Alumiinikeraamisten substraattien tyypit PCB:tä varten

Alumiinioksidi (tunnetaan myös nimellä alumiinioksidi) on edistyksellinen tulenkestävä materiaali, jota voidaan muotoilla erilaisiksi kappaleiksi tiivistämis- ja sintrausmenetelmillä, minkä ansiosta sitä voidaan hyödyntää sekä teollisuus- että lääketieteellisissä laitteissa.

Keraamiset metalliläpiviennit, röntgenkomponentit ja sähköiset läpiviennit hyötyvät kaikki tuotteen erinomaisesta mekaanisesta lujuudesta, kemiallisesta ja kulutuskestävyydestä, lämpöstabiilisuudesta sekä erinomaisista dielektrisistä ominaisuuksista. Niiden hermeettiset ominaisuudet tekevät niistä myös hyvän valinnan.

94%-alumiinioksidi

Alumiinioksidikeraami on erinomainen sähköeriste ja yksi yleisimmin käytetyistä edistyneistä keraamisista materiaaleista, joka tarjoaa korkeatasoista sähköeristystä ja on samalla erittäin kulutusta ja korroosiota kestävä. Tämän ominaisuutensa ansiosta alumiinioksidikeraamia käytetään laajalti pumpuissa, autoteollisuuden komponenteissa, lääketieteellisissä tutkimuksissa, puolustusteollisuuden sovelluksissa sekä lasitteissa (jopa pienet pitoisuudet, jopa 5%, voivat tuottaa kivimäisen mattapinnan, jota arvostetaan tietyissä koristeellisissa sovelluksissa).

Taulumaista alumiinioksidia valmistetaan sintraamalla kalsinoitua alumiinioksidijauhetta levyiksi. Sillä on erinomaiset lämpöstabiilisuus-, lujuus- ja kemialliset kestävyysominaisuudet – se kestää jopa 1650 °C/3000 °F:n lämpötiloja menettämättä 50% vetolujuudestaan ja kestää happoja ja emäksisiä liuoksia.

Muilla kehittyneillä keraamisilla materiaaleilla on samanlaisia ominaisuuksia kuin alumiinioksidilla, kuten korkea resistiivisyys ja lujuus, mutta ne eivät pysty kilpailemaan kaupallisella tasolla. BeO on myrkyllistä ja kallista, kun taas BN on kustannustehokkaampaa, mutta sen lämmönjohtavuus on huomattavasti heikompi – alumiinioksidilla on kuitenkin toinenkin keskeinen etu: se on helppo jalostaa ja työstää.

99%-alumiinioksidi

99%-alumiinioksidilla on erinomaiset mekaaniset, lämpö- ja sähköiset ominaisuudet. Se kestää lämpötiloja välillä 1600–1700 celsiusastetta, ja sillä on vahva happo- ja emäskestävyys sekä hyvä suorituskyky korkeapaineolosuhteissa. Lisäksi tämä materiaali täyttää tiukat pinnanlaatu- ja tasaisuusvaatimukset, kun sitä työstetään tai muovataan monimutkaisiksi komponenteiksi, ja sen biologisen yhteensopivuuden ja kemiallisen inerttiyden ansiosta se soveltuu lääketieteellisiin sovelluksiin; lisäksi sen kovuus- ja lujuusominaisuudet tekevät siitä erinomaisen valinnan luodinkestäviin keraamisiin sovelluksiin.

Alumiinioksidikeraamit valmistetaan usein kuituvahvistettuina metallimatriisikomposiitteina, joissa käytetään alumiinioksidikuituja. Ne voidaan sintrata tai puristaa muottiin monimutkaisten komponenttien valmistamiseksi, joilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet. Näitä komposiitteja käytetään yleisesti esimerkiksi leikkuutyökaluissa, suulakepuristetuissa osissa ja suuttimissa sekä mäntämoottoreiden tai koneiden kitkaosissa ja olympialaisissa käytettävien luistimien terissä.

Alumiinioksidikeraamit tarjoavat erinomaisen läpilyöntilujuuden ja lämmönjohtavuuden; niiden herkkä rakenne edellyttää kuitenkin huolellista käsittelyä vaurioiden välttämiseksi. Kun valitset alumiinioksidikeraamista materiaalia sovellukseesi, ota huomioon tehotarpeet, jännitevaatimukset ja lämpötilaolosuhteet – arvioi sitten näitä tekijöitä suhteessa budjettiisi, jotta voit valita alumiinioksidikeraamin, joka parhaiten täyttää nämä kriteerit.

99% Al₂O₃

Alumina 96% (Al₂O₃) on yksi yleisimmin käytetyistä keraamisista alustoista piirilevykäytössä, ja se erottuu poikkeuksellisella lämmönjohtavuudellaan, mekaanisella lujuudellaan ja kulutuskestävyydellään. Lisäksi tämän tiheän keraamisen materiaalin huokoisuus on alhainen, minkä ansiosta se sopii paksukalvosovelluksiin, kuten hybridi-PCB- ja komponenttialustoihin, sekä suoraan kuparin sputterointisovelluksiin.

99%-alumiinioksidialustat voidaan valmistaa nauhavalumenetelmällä tai kuivapuristusmenetelmällä, ja niissä käytetään erilaisia lisäaineita, joista suosituimpia ovat kromi, titaani ja natrium. Nämä lisäaineet vaikuttavat keraamisen materiaalin ominaisuuksiin parantamalla sen lämmönjohtavuutta, mekaanista lujuutta, kulutuskestävyyttä sekä happo- ja emäskorroosionkestävyyttä, mikä parantaa materiaalin suorituskykyä.

Alumiinioksidikeramiikkaa on käytetty laajalti ajoneuvojen panssarointimateriaalina. Kun alumiinioksidikeramiikka kiinnitetään aramidi- tai Dyneema-kankaaseen, se tarjoaa kaksinkertaisen suojan verrattuna teräspanssariin, samalla kun se on kevyempää, ruostuu harvemmin ja johtaa lämpöä nopeammin kuin metallimateriaalit. Valitettavasti alumiinioksidikeraamit eivät ole luodinkestäviä, ja niillä on rajoituksia; altistuminen pitoisuuksille, jotka ylittävät 0,38 mg/L aiheutti marsuilla keuhkojen ilmavirran ahtautumista, mikä johti hengitysteiden ahtautumiseen ja vähensi ilman virtausta niiden kehossa, mikä puolestaan johti keuhkokapasiteetin pienenemiseen, mikä johti keuhkojen toiminnan heikkenemiseen, mikä johti hengitysteiden virtauksen vähenemiseen ja hengitystieongelmiin, sillä marsut, joilla oli ilmavirran rajoituksia, hengittivät sisään, mikä aiheutti hengitysteiden ahtautumista ja rajoitti ilman virtausta niiden kehossa, mikä johti hengitysteiden ahtautumiseen, mikä puolestaan aiheutti hengitysteiden ilmavirtauksen rajoittumista, mikä johtui rajoitetusta lämmön haihtumisnopeudesta teräkseen verrattuna, sillä teräksen lämmön haihtumisnopeus on nopeampi; tämä aiheutti keuhkojen ilmavirtauksen supistumisen 12 minuutin kuluessa 0,38 mg/l:n altistuksessa, mikä aiheutti keuhkojen ilmavirtauksen rajoittumista altistuneilla marsuilla. Kuitenkin marsut, jotka altistettiin 0,38 mg/l:n pitoisuudelle, joka aiheutti keuhkojen ilmavirran ahtautumista ja aiheutti keuhkojen ilmavirran ahtautumista, aiheuttivat keuhkojen ilmavirran ruuhkautumista, mikä johti hengityselinten toiminnan rajoittumiseen, kuten altistuksesta johtuva keuhkokapasiteetin väheneminen osoitti; vaikka altistuminen johti ahtaumaan, sillä ne kokivat ahtaumaa 8 minuutin kuluessa lämmön haihtumisen aiheuttaman keuhkojen ilmavirran vähenemisen vuoksi 0,38 mg/l:n pitoisuudella tapahtuneen hengitysalistumisen jälkeen, mikä aiheutti marsuille keuhkojen ilmavirran ahtaumaa altistumisen jälkeen; hengitysalistumisen aiheuttama ahtauma ei osoittautunut täysin luotettavaksi; hengitysteitse tapahtunut altistuminen aiheutti vakavan ahtauman 2 minuutin kuluessa, mikä johti keuhkojen ilmavirtauksen ahtaumiseen muutamassa minuutissa ja keuhkojen ilmavirtauksen vähenemiseen altistumisen jälkeen hengitysteiden ahtauman vuoksi 48 minuutin kuluessa; altistuminen aiheutti hengityksen heikkenemistä ahtauman vuoksi yli tunnin kuluttua, mikä johti hengitysvaikeuksiin keuhkojen ilmavirtauksen ahtauman vuoksi, jonka aiheuttajina olivat nivuset.

98% Al₂O₃

Alfa-alumiinioksidi, jota kutsutaan myös nimellä alfa-alumiinioksidi, erottuu erinomaisella kovuudellaan sekä paine- ja lämpöshokkikestävyydellään, minkä ansiosta se on luotettava materiaalivalinta sovelluksiin, joissa vaaditaan kemikaali- ja plasmakestävyyttä, kuten puolijohteissa, plasmasyövytyksen komponenteissa, ydinvoimalatason eristyskomponenteissa ja muissa suurjännitesovelluksissa. Sitä käytetään tyypillisesti puolijohteiden valmistuksessa.

Korundialumiinioksidi on erittäin kova ja stabiili alumiinioksidin muoto, jonka kiderakenne muistuttaa korundia (rubiini ja safiiri). Sitä käytetään yleisesti hioma-aineena sekä keraamisissa sovelluksissa, joissa vaaditaan suurta kulutuskestävyyttä, kuten leikkuutyökaluissa, sekä korkean lämpötilan sovelluksissa, kuten voimalaitosten kaasuputkistoissa.

Alumiinioksidihiukkaset kestävät ilmakehän aiheuttamaa korroosiota muodostamalla pinnalleen suojaavan alumiinioksidipassivointikerroksen, joka estää metalleja reagoimasta ilmakehän hapen kanssa; anodisointi on tehokas keino vahvistaa tätä suojaa. Alumiinioksidipölyllä on myös eroosiota estäviä ominaisuuksia, ja se on erinomainen materiaali kivihiililämmitteisten kattiloiden tai polttoaineputkien vuoraukseen; lisäksi se kestää hyvin eroosiota, mikä tekee alumiinioksidista ihanteellisen vuorausmateriaalin. Alumiinioksidipöly voi aiheuttaa keuhkovaurioita pitkällä aikavälillä, mutta liuottimattomien ominaisuuksiensa ansiosta – kuten radioleimatulla 26Al:lla tehdyt hengitystutkimukset osoittavat – se poistuu työntekijöiden keuhkoista riittävän nopeasti.

96% Al₂O₃

Sähköeristetyt 96% Al₂O₃-substraatit ovat kustannustehokas vaihtoehto, joka sopii erinomaisesti paksukalvoelektroniikkaan tai tehomoduuleihin niiden erinomaisen kustannustehokkuuden, kulutuskestävyyden, lämmönjohtavuuden ja mekaanisen lujuuden ansiosta. Niiden dielektriset ominaisuudet tekevät niistä sopivia myös keraamisille piirilevyille.

Alumiinioksidikeramiikan puhtaus on ratkaisevan tärkeää, kun tarkastellaan sen suorituskykyä ja käyttökohteita. Puhtaammat keramiikat sopivat yleensä paremmin elektroniikkasovelluksiin ja tarjoavat paremman korroosio- ja kulutuskestävyyden; poikkeuksiakin kuitenkin on: toisinaan jopa 85%-puhdas alumiinioksidi sopii erilaisiin käyttötarkoituksiin.

Alumiinioksidipohjaisia tuotteita käytetään laajalti keraamisten komponenttien, kuten upokkaiden, tulenkestävien uuniputkien ja erityisten kulutusta kestävien materiaalien, valmistuksessa. Alumiinioksidia käytetään myös usein tiivistemateriaalina metallien, kuten molybdeenin, niobium ja tantaali – se tarjoaa erinomaista kemiallista kestävyyttä, ja juottaminen tekee juotosliitoksista huomattavasti vahvempia erilaisissa teollisuuslaitteissa – sillä on myös hyvä lämmönjohtavuus, ja sitä tunnetaan myös nimellä tavallinen alumiinioksidikeraami (tai “tavallinen ALC”). Zirkoniumoksidi-alumiinioksidikeraamia (ZTA) on mainostettu ylivoimaisena vaihtoehtona puhtaaseen ALC:hen verrattuna; sen pinnan hydrotermiseen vanhenemiseen voi kuitenkin liittyä ongelmia, jotka voivat vaikuttaa suorituskykyyn merkittävästi ajan myötä.

97% Al₂O₃

Tämä alumiinioksidityyppi tunnetaan erinomaisesta lämmönjohtavuudestaan, alhaisesta lämpölaajenemiskertoimestaan, kemiallisen korroosionkestävyydestään sekä lämpöshokkikestävyydestään. Koska materiaali kestää hyvin myös lämpöshokkeja, se on hyvä valinta sovelluksiin, joissa vaaditaan korkeatasoista sähköeristystä, sekä tuotteiden metallointiprosesseihin.

Lääketieteelliseen käyttöön tarkoitettu alumiinioksidi on myös ihanteellinen materiaali lääketieteellisiin sovelluksiin, kuten kulumissuuttimiin ja veriventtiilien ohjainosiin, sotilashenkilöstön suojaliiveihin sekä hermeettisiin tiivisteaineisiin. Puristuslujuutensa, taivutuslujuutensa, hermeettisyytensä sekä erinomaisten puristus- ja taivutuslujuusominaisuuksiensa ansiosta tämä materiaali sopii erinomaisesti keraamisten ja metallisten läpivientien valmistukseen sekä käyttöön röntgenkomponenteissa, elektronimikroskoopeissa ja korkeatyhjiölaitteissa.

Lyhytaikainen altistuminen alumiinioksidille voi aiheuttaa silmien ja ylähengitysteiden ärsytystä, kun taas pitkäaikainen altistuminen voi johtaa keuhkojen liikakasvuun, keuhkotulehdukseen ja fibroosiin; lisäksi se on myrkyllistä keskushermostolle, minkä vuoksi ihmisten ja muiden elävien olentojen on käsiteltävä sitä varovasti. HSDB tarjoaa tästä kemikaalista kattavia toksikologisia tietoja, jotka perustuvat laboratorioeläintutkimuksiin sekä muihin lähteisiin.

95% Al₂O₃

Alumiinioksidikeramiikka on kovaa ja kestävää materiaalia, jolla on erinomainen kulutuskestävyys sekä kemiallisesti inertit ominaisuudet, joiden ansiosta se kestää happoja ja emäksiä korkeissa lämpötiloissa. Sen hyvät sähköiset ominaisuudet (alhainen resistiivisyys) tekevät siitä ihanteellisen valinnan johtimiksi ja dielektrisiksi materiaaleiksi.

Tämä alumiinioksidityyppi sopii erinomaisesti keraamisten ja metallisten läpivientien sekä röntgenkomponenttien läpivientien valmistukseen, jännityksenpoistopallojen ja eristimien valmistukseen hitsauksessa, lämpökäsittelyssä ja erityisissä upokassovelluksissa, hitsausprosesseissa käytettävien jännityksenpoistopallojen valmistukseen sekä erityisten upokkien valmistukseen. Lisäksi saatavilla voi olla kaksinkertaisesti kaarevia monoliittilaattoja ergonomisiin suojaliivien sovelluksiin, jotka parantavat suojaliivien ergonomiaa.

Keraaminen materiaali tarjoaa poikkeuksellisen hyvän kulutus- ja eroosiokestävyyden, minkä ansiosta se soveltuu moniin teollisiin sovelluksiin. Myös tästä materiaalista valmistetut lääketieteelliset implantit ja suojaliivit ovat hyötyneet siitä suuresti. Lisäksi sen lämpöshokkikestävyys ulottuu jopa 2910F (1600C) lämpötilaan. Lisäksi sitä on saatavana sekä tiiviinä (mullite) että huokoisena (korundi) muodossa, mikä helpottaa tuotantoprosesseja.

94% Al₂O₃

Alumiinioksidikeraamit ovat erittäin kovia ja niillä on erinomaiset sähköiset ominaisuudet; ne kestävät hankausta, kemiallista vaikutusta, hapettumista ja korroosiota, ja ovat samalla huokoisia ja tiheitä, minkä vuoksi ne soveltuvat paineantureihin, sputterointikohteisiin, laakeripinnoitteisiin sekä elektroniputki- ja laserkomponentteihin. Niiden alhainen lämpölaajeneminen mahdollistaa isostaattisen puristuksen, mikä rajoittaa rakeiden kasvua tiheän muovausprosessin yhteydessä.

Tämän alumiinioksidilajin raaka-aineena käytetään bauksiittia, joka on luonnossa laajalti esiintyvää, alumiinipitoista savimaista ainetta. Sen louhinnan ja jalostuksen jälkeen aine käsitellään Bayer-prosessiksi kutsutulla märkäkemiallisella kaustisella uuttamisprosessilla, jonka tuloksena saadaan alumiinioksidijauhetta, jota voidaan käyttää moniin eri sovelluksiin.

Alumiinioksidia voidaan valmistaa useilla eri menetelmillä, kuten yksiaksiaalisella ja isostaattisella puristuksella, ruiskuvalulla ja suulakepuristuksella. Valmistettujen komponenttien viimeistelyyn voidaan käyttää tarkkuushiontaa, kiillotusta, laserkäsittelyä sekä muita menetelmiä.