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

Uvod

Elektronička industrija pokriva širok spektar proizvodnih procesa i zahtjeva za materijalima, uključujući proizvodnju poluvodiča, elektronsko pakovanje, izolacijske sisteme na bazi polimera, upravljanje toplinom i preciznu obradu površina.

Bijeli topljeni aluminij (WFA) mikro prahje abrazivni materijal visoke tvrdoće na bazi glinice koji je dobro uspostavljen u konvencionalnim aplikacijama kao što su abrazivi, lapping, površinska obrada i vatrostalni sistemi. Njegova potencijalna upotreba u aplikacijama vezanim za elektroniku, međutim, zahtijeva pažljiviju kvalifikaciju.

Da li je bijeli fuzionirani mikro prah pogodan za primjenu u elektronici ne može se odgovoriti jednostavnim da ili ne. Pogodnost zavisi od specifičnog tipa praha, karakteristika čestica, hemijskog sastava, formulacije, metode obrade i zahteva za kvalifikaciju specifičnih za aplikaciju.

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

Šta je bijeli topljeni mikro prah?

Bijela topljena glinica se proizvodi topljenjem kalcinirane glinice u elektrolučnoj peći. Nakon fuzije, materijal se hladi i zatim obrađuje drobljenjem, mljevenjem i klasifikacijom čestica kako bi se dobile potrebne veličine zrna ili mikro-praha.

Materijal se pretežno sastoji od α-Al₂O₃ i razlikuje se od ostalih proizvoda od glinice prema načinu proizvodnje i strukturi čestica koja rezultira.

Komercijalni WFA mikro puderi mogu se razlikovati po karakteristikama kao što su:

• distribucija čestica;
• morfologija čestica;
• hemijski sastav;
• profil nečistoća;
• stanje površine;
• ponašanje aglomeracije;
• specifikacije kvaliteta specifične za određeni razred.

Ove razlike su posebno važne kada se WFA razmatra za aplikacije vezane za elektroniku, gdje se tražene specifikacije mogu značajno razlikovati od onih koje se koriste za konvencionalne abrazivne ili vatrostalne aplikacije.

Karakteristike osnovnog materijala

Bijela topljena glinica je keramički abraziv visoke tvrdoće s kemijskom i termičkom stabilnošću karakterističnom za materijale od glinice. Glinica je također široko poznata kao električna izolacijska keramika.

Međutim, tri različita nivoa ponašanja materijala treba da budu odvojena:

• Intrinzične karakteristike glinice, kao što su tvrdoća keramike i električno izolacijsko ponašanje;
• Karakteristike za prah, uključujućidistribucija čestica po veličini, morfologija, sastav, nečistoće, stanje površine i aglomeracija;
• Svojstva gotovih sistema, kao što su kompozitna toplotna provodljivost, dielektrične performanse, reologija, mehanička svojstva, dimenzionalno ponašanje i pouzdanost.

Ova razlika je važna jer se učinak elektronskog polimernog kompozita ili procesa poliranja ne može predvidjeti samo na osnovu kemijskog identiteta WFA praha.

Potencijalne aplikacije vezane za elektroniku

Polimerni sistemi za upravljanje toplotom

Aluminijska punila se široko istražuju i koriste u termo vodljivim, električno izolacijskim polimernim kompozitima za aplikacije za elektroničko upravljanje toplinom.

Bijeli fuzionirani mikroprašak glinice se stoga može ocijeniti kao jedan potencijalni punilo glinice u odabranim polimernim sistemima. Međutim, njegova prikladnost ovisi o zahtjevima određene formulacije.

Konvencionalne WFA čestice se proizvode drobljenjem i mljevenjem i mogu imati ugaonu ili nepravilnu morfologiju. Poređenja radi, sferični proizvodi od glinice su posebno dizajnirani da obezbede zaobljenu geometriju čestica i mogu ponuditi prednosti u ponašanju pakovanja, tečljivosti i kontroli viskoziteta u nekim visoko punjenim polimernim sistemima.

To ne znači da je kutni WFA inherentno neupotrebljiv kao punilo. To znači da se ne treba pretpostaviti da se WFA ponaša identično sa sfernim ili drugim projektovanim razredima glinice.

Kada se glinica ugradi u polimernu matricu, na toplotnu provodljivost gotovog kompozita mogu uticati faktori uključujući:

• punjenje punila;
• distribucija čestica;
• morfologija čestica;
• hemija polimera;
• disperzija čestica;
• interfejsi punilo-matrica;
• površinska obrada, gdje se koristi;
• uslovi obrade i sušenja.

Eksperimentalni rad na epoksidnim sistemima punjenim aluminijem potvrđuje da karakteristike čestica i uvjeti formulacije mogu značajno utjecati na toplinsku reakciju rezultirajućeg kompozita.

Površinski tretman se također može uzeti u obzir u nekim formulacijama kako bi se modificirale interakcije disperzije ili punilo-matriks, ali njegova korisnost je specifična za formulaciju i treba je procijeniti, a ne pretpostaviti.

Električni i inkapsulacioni sistemi

Aluminij je električna izolacijska keramika, a polimeri punjeni aluminijem se koriste u odabranim aplikacijama za električnu izolaciju i elektroničko pakovanje.

Bijeli topljeni mikroprašak glinice može se ocijeniti kao punilo u takvim sistemima, ali električne karakteristike gotovog materijala treba razlikovati od onih same glinice.

Nekretnine kao što su:

• dielektrična čvrstoća;
• dielektrična konstanta;
• dielektrični gubitak;
• zapreminska otpornost;
• reakcija na vlagu;
• dugoročna električna pouzdanost
• zavisi od potpuno izlečenog sistema.

Relevantne varijable mogu uključivati ​​matricu smole, punjenje punilom, raspodjelu čestica, nečistoće, vlagu, disperziju, stanje međufaza i proces očvršćavanja.

Iz tog razloga, performanse električne izolacije treba potvrditi korištenjem predviđene formulacije i odgovarajućih uslova ispitivanja, a ne zaključivati ​​samo na osnovu prisustva glinice.

Precizno lepljenje i poliranje

Bijeli topljeni aluminij je uspostavljen kao abrazivni materijal, a njegova visoka tvrdoća ga čini relevantnim za mehaničke procese uklanjanja materijala.

U proizvodnji vezanoj za elektroniku, abrazivni prahovi se mogu 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;
• distribucija čestica;
• sadržaj krupnih čestica;
• morfologija čestica;
• zahtjevi za uklanjanje materijala;
• zahtjevi za završnu obradu površine;
• prihvatljiva podzemna oštećenja;
• disperzija i ponašanje kaše gdje je primjenjivo.

Konzistentnost veličine čestica je posebno važna u preciznoj završnoj obradi. Grube čestice i aglomerati mogu povećati rizik od grebanja ili drugih površinskih oštećenja.

Stoga, činjenica da je WFA fini abraziv ne utvrđuje sama po sebi prikladnost za svaki precizan elektronski proces.

CMP: Važne razlike i ograničenja

Hemijsko mehanička planarizacija (CMP) se fundamentalno razlikuje od konvencionalnog brušenja ili lappinga.

CMP kombinuje mehaničku interakciju između abrazivnih čestica, podloge za poliranje i radnog komada sa hemijskim interakcijama iz suspenzije. Tip abraziva, veličina čestica, raspodjela veličine, aglomeracija, stabilnost suspenzije, kemija i procesni uvjeti mogu utjecati na ponašanje uklanjanja i formiranje defekata.

Literatura o CMP-u uključuje abrazivne sisteme na bazi silicijum-dioksida, cerije i glinice, što pokazuje da glinica kao hemijska porodica nije univerzalno isključena iz CMP-a.

Međutim, to ne znači da se obični industrijski bijeli fuzionirani mikroprašak glinice treba tretirati kao poluvodički CMP abraziv.

CMP abrazivi su dizajnirani za određeni proces poliranja i mogu zahtijevati strogo kontrolirano:

• veličina i distribucija čestica;
• kontrola velikih čestica ili aglomerata;
• stabilnost disperzije;
• hemijska čistoća;
• hemija gnojiva;
• interakcija sa ciljnim materijalom;
• performanse površinskih defekta.

Istraživanje mehanizama defekta CMP pokazuje da abrazivna aglomeracija i abnormalne čestice mogu doprinijeti stvaranju ogrebotina.

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

Mehaničko lepljenje, brušenje, konvencionalno poliranje i poluprovodnički CMP treba stoga tretirati kao zasebne kategorije primjene tokom odabira materijala.

Razmatranje elektroničkog laminata

U elektronskim laminatima i polimernim kompozitima, anorganska punila mogu biti odabrana da modifikuju termičke, električne, mehaničke, dimenzionalne ili procesne karakteristike.

Tamo gdje se bijeli fuzionirani mikroprašak glinice procjenjuje za takvu formulaciju, njegovu prikladnost treba odrediti prema zahtjevima kompletnog sistema laminata.

Relevantna razmatranja mogu uključivati:

• morfologija punila;
• distribucija čestica;
• punjenje punila;
• ponašanje pri obradi ili bušenju;
• kompatibilnost polimera;
• viskoznost formulacije;
• dielektrična svojstva;
• ponašanje pri termičkom širenju;
• mehaničke performanse.

Za visokofrekventne elektronske materijale, dielektrična konstanta i dielektrični gubici su projektni parametri na nivou sistema. Učinak bilo kojeg punila koji sadrži aluminij stoga treba odrediti u stvarnoj formulaciji laminata iu relevantnim radnim uvjetima.

Ne treba pretpostaviti da je WFA zamjenjiv s drugim projektiranim neorganskim punilima samo zato što se ti materijali također koriste u elektronskim polimernim sistemima.

Zašto WFA nije zamjenjiv s drugim punilima od glinice

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

na primjer:

• Bijela topljena glinica se proizvodi fuzijom nakon čega slijedi drobljenje i klasifikacija čestica.
• Sferna glinica je projektovana da obezbedi zaobljenu morfologiju čestica i široko je proučavana za termički provodljive polimerne sisteme.
• Kalcinirana glinica se proizvodi termičkom obradom, a ne fuzijom i može imati različite karakteristike čestica.
• Glinica elektronskog kvaliteta odnosi se na klase koje se kontroliraju kako bi zadovoljile specifične zahtjeve za elektroničke materijale, a ne jednu univerzalnu specifikaciju čistoće ili čestica.

Svi ovi materijali mogu sadržavati Al₂O₃, ali sam hemijski identitet ih ne čini zamjenjivim.

Odabir razreda bi stoga trebao biti zasnovan na stvarnim specifikacijama praha i testiranju primjene.

Ključni parametri materijala za ocjenu primjene

Raspodjela veličine čestica i kontrola krupnih čestica

Raspodjela veličine čestica je važan parametar za primjenu punila i abraziva.

Za polimerne sisteme može uticati na:

• pakovanje;
• viskoznost formulacije;
• disperzija;
• punjenje punila;
• konačno kompozitno ponašanje.
• Za abrazivne procese može uticati na:
• ponašanje pri uklanjanju;
• površinska obrada;
• rizik od ogrebotina;
• konzistentnost procesa.

ISO 8486-2:2007 pruža priznatu metodu za određivanje ili provjeru distribucije veličine mikrozrnaca topljenog aluminij oksida od F230 do F2000, uključujući i labavu zrncu koja se koristi za poliranje.

Specifične zahtjeve za veličinom čestica za primjenu u elektronici, međutim, treba definirati u skladu s tom primjenom, a ne pretpostavljati iz opće abrazivne klasifikacije.

Čistoća i relevantne nečistoće

Hemijski sastav i nivoi nečistoća mogu postati sve važniji kako zahtjevi za materijalom postaju sve zahtjevniji.

Kupci bi stoga trebali procijeniti dostupnu specifikaciju razreda za:

• sadržaj glinice;
• relevantne oksidne nečistoće;
• kontaminanti osjetljivi na primjenu, gdje je primjenjivo;
• konzistentnost između proizvodnih serija.

Nijedna pojedinačna granica nečistoće ne bi se trebala primjenjivati ​​univerzalno na sve aplikacije povezane s elektronikom.

Particle Morphology

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

Zdrobljena topljena aluminijeva oksida obično pokazuje karakteristike ugaonih čestica, dok konstruirana sferična aluminijeva oksida ima različito pakiranje i reološki profil.

Poželjna morfologija zavisi od toga da li se materijal procenjuje prvenstveno kao:

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

Stanje površine i tretman, gdje je relevantno

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

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

Međutim, površinska obrada nije univerzalni preduvjet za svaku primjenu WFA. Njegov efekat treba proceniti u predviđenoj smoli ili sistemu nosača.

Ponašanje disperzije i aglomeracije

Disperzija je važna i za punjene polimere i za abrazivne suspenzije.

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

CMP istraživanje posebno pokazuje važnost stabilnosti kaše i kontrole velikih čestica u minimiziranju mikrogrebanja i povezanih defekata.

Batch Consistency

Tamo gdje je proces vezan za elektroniku osjetljiv na čestice ili kemijske varijacije, konzistentnost serije do serije može biti važna za kontrolu procesa.

Relevantni parametri mogu uključivati ​​distribuciju veličine čestica, hemijski sastav, vlagu ili druge specifikacije specifične za kvalitet.

Potrebnu konzistentnost treba definisati u skladu sa predviđenim procesom i specifikacijom kupca.

Dokumentacija i informacije o podršci

Ovisno o aplikaciji i dobavljaču, korisni dokumenti mogu uključivati:

• Tehnički list (TDS);
• Sigurnosni list (SDS);
• Certifikat analize (COA);
• podaci ispitivanja specifičnih za seriju;
• informacije o ispitivanju veličine čestica;
• tehničke smjernice specifične za aplikaciju.

Ovi dokumenti služe različitim svrhama i ne treba ih tretirati kao zamjenjive.

Šta bi kupci i procesni inženjeri trebali provjeriti

Informacije o prahu i razredima

Prilikom evaluacijeBijeli topljeni mikro prahza aplikacije povezane s elektronikom, kupci i procesni inženjeri bi trebali pregledati, gdje je relevantno i dostupno:

• tačna klasa proizvoda;
• distribucija veličine čestica i metoda mjerenja;
• specifikacija krupnih čestica ili prevelikih dimenzija, ako je predviđena;
• hemijski sastav;
• sadržaj glinice;
• relevantne informacije o nečistoći;
• morfologija čestica;
• specifikacija vlage, gdje je primjenjivo;
• informacije o disperziji, gdje su dostupne;
• površinska obrada, ako je primjenjivo;
• informacije o kvaliteti serije;
• TDS;
• SDS;
• COA ili ekvivalentni serijski podaci, ako su dostavljeni.

Validacija specifične za aplikaciju

Materijalna dokumentacija je samo polazna osnova.

Pogodnost treba procijeniti pod uvjetima reprezentativnim za namjeravanu primjenu.

Ovisno o upotrebi, validacija može uključivati:

• kompatibilnost formulacije;
• ponašanje miješanja i disperzije;
• viskoznost obrade;
• termičko ispitivanje;
• dielektrično ispitivanje;
• mehaničko ispitivanje;
• procjena dimenzionalne stabilnosti;
• ponašanje pri uklanjanju abraziva;
• hrapavost površine ili procjena nedostataka;
• relevantno ispitivanje pouzdanosti.

Odgovarajući testovi zavise od stvarne krajnje upotrebe.

Ograničenja i granice primjene

Bijeli fuzionirani mikro prah ne bi se trebao pretpostaviti prikladnim za svaku primjenu u vezi s elektronikom bez procjene specifične za razred i proces.

Važne granice uključuju:

• Poluprovodnički CMP:Običan industrijski WFA mikro prah ne treba automatski tretirati kao poluvodički CMP abraziv. CMP zahtijeva kvalifikaciju abraziva i suspenzije specifične za proces.
• Specijalizovana elektronska punila:WFA ne treba tretirati kao direktno zamjenjivu sa sferičnim aluminijem ili drugim punilima posebno dizajniranim za elektronske polimerne sisteme.
• električna izolacija:Aluminijum je električna izolacija, ali konačne dielektrične performanse pripadaju kompletnom formulisanom sistemu.
• Upravljanje toplinom:Odabir punila glinice sam po sebi ne određuje toplinsku provodljivost gotovog TIM-a, kapsula ili smjese za zalivanje.
• Elektronski laminati:Pogodnost zavisi od kompletnog dizajna smole/punila, puta obrade, električnih zahteva i uslova primene.
• Precizna abrazivna obrada:Sama veličina finih čestica ne utvrđuje prikladnost. Distribucija veličine čestica, aglomeracija, kompatibilnost supstrata i zahtjevi za kvalitetom površine također se moraju uzeti u obzir.

Zaključak

Bijeli topljeni mikroprašak glinice može se uzeti u obzir za odabrane aplikacije vezane za elektroniku, ali nije univerzalni elektronski materijal.

Njegove najrelevantnije uloge proizlaze iz dvije različite funkcije materijala: njegove upotrebe kao abraziva glinice visoke tvrdoće u odgovarajućim procesima mehaničke završne obrade i njegove moguće ocjene kao punila koji sadrži aluminij u odabranim polimernim sistemima.

Za termičko upravljanje, inkapsulaciju, laminat ili druge aplikacije od elektronskih materijala, konačni učinak ovisi o kompletnoj formulaciji, a ne samo o WFA.

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

Tehnički ispravan proces odabira bi stoga trebao početi s tačnim razredom praha i specifikacijom, nakon čega slijedi evaluacija raspodjele veličine čestica, morfologije, sastava, nečistoća, ponašanja disperzije, dokumentacije i ispitivanja specifičnih za primjenu.

Reference

1. Schafföner, S., Dietze, C., Möhmel, S., Fruhstorfer, J., & Aneziris, CG (2017). Vatrostalni materijali koji sadrže fuzionisane i sinterovane agregate glinice: 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). Nedavni napredak termo provodljivih ploymer kompozita: Al₂O₃ punila, svojstva i primjena.Kompoziti, dio A: primijenjena nauka 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., & Kamarulazizi, I. (2017). Potencijalni termički provodljivi epoksidni kompozit punjen aluminijem za termalno upravljanje LED diodama velike snage.Časopis za nauku o materijalima: Materijali u elektronici, 28(1), 856–867. DOI: 10.1007/s10854-016-5600-4.
4. Raghavan, S., Keswani, M., & Jia, R. (2008). Partikulativna nauka i tehnologija u inženjerstvu suspenzije za hemijsko-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). Formiranje ogrebotina i njegov mehanizam u hemijsko-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 - Dio 2: Microgrits F230 do F2000. ISO.