Може ли бял разтопен алуминиев микро прах да се използва в електронната индустрия?

Въведение

Електронната индустрия обхваща широк спектър от производствени процеси и изисквания към материалите, включително производство на полупроводници, електронни опаковки, изолационни системи на полимерна основа, управление на топлината и прецизна повърхностна обработка.

Бял стопен алуминиев оксид (WFA) микропрахе абразивен материал на базата на алуминиев оксид с висока твърдост, който е добре утвърден в конвенционални приложения като абразиви, прилепване, повърхностна обработка и огнеупорни системи. Потенциалната му употреба в приложения, свързани с електрониката, обаче изисква по-внимателна квалификация.

Дали микропрахът от бял стопен алуминий е подходящ за приложение в електрониката, не може да се отговори с просто да или не. Пригодността зависи от конкретния клас прах, характеристиките на частиците, химичния състав, формулировката, метода на обработка и специфичните за приложението изисквания за квалификация.

Поради тази причина WFA трябва да се оценява като материал със специфичен клас, а не като универсален електронен пълнител, материал за управление на топлината, пълнител за ламинат или абразив за полиране на полупроводници.

Какво е бял стопен алуминиев микропрах?

Бял стопен алуминиев оксид се получава чрез топене на калциниран алуминиев оксид в електродъгова пещ. След сливането материалът се охлажда и впоследствие се обработва чрез раздробяване, смилане и класификация на частиците, за да се получат необходимите размери на зърното или микропраха.

Материалът се състои предимно от α-Al₂O3 и се различава от другите продукти от двуалуминиев оксид според производствения си път и получената структура на частиците.

Търговските WFA микропрахове могат да варират по характеристики като:

• разпределение на размера на частиците;
• морфология на частиците;
• химичен състав;
• профил на примеси;
• състояние на повърхността;
• агломерационно поведение;
• специфични за клас спецификации за качество.

Тези разлики са особено важни, когато WFA се разглежда за приложения, свързани с електрониката, където изискваните спецификации може да се различават значително от тези, използвани за конвенционални абразивни или огнеупорни приложения.

Характеристики на основния материал

Белият стопен алуминиев оксид е керамичен абразив с висока твърдост с химическа и термична стабилност, характерна за алуминиевите материали. Алуминиевият оксид също е широко признат като електроизолираща керамика.

Въпреки това, три различни нива на поведение на материала трябва да се държат отделно:

• Вътрешни характеристики на двуалуминиев оксид, като керамична твърдост и електроизолационно поведение;
• Характеристики на прах, включителноразпределение на размера на частиците, морфология, състав, примеси, състояние на повърхността и агломерация;
• Свойства на готовата система, като композитна топлопроводимост, диелектрични характеристики, реология, механични свойства, поведение на размерите и надеждност.

Това разграничение е важно, тъй като ефективността на електронен полимерен композит или процес на полиране не може да бъде предвидена само от химическата идентичност на WFA праха.

Потенциални приложения, свързани с електрониката

Полимерни системи за управление на топлината

Алуминиевите пълнители са широко изследвани и използвани в топлопроводими, електроизолационни полимерни композити за електронни приложения за управление на топлината.

Белият стопен алуминиев микропрах следователно може да бъде оценен като един потенциален пълнител на алуминиев оксид в избрани полимерни системи. Неговата пригодност обаче зависи от изискванията на конкретната формула.

Конвенционалните WFA частици се произвеждат чрез раздробяване и смилане и могат да имат ъглова или неправилна морфология. За сравнение, сферичните продукти от двуалуминиев оксид са специално проектирани да осигурят закръглена геометрия на частиците и могат да предложат предимства в поведението на опаковката, течливостта и контрола на вискозитета в някои силно напълнени полимерни системи.

Това не означава, че ъгловата WFA по своята същност е неизползваема като пълнител. Това означава, че WFA не трябва да се приема, че се държи идентично със сферичните или други инженерни видове алуминиев оксид.

Когато алуминиевият оксид е включен в полимерна матрица, топлопроводимостта на готовия композит може да бъде повлияна от фактори, включително:

• зареждане на пълнител;
• разпределение на размера на частиците;
• морфология на частиците;
• полимерна химия;
• дисперсия на частици;
• интерфейси пълнител-матрица;
• повърхностна обработка, когато се използва;
• условия на обработка и втвърдяване.

Експерименталната работа върху напълнени с алуминиев оксид епоксидни системи потвърждава, че характеристиките на частиците и условията на формулиране могат значително да повлияят на топлинната реакция на получения композит.

Повърхностната обработка може също да се обмисли в някои формулировки за модифициране на дисперсията или взаимодействията пълнител-матрица, но нейната полезност е специфична за формулировката и трябва да се оценява, а не да се предполага.

Електрически и капсулиращи системи

Двуалуминиевият оксид е електрически изолираща керамика, а полимерите, напълнени с алуминиев оксид, се използват в избрани приложения за електрическа изолация и електронни опаковки.

Микропрахът от разтопен бял алуминиев оксид може да бъде оценен като пълнител в такива системи, но електрическите характеристики на крайния материал трябва да се разграничават от тези на самия алуминиев оксид.

Имоти като:

• диелектрична якост;
• диелектрична константа;
• диелектрична загуба;
• обемно съпротивление;
• реакция на влага;
• дългосрочна електрическа надеждност
• зависи от цялостната излекувана система.

Съответните променливи могат да включват матрицата на смолата, натоварването на пълнителя, разпределението на частиците, примесите, влагата, дисперсията, състоянието на повърхността и процеса на втвърдяване.

Поради тази причина характеристиките на електрическа изолация трябва да бъдат потвърдени с помощта на предвидената формула и подходящи условия на изпитване, а не да се извеждат единствено от наличието на алуминиев оксид.

Прецизно прилепване и полиране

Белият стопен алуминиев оксид е установен като абразивен материал и неговата висока твърдост го прави подходящ за процесите на механично отстраняване на материал.

В производството, свързано с електроника, абразивните прахове могат да се използват за шлайфане, прилепване или механично полиране на подходящи материали. Изборът на абразив обаче трябва да съответства на основата и желаното състояние на повърхността.

Съответните съображения включват:

• размер на абразивните частици;
• разпределение на размера на частиците;
• съдържание на груби частици;
• морфология на частиците;
• изисквания за отстраняване на материал;
• изисквания за покритие на повърхността;
• приемливо подповърхностно увреждане;
• поведение на дисперсия и суспензия, когато е приложимо.

Консистенцията на размера на частиците е особено важна при прецизното довършване. Грубите частици и агломерати могат да увеличат риска от надраскване или други повърхностни дефекти.

Следователно фактът, че WFA е фин абразив, сам по себе си не установява пригодността за всеки процес на прецизна електроника.

CMP: Важни разлики и ограничения

Химическата механична планаризация (CMP) е фундаментално различна от конвенционалното шлайфане или прилепване.

CMP съчетава механичното взаимодействие между абразивните частици, полиращата подложка и детайла с химически взаимодействия от суспензията. Типът абразив, размерът на частиците, разпределението на размера, агломерацията, стабилността на суспензията, химията и условията на процеса могат да повлияят на поведението при отстраняване и образуването на дефекти.

Литературата за CMP включва абразивни системи на базата на силициев диоксид, цериев и алуминиев оксид, показващи, че двуалуминиевият оксид като химично семейство не е универсално изключен от CMP.

Това обаче не означава, че обикновеният промишлен бял стопен алуминиев микропрах трябва да се третира като полупроводников CMP абразив.

CMP абразивите са проектирани за конкретния процес на полиране и може да изискват строг контрол:

• размер и разпределение на частиците;
• контрол на големи частици или агломерати;
• стабилност на дисперсията;
• химическа чистота;
• химия на суспензията;
• взаимодействие с целевия материал;
• производителност при повърхностен дефект.

Изследване на механизмите на дефект на CMP показва, че абразивната агломерация и анормалните частици могат да допринесат за образуването на драскотини.

Съответно, обикновеният WFA микропрах не трябва да се представя като подходящ за полупроводников CMP просто защото абразивите от двуалуминиев оксид се използват в някои специализирани CMP системи.

Следователно механичното прилепване, шлифоването, конвенционалното полиране и CMP на полупроводниците трябва да се третират като отделни категории на приложение по време на избора на материал.

Съображения за електронен ламинат

В електронните ламинати и полимерни композити неорганичните пълнители могат да бъдат избрани за модифициране на термични, електрически, механични, размерни или характеристики на обработка.

Когато бял стопен алуминиев микропрах се оценява за такава формула, неговата пригодност трябва да се определи от изискванията на пълната ламинатна система.

Съответните съображения могат да включват:

• морфология на пълнителя;
• разпределение на размера на частиците;
• зареждане на пълнител;
• поведение при обработка или пробиване;
• полимерна съвместимост;
• вискозитет на формулировката;
• диелектрични свойства;
• поведение при термично разширение;
• механично изпълнение.

За високочестотни електронни материали диелектричната константа и диелектричните загуби са проектни параметри на системно ниво. Ефектът на всеки пълнител, съдържащ двуалуминиев оксид, следователно трябва да се определи в действителната формула на ламината и при съответните работни условия.

Не трябва да се приема, че WFA е взаимозаменяем с други инженерни неорганични пълнители само защото тези материали се използват и в електронни полимерни системи.

Защо WFA не е взаимозаменяем с други алуминиеви пълнители

Терминът алуминиев пълнител обхваща материали с различни производствени методи, морфологии, структури на частиците, състави и спецификации.

Например:

• Бял стопен алуминиев оксид се произвежда чрез топене, последвано от раздробяване и класификация на частиците.
• Сферичният двуалуминиев оксид е проектиран да осигурява заоблена морфология на частиците и е широко изследван за топлопроводими полимерни системи.
• Калцинираният двуалуминиев оксид се произвежда чрез термична обработка, а не чрез синтез и може да има различни характеристики на частиците.
• Електронен клас алуминиев оксид се отнася до класове, контролирани да отговарят на специфични изисквания за електронни материали, а не на единична универсална чистота или спецификация на частици.

Всички тези материали могат да съдържат Al₂O3, но химическата идентичност сама по себе си не ги прави взаимозаменяеми.

Следователно изборът на клас трябва да се основава на действителните спецификации на праха и тестване на приложението.

Ключови параметри на материала за оценка на приложението

Разпределение на размера на частиците и контрол на едрите частици

Разпределението на размера на частиците е важен параметър както за пълнители, така и за абразивни приложения.

За полимерни системи може да повлияе на:

• опаковане;
• вискозитет на формулировката;
• дисперсия;
• зареждане на пълнител;
• крайно съставно поведение.
• За абразивни процеси може да засегне:
• поведение при отстраняване;
• повърхностно покритие;
• риск от надраскване;
• последователност на процеса.

ISO 8486-2:2007 осигурява признат метод за определяне или проверка на разпределението на размера на микрозърната от стопен алуминиев оксид от F230 до F2000, включително насипни зърна, използвани при полиране.

Специфичните изисквания за размера на частиците за приложение в електрониката обаче трябва да се определят според това приложение, а не да се приемат от обща класификация на абразивите.

Чистота и съответните примеси

Химическият състав и нивата на примеси могат да станат все по-важни, тъй като материалните изисквания стават все по-взискателни.

Следователно купувачите трябва да оценят наличната спецификация за клас за:

• съдържание на алуминий;
• съответните оксидни примеси;
• чувствителни към приложението замърсители, когато е приложимо;
• последователност между производствените партиди.

Нито едно ограничение на примесите не трябва да се прилага универсално за всички приложения, свързани с електрониката.

Морфология на частиците

Морфологията на частиците влияе както върху абразивното поведение, така и върху обработката на полимера.

Натрошеният разтопен алуминиев оксид обикновено проявява ъглови характеристики на частиците, докато конструираният сферичен алуминиев оксид има различно опаковане и реологичен профил.

Предпочитаната морфология зависи от това дали материалът се оценява основно като:

• абразив;
• пълнител за частици;
• част от каша;
• част от силно напълнена полимерна формула.

Състояние и обработка на повърхността, където е приложимо

Състоянието на повърхността може да повлияе на намокрянето, дисперсията, взаимодействието на влагата и поведението на пълнителя и матрицата.

Повърхностна модификация или третиране със свързващ агент се използва в някои изследвания на алуминиев оксид/полимер и търговски формулировки за модифициране на поведението на повърхността.

Повърхностната обработка обаче не е универсална предпоставка за всяко WFA приложение. Неговият ефект трябва да бъде оценен в предвидената смола или носеща система.

Поведение при дисперсия и агломерация

Дисперсията е важна както при напълнените полимери, така и при абразивните суспензии.

Лошата дисперсия или агломерация може да доведе до нееднородни формули, непостоянна реология или нежелани повърхностни дефекти при прецизни абразивни процеси.

Изследванията на CMP по-специално демонстрират значението на стабилността на суспензията и контрола на големите частици за минимизиране на микронадраскването и свързаните с него дефекти.

Консистенция на партидите

Когато процесът, свързан с електрониката, е чувствителен към вариации на частици или химикали, консистенцията от партида към партида може да бъде важна за контрола на процеса.

Съответните параметри могат да включват разпределение на размера на частиците, химически състав, влага или други специфични за класа спецификации.

Необходимата консистенция трябва да се дефинира според планирания процес и спецификацията на клиента.

Документация и информация за поддръжка

В зависимост от приложението и доставчика полезните документи могат да включват:

• Технически лист с данни (TDS);
• Информационен лист за безопасност (SDS);
• Сертификат за анализ (COA);
• специфични за партидата данни от теста;
• информация за теста за размера на частиците;
• специфично за приложението техническо ръководство.

Тези документи служат за различни цели и не трябва да се третират като взаимозаменяеми.

Какво купувачите и инженерите на процеси трябва да проверят

Информация за праха и степента

При оценяванеБял стопен алуминиев микропрахза приложение, свързано с електрониката, купувачите и инженерите по процеси трябва да прегледат, когато е уместно и налично:

• точен клас на продукта;
• гранулометричен състав и метод за измерване;
• спецификация за едри частици или големи частици, когато е предвидена;
• химичен състав;
• съдържание на алуминий;
• съответната информация за примеси;
• морфология на частиците;
• спецификация на влагата, когато е приложимо;
• информация за дисперсията, когато е налична;
• повърхностна обработка, ако е приложимо;
• информация за качеството на партидата;
• TDS;
• SDS;
• Сертификат за автентичност или еквивалентни данни за партида, където са предоставени.

Специфично за приложението валидиране

Материалната документация е само отправната точка.

Пригодността трябва да се оценява при условия, представителни за планираното приложение.

В зависимост от употребата валидирането може да включва:

• съвместимост на формулировката;
• поведение при смесване и дисперсия;
• вискозитет при обработка;
• термично изпитване;
• диелектрични тестове;
• механично изпитване;
• оценка на стабилността на размерите;
• абразивно поведение при отстраняване;
• оценка на грапавостта на повърхността или дефекта;
• съответни тестове за надеждност.

Подходящите тестове зависят от действителната крайна употреба.

Ограничения и граници на приложението

Микропрахът от бял стопен алуминиев оксид не трябва да се приема за подходящ за всяко приложение, свързано с електрониката, без оценка, специфична за степента и процеса.

Важните граници включват:

• Полупроводников CMP:Обикновеният индустриален WFA микропрах не трябва автоматично да се третира като полупроводников CMP абразив. CMP изисква специфична за процеса квалификация на абразив и суспензия.
• Специализирани електронни пълнители:WFA не трябва да се третира като директно взаимозаменяема със сферичен двуалуминиев оксид или други пълнители, специално проектирани за електронни полимерни системи.
• Електрическа изолация:Двуалуминиевият оксид е електрически изолиращ, но крайните диелектрични характеристики принадлежат на цялостната формулирана система.
• Топлинно управление:Изборът на пълнеж от алуминиев оксид сам по себе си не определя топлопроводимостта на готовия TIM, капсулант или смес за заливане.
• Електронни ламинати:Пригодността зависи от пълния дизайн на смола/пълнител, пътя на обработка, електрическите изисквания и условията на приложение.
• Прецизна абразивна обработка:Размерът на фините частици сам по себе си не определя годността. Разпределението на размера на частиците, агломерацията, съвместимостта на субстрата и изискванията за качество на повърхността също трябва да бъдат взети предвид.

Заключение

Микропрахът от бял стопен алуминиев оксид може да се обмисли за избрани приложения, свързани с електрониката, но не е универсален електронен материал.

Неговите най-важни роли произтичат от две различни функции на материала: използването му като абразив от алуминиев оксид с висока твърдост в подходящи механични довършителни процеси и възможната му оценка като пълнител, съдържащ алуминий в избрани полимерни системи.

За приложения с термично управление, капсулиране, ламинат или други електронни материали крайното представяне зависи от пълната формула, а не само от WFA.

По същия начин, обикновеният промишлен WFA микропрах не трябва да се приравнява с инженерните CMP абразиви, просто защото частиците алуминиев оксид се използват в някои CMP системи.

Ето защо един технически издържан процес на подбор трябва да започне с точния клас и спецификация на праха, последван от оценка на разпределението на размера на частиците, морфологията, състава, примесите, дисперсионното поведение, документацията и специфичното за приложението тестване.

Референции

1. Schafföner, S., Dietze, C., Möhmel, S., Fruhstorfer, J., & Aneziris, CG (2017). Огнеупори, съдържащи разтопени и синтеровани агрегати от алуминиев оксид: Изследвания на обработката, разпределение на размера на частиците и морфология на частиците.Ceramics International, 43(5), 4252–4262. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.12.067.
2. Ouyang, Y., Bai, L., Tian, ​​H., Li, X., & Yuan, F. (2022). Скорошен напредък на топлопроводимите полимерни композити: Al2O3 пълнители, свойства и приложения.Композити, част A: Приложна наука и производство, 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). Потенциално топлопроводим епоксиден композит, запълнен с алуминиев оксид за управление на топлината на светодиоди с висока мощност.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). Наука и технология за частици в инженерството на суспензии за химическа механична планаризация.KONA Powder and Particle Journal, 26, 94–105. DOI: 10.14356/kona.2008010.
5. Kwon, T.-Y., Ramachandran, M., & Park, J.-G. (2013). Образуване на надраскване и неговият механизъм при химично-механична планаризация (CMP).Триене, 1(4), 279–305. DOI: 10.1007/s40544-013-0026-y.
6. Международна организация по стандартизация. (2007).ISO 8486-2:2007 - Свързани абразиви - Определяне и обозначаване на разпределението на размера на зърното - Част 2: Микрозърна F230 до F2000. ISO.