, stanje međufaze i proces stvrdnjavanja.

Iz tog razloga, učinak električne izolacije treba potvrditi pomoću predviđene formulacije i odgovarajućih uvjeta ispitivanja, a ne zaključivati ​​samo na temelju prisutnosti glinice.

Precizno lepanje i poliranje

Bijeli taljeni aluminijev oksid poznat je kao abrazivni materijal, a njegova visoka tvrdoća čini ga relevantnim za mehaničke postupke uklanjanja materijala.

U proizvodnji povezanoj s elektronikom, abrazivni praškovi mogu se koristiti za brušenje, lapiranje ili mehaničko poliranje odgovarajućih materijala. Međutim, odabir abraziva mora odgovarati podlozi i željenom stanju površine.

Relevantna razmatranja uključuju:

• veličina abrazivnih čestica;
• raspodjela veličine čestica;
• sadržaj grubih čestica;
• morfologija čestica;
• zahtjevi za uklanjanje materijala;
• zahtjevi za završnu obradu površine;
• prihvatljiva oštećenja ispod površine;
• ponašanje disperzije i gnojnice gdje je primjenjivo.

Konzistencija veličine čestica posebno je važna u preciznoj završnoj obradi. Grube čestice i nakupine mogu povećati rizik od ogrebotina ili drugih površinskih oštećenja.

Stoga činjenica da je WFA fini abraziv sama po sebi ne potvrđuje prikladnost za svaki precizni elektronički proces.

CMP: Važne razlike i ograničenja

Kemijsko mehanička planarizacija (CMP) bitno se razlikuje od konvencionalnog brušenja ili lappinga.

CMP kombinira mehaničku interakciju između abrazivnih čestica, jastučića za poliranje i obratka s kemijskim interakcijama iz kaše. Vrsta abraziva, veličina čestica, raspodjela veličine, aglomeracija, stabilnost kaše, kemija i uvjeti procesa mogu utjecati na ponašanje uklanjanja i stvaranje nedostataka.

CMP literatura uključuje abrazivne sustave na bazi silicijevog dioksida, ceria i aluminijevog oksida, pokazujući da glinica kao obitelj kemikalija nije univerzalno isključena iz CMP-a.

Međutim, to ne znači da se obični industrijski bijeli fuzionirani aluminijski mikroprah treba tretirati kao poluvodički CMP abrazivni materijal.

CMP abrazivi izrađeni su za određeni postupak poliranja i mogu zahtijevati strogu kontrolu:

• veličina čestica i raspodjela;
• kontrola velikih čestica ili aglomerata;
• stabilnost disperzije;
• kemijska čistoća;
• kemija gnojnice;
• interakcija s ciljnim materijalom;
• performanse površinskih nedostataka.

Istraživanje mehanizama oštećenja CMP-a pokazuje da abrazivna aglomeracija i abnormalne čestice mogu pridonijeti stvaranju ogrebotina.

U skladu s tim, obični WFA mikro prah ne bi trebao biti predstavljen kao prikladan za poluvodičke CMP jednostavno zato što se abrazivi aluminijevog oksida koriste u nekim specijaliziranim CMP sustavima.

Mehaničko lepanje, brušenje, konvencionalno poliranje i CMP poluvodiča stoga treba tretirati kao zasebne kategorije primjene tijekom odabira materijala.

Razmatranja elektroničkog laminata

U elektroničkim laminatima i polimernim kompozitima mogu se odabrati anorganska punila za modificiranje toplinskih, električnih, mehaničkih, dimenzijskih ili obradnih karakteristika.

Tamo gdje se mikroprah bijelog taljenog aluminijevog oksida ocjenjuje za takvu formulaciju, njegovu prikladnost treba odrediti prema zahtjevima kompletnog laminatnog sustava.

Relevantna razmatranja mogu uključivati:

• morfologija punila;
• raspodjela veličine čestica;
• punjenje punila;
• ponašanje strojne obrade ili bušenja;
• kompatibilnost polimera;
• viskoznost formulacije;
• dielektrična svojstva;
• ponašanje pri toplinskom širenju;
• mehanička izvedba.

Za visokofrekventne elektroničke materijale, dielektrična konstanta i dielektrični gubitak su parametri projektiranja na razini sustava. Učinak bilo kojeg punila koje sadrži aluminijev oksid stoga treba odrediti u stvarnoj formulaciji laminata iu relevantnim radnim uvjetima.

Ne treba pretpostaviti da je WFA zamjenjiv s drugim projektiranim anorganskim punilima samo zato što se ti materijali također koriste u elektroničkim polimernim sustavima.

Zašto WFA nije zamjenjiv s drugim punilima od glinice

Pojam aluminijevo punilo pokriva materijale s različitim proizvodnim metodama, morfologijama, strukturama čestica, sastavima i specifikacijama.

Na primjer:

• Bijeli taljeni aluminijev oksid proizvodi se fuzijom nakon čega slijedi drobljenje i klasifikacija čestica.
• Kuglasti aluminijev oksid projektiran je za pružanje zaobljene morfologije čestica i naširoko se proučava za toplinski vodljive polimerne sustave.
• Kalcinirani aluminijev oksid proizvodi se toplinskom obradom, a ne fuzijom i može imati različite karakteristike čestica.
• Aluminijev oksid elektroničke kvalitete odnosi se na razine koje se kontroliraju kako bi se zadovoljili specifični zahtjevi elektroničkih materijala, a ne jedna univerzalna specifikacija čistoće ili čestica.

Svi ovi materijali mogu sadržavati Al₂O3, ali sam kemijski identitet ne čini ih međusobno zamjenjivima.

Odabir stupnja bi se stoga trebao temeljiti na stvarnim specifikacijama praha i testiranju primjene.

Ključni parametri materijala za ocjenu primjene

Raspodjela veličine čestica i kontrola grubih čestica

Raspodjela veličine čestica važan je parametar i za primjenu punila i za abrazivna sredstva.

Za polimerne sustave može utjecati na:

• pakiranje;
• viskoznost formulacije;
• disperzija;
• punjenje punila;
• konačno kompozitno ponašanje.
• Za abrazivne procese može utjecati na:
• ponašanje uklanjanja;
• površinska obrada;
• rizik od ogrebotina;
• dosljednost procesa.

ISO 8486-2:2007 daje priznatu metodu za određivanje ili provjeru raspodjele veličine mikrozrnaca od taljenog aluminijevog oksida od F230 do F2000, uključujući rastresita zrnca koja se koriste u poliranju.

Posebni zahtjevi za veličinom čestica za primjenu u elektronici, međutim, trebaju biti definirani prema toj primjeni, a ne pretpostavljeni iz opće klasifikacije abraziva.

Čistoća i relevantne nečistoće

Kemijski sastav i razine nečistoća mogu postati sve važniji kako zahtjevi za materijalima postaju sve zahtjevniji.

Kupci bi stoga trebali procijeniti dostupnu specifikaciju razreda za:

• sadržaj glinice;
• relevantne oksidne nečistoće;
• onečišćenja osjetljiva na primjenu, gdje je primjenjivo;
• dosljednost između proizvodnih serija.

Niti jedno ograničenje nečistoće ne bi se trebalo primijeniti univerzalno na sve primjene povezane s elektronikom.

Morfologija čestica

Morfologija čestica utječe i na abrazivno ponašanje i na obradu polimera.

Zdrobljeni taljeni aluminijev oksid obično pokazuje karakteristike kutnih čestica, dok projektirani sferični aluminijev oksid ima drugačije pakiranje i reološki profil.

Preferirana morfologija ovisi o tome ocjenjuje li se materijal prvenstveno kao:

• abraziv;
• punilo čestica;
• dio kaše;
• dio visoko punjene polimerne formulacije.

Stanje površine i obrada, gdje je relevantno

Stanje površine može utjecati na vlaženje, disperziju, interakciju vlage i ponašanje punila i matrice.

Modifikacija površine ili obrada sredstvom za spajanje koristi se u nekim istraživanjima glinice/polimera i komercijalnim formulacijama za modificiranje ponašanja na međufazi.

Međutim, površinska obrada nije univerzalni preduvjet za svaku primjenu WFA. Njegov učinak treba procijeniti u predviđenom sustavu smole ili nosača.

Ponašanje disperzije i aglomeracije

Disperzija je važna i kod punjenih polimera i kod abrazivnih suspenzija.

Loša disperzija ili aglomeracija mogu proizvesti nejednolike formulacije, nedosljednu reologiju ili neželjene površinske defekte u preciznim abrazivnim procesima.

Istraživanje CMP-a posebno pokazuje važnost stabilnosti gnojnice i kontrole velikih čestica u smanjenju mikroogrebotina i povezanih nedostataka.

Dosljednost serije

Gdje je proces vezan uz elektroniku osjetljiv na čestice ili kemijske varijacije, dosljednost od serije do serije može biti važna za kontrolu procesa.

Relevantni parametri mogu uključivati ​​raspodjelu veličine čestica, kemijski sastav, vlagu ili druge specifikacije specifične za stupanj.

Potrebnu konzistenciju treba definirati prema planiranom procesu i specifikaciji kupca.

Informacije o dokumentaciji i podršci

Ovisno o primjeni i dobavljaču, korisni dokumenti mogu uključivati:

• Tehnički list (TDS);
• Sigurnosno-tehnički list (SDS);
• Certifikat analize (COA);
• podaci o ispitivanju specifični za seriju;
• informacije o ispitivanju veličine čestica;
• tehničke upute specifične za primjenu.

Ovi dokumenti služe različitim svrhama i ne bi ih se trebalo tretirati kao međusobno zamjenjive.

Što bi kupci i inženjeri procesa trebali provjeriti

Informacije o prahu i stupnju

Prilikom ocjenjivanjaBijeli fuzionirani mikro prah gliniceza aplikaciju povezanu s elektronikom, kupci i procesni inženjeri trebali bi pregledati, gdje je relevantno i dostupno:

• točan razred proizvoda;
• granulometrijski sastav i metoda mjerenja;
• specifikacija grubih čestica ili prevelikih čestica, ako je predviđena;
• kemijski sastav;
• sadržaj glinice;
• relevantne informacije o nečistoćama;
• morfologija čestica;
• specifikacija vlage, ako je primjenjivo;
• podaci o disperziji, ako su dostupni;
• površinska obrada, ako je primjenjivo;
• informacije o kvaliteti serije;
• TDS;
• SDS;
• COA ili ekvivalentni podaci o seriji, ako su priloženi.

Provjera valjanosti specifična za aplikaciju

Materijalna dokumentacija samo je polazište.

Prikladnost treba ocijeniti pod uvjetima reprezentativnim za namjeravanu primjenu.

Ovisno o upotrebi, validacija može uključivati:

• kompatibilnost formulacije;
• ponašanje miješanja i disperzije;
• viskoznost obrade;
• toplinsko ispitivanje;
• ispitivanje dielektrika;
• mehaničko ispitivanje;
• procjena dimenzijske stabilnosti;
• abrazivno ponašanje uklanjanja;
• hrapavost površine ili procjena nedostataka;
• relevantno ispitivanje pouzdanosti.

Odgovarajući testovi ovise o stvarnoj krajnjoj upotrebi.

Ograničenja i granice primjene

Mikroprah bijelog taljenog aluminijevog oksida ne bi se trebao smatrati prikladnim za svaku primjenu vezanu uz elektroniku bez ocjene specifične za stupanj i proces.

Važne granice uključuju:

• Poluvodički CMP:Obični industrijski WFA mikro prah ne bi se trebao automatski tretirati kao poluvodički CMP abrazivni materijal. CMP zahtijeva kvalifikaciju abraziva i kaše specifične za proces.
• Specijalizirana elektronička punila:WFA se ne smije smatrati izravno zamjenjivim sa sfernim aluminijevim oksidom ili drugim punilima posebno izrađenim za elektronske polimerne sustave.
• Električna izolacija:Aluminijev oksid je električki izolator, ali konačna dielektrična izvedba pripada kompletnom formuliranom sustavu.
• Upravljanje toplinom:Odabir aluminijevog punila sam po sebi ne određuje toplinsku vodljivost gotovog TIM-a, sredstva za kapsuliranje ili smjese za zalivanje.
• Elektronički laminati:Prikladnost ovisi o kompletnom dizajnu smole/punila, putu obrade, električnim zahtjevima i uvjetima primjene.
• Precizna abrazivna obrada:Fina veličina čestica sama po sebi ne utvrđuje prikladnost. Također se moraju uzeti u obzir raspodjela veličine čestica, aglomeracija, kompatibilnost podloge i zahtjevi za kvalitetu površine.

Zaključak

Bijeli taljeni aluminijev mikro prah može se uzeti u obzir za odabrane primjene u elektronici, ali nije univerzalni elektronički materijal.

Njegove najvažnije uloge proizlaze iz dvije različite funkcije materijala: njegove upotrebe kao abraziva aluminijevog oksida visoke tvrdoće u odgovarajućim mehaničkim procesima završne obrade i njegove moguće procjene kao punila koje sadrži aluminijev oksid u odabranim polimernim sustavima.

Za primjenu toplinskog upravljanja, kapsuliranja, laminata ili drugih elektroničkih materijala, konačna izvedba ovisi o kompletnoj formulaciji, a ne samo o WFA.

Slično tome, obični industrijski WFA mikro prah ne treba poistovjećivati ​​s projektiranim CMP abrazivima samo zato što se čestice glinice koriste u nekim CMP sustavima.

Tehnički ispravan proces odabira stoga treba započeti s točnom razinom praha i specifikacijom, nakon čega slijedi procjena raspodjele veličine čestica, morfologije, sastava, nečistoća, disperzijskog ponašanja, dokumentacije i testiranja specifičnih za primjenu.

Reference

1. Schafföner, S., Dietze, C., Möhmel, S., Fruhstorfer, J. i Aneziris, CG (2017.). Vatrostalni materijali koji sadrže taljene i sinterirane agregate aluminijevog oksida: Istraživanja obrade, raspodjele veličine čestica i morfologije čestica.Ceramics International, 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). Najnoviji napredak toplinski vodljivih ploymer kompozita: Al₂O₃ punila, svojstva i primjena.Kompoziti Dio A: Primijenjena znanost i proizvodnja, 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.). Potencijalno toplinski vodljivi epoksidni kompozit punjen aluminijevim oksidom za upravljanje toplinom LED dioda velike snage.Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 28(1), 856–867. DOI: 10.1007/s10854-016-5600-4.
4. Raghavan, S., Keswani, M. i Jia, R. (2008). Znanost i tehnologija čestica u inženjeringu mulja za kemijsku mehaničku planarizaciju.KONA časopis o prahu i česticama, 26, 94–105. DOI: 10.14356/kona.2008010.
5. Kwon, T.-Y., Ramachandran, M., & Park, J.-G. (2013). Nastanak ogrebotine i njegov mehanizam u kemijsko mehaničkoj planarizaciji (CMP).Trenje, 1(4), 279–305. DOI: 10.1007/s40544-013-0026-y.
6. Međunarodna organizacija za standardizaciju. (2007).ISO 8486-2:2007 - Vezani abrazivi - Određivanje i označavanje raspodjele veličine zrna - 2. dio: Mikrozrnatost F230 do F2000. ISO.