Zwarte poreuze aluminiumoxidekeramiek: het lichtabsorberende materiaal van halfgeleider-vacuümkeramiek.
De laatste jaren is, door de voortdurende verbetering van de productprestaties en de productie van geïntegreerde schakelingen, de vraag naar vacuümklemmen die een hogere precisie en prestatie bieden voor het klemmen van componenten toegenomen. De vacuümklem is via een verbindingsbuis aangesloten op de vacuümapparatuur. Wanneer de vacuümklem in contact komt met het te bewerken object, zoals plaat- of foliemateriaal, treedt de vacuümapparatuur in werking en creëert onderdruk in de vacuümklem. Onder invloed van de atmosferische druk hecht het te bewerken object zich stevig aan de vacuümklem, waarna de bijbehorende bewerking kan worden uitgevoerd. Wanneer de bewerking van het werkstuk is voltooid, stopt de vacuümapparatuur met werken en wordt de vacuümklem langzaam met lucht gevuld. Het werkstuk scheidt zich automatisch van de vacuümklem, waarmee de processen van klemmen, bewerken en hanteren van het werkstuk zijn voltooid. Traditionele vacuümklemmen zijn metalen klemmen met doorvoergaten, zoals klemmen van aluminiumlegering en roestvrij staal. Door de grote afmetingen van de adsorptiegaten veroorzaakt de gasdruk bij het adsorberen en fixeren van oppervlaktemontage-/dunnefilmcomponenten lokale elastische vervorming van het dunne plaat- of filmmateriaal nabij de adsorptiegaten. Dit heeft nadelige gevolgen voor latere verwerkingsprocessen, zoals het printen van circuits. Momenteel worden poreuze keramische materialen met poriegroottes in de orde van micrometers veelvuldig gebruikt als vacuümklem. Om interferentie door strooilicht dat van de klem wordt weerkaatst tijdens de fotolithografie van elektronische componenten te voorkomen, is het noodzakelijk dat de vacuümklem zwart is. Momenteel worden alle zwarte poreuze keramische vacuümklemmen die door fabrikanten van elektronische componenten in ons land worden gebruikt, geïmporteerd uit het buitenland en zijn ze erg duur.
Het onderzoek en de ontwikkeling van een nieuwe zwarte poreuze keramische vacuümklem door Fountyl Technologies is daarom van groot belang en biedt brede toepassingsmogelijkheden voor het verminderen van importafhankelijkheid en het verlagen van de productiekosten van binnenlandse bedrijven. Zwarte aluminiumoxidekeramiek wordt gemaakt door Al2O3 als hoofdbestanddeel te sinteren, met overgangsmetaaloxiden als kleurstoffen en sinterhulpmiddelen die bij een bepaalde temperatuur worden toegevoegd. De kleurstof is een belangrijk onderdeel van dit type keramiek en bepaalt de uiteindelijke kleur. Bij de keuze van kleurstoffen voor dergelijke keramiek die als vacuümklem wordt gebruikt, is het noodzakelijk om rekening te houden met de kleurintensiteit, mechanische sterkte, porositeit en poriegrootte van de vacuümklem.
Momenteel worden in binnen- en buitenland veelgebruikte overgangsmetaaloxiden als kleurstoffen gebruikt, waaronder Fe2O3, CoO, NiO, Cr2O3, MnO2, enz. Fe2O3, CoO, NiO en MnO2 worden het meest toegepast. Dit komt doordat aluminiumoxide bij hoge temperaturen relatief weinig vervluchtigt, terwijl het tegenovergestelde geldt voor overgangsmetaaloxiden: hoe hoger de temperatuur, hoe sneller de vervluchtiging. Deze oxiden vormen spinelachtige verbindingen tijdens sinteren bij hoge temperaturen, waardoor hun vervluchtiging afneemt. Om de vervluchtiging van overgangsmetaaloxiden te onderdrukken, moeten daarom geschikte procesomstandigheden worden gekozen die ervoor zorgen dat ze bij lagere temperaturen spinelachtige verbindingen vormen.
Bereiding van zwarte aluminiumoxidekeramiek
Momenteel worden in de industrie vaak tweestaps- en eenstaps-sintermethoden gebruikt om dergelijke keramiek te bereiden. Een synthetische methode is het rechtstreeks mengen van aluminiumoxide, kleurstof en cosolvent in een bepaalde verhouding en volgens een bepaald proces om zwart aluminiumoxide te produceren. Deze methode is eenvoudig van opzet, maar de kleuring van de keramiek is iets minder goed dan bij de secundaire synthesemethode. Dit komt doordat kleuroxiden zoals Fe2O3, Cr2O3, CoO, V2O5, NiO en Mn2O3 allemaal een sterke vluchtigheid vertonen bij hoge temperaturen. De secundaire synthesemethode omvat eerst het synthetiseren van zwarte pigmenten met behulp van metaaloxiden, en vervolgens het bereiden van zwart aluminiumoxide door de zwarte pigmenten, cosolventen en aluminiumoxide in een bepaalde verhouding en volgens een bepaald proces te combineren. Deze methode is vrij complex van opzet en heeft een hoog energieverbruik.
Zwarte poreuze aluminiumoxidekeramiek werd vervaardigd door middel van gelinjectiegieten.
Poreuze aluminiumoxidekeramiek is een type keramisch materiaal met aluminiumoxide als matrix. Dit materiaal wordt bij hoge temperaturen gesinterd en bevat een groot aantal microporiën of poreuze structuren die met elkaar verbonden zijn en ook in contact staan met het oppervlak. De poriestructuur en de specifieke chemische samenstelling van poreuze keramiek beïnvloeden direct de morfologie en eigenschappen ervan. De belangrijkste factor die de poriestructuur beïnvloedt, is het bereidingsproces en de bereidingsmethode.
Bij de gel-injectievormmethode worden organische stoffen met een hoog moleculair gewicht toegevoegd aan de keramische suspensie. De polymerisatiereactie die hierdoor ontstaat, zorgt ervoor dat de keramische suspensie ter plaatse stolt en een groenlichaam vormt. Het water in het groenlichaam verdampt, waardoor poriën achterblijven. Vervolgens vindt sinteren bij hoge temperaturen plaats om de organische stoffen met een hoog moleculair gewicht in het groenlichaam te ontbinden. Zo wordt een poreus keramisch materiaal met een bepaalde porositeit verkregen. De porositeit van het zwarte poreuze aluminiumoxidekeramiek dat voor vacuümhouders wordt gebruikt, moet ongeveer 40% bedragen.
Tijdens de bereiding van zwarte poreuze aluminiumoxidekeramiek wordt een geschikte hoeveelheid sinterhulpstoffen toegevoegd. Omdat de roosterconstante van de aluminiumoxidematrix niet veel verschilt van die van sommige sinterhulpstoffen, worden er tijdens het sinterproces gemakkelijk vaste oplossingen of nieuwe fasen gevormd. Dit veroorzaakt roostervervorming en verlaagt daardoor de sintertemperatuur. Mangaanoxide (MnO2) genereert een vloeibare fase tijdens het sinterproces. Door de vloeibaarheid van de vloeibare fase en de invloed van oppervlaktekrachten wordt de diffusiesnelheid van atomen versneld, wat de vorming van gemengde spinelverbindingen bevordert en ervoor zorgt dat de keramische monsters verschillende kleurgradaties vertonen. Volgens relevant experimenteel onderzoek leidt een lagere aluminiumoxideconcentratie en een hogere concentratie kleurstoffen tot een diepere kleur bij een gelijk gehalte aan sinterhulpstoffen.
De invloed van sinterhulpmiddelen en kleurstoffen op zwarte poreuze aluminiumoxidekeramiek
Bij de bereiding van keramische materialen kan een poriedichtheid van 95% worden bereikt, doorgaans voor nanostructuren, en de porositeitsverdeling is relatief uniform. Tijdens de bereiding van poreus aluminiumoxidekeramiek wordt de juiste hoeveelheid sinteradditieven toegevoegd. Omdat de roosterconstante van de aluminiumoxidesubstraten vergelijkbaar is, vormen sommige sinteradditieven tijdens het sinterproces gemakkelijk een vaste oplossing of een nieuwe fase, wat leidt tot roostervervorming en daardoor de sintertemperatuur verlaagt. Mangaanoxide (MnO2) genereert een vloeibare fase tijdens het sinterproces. Door de vloeibaarheid van de vloeibare fase en de invloed van oppervlaktekrachten wordt de diffusiesnelheid van atomen versneld, wat de vorming van gemengde spinelverbindingen bevordert en ervoor zorgt dat de keramische monsters verschillende kleurgradaties vertonen. Volgens relevant experimenteel onderzoek leidt een gelijke hoeveelheid sinteradditieven tot een diepere kleur bij een lagere hoeveelheid aluminiumoxide en een hogere hoeveelheid kleurstoffen.
Omdat de sintertemperatuur van de monsters die met de gel-injectievormmethode zijn bereid 1250 °C bedraagt, wat relatief laag is, en omdat zowel de oxiden Fe2O3 als MnO2 een kleurende als een fluïde werking hebben, zal de porositeit afnemen naarmate het gehalte aan kleurstof geleidelijk toeneemt. Vervolgens zal, bij een verdere toename van het gehalte aan kleurstof, een bepaalde hoeveelheid MnO2 bij een hogere temperatuur verdampen. Dit heeft een vergelijkbaar effect als schuimvorming, waardoor de porositeit toeneemt.
Vacuümspankoppen van poreus keramiek maken gebruik van ultrafijne microgaatjes en een kleine tussenruimte, waardoor ze dunnere en meer delicate werkstukken betrouwbaar kunnen verwerken. Bovendien kunnen deze vacuümspankoppen werkstukken van verschillende afmetingen klemmen zonder dat er een reeks verschillende vormen en maten nodig is, wat kosten bespaart en de efficiëntie verhoogt. Momenteel worden vacuümspankoppen van zwart poreus keramiek in China nog steeds geïmporteerd. Het bestuderen van de procesprincipes en bereidingswijzen is daarom van groot belang voor bedrijven om kosten te besparen.
Fountyl Technologies Pte Ltd. introduceerde Japanse technologie voor het onderzoek naar en de productie van diverse soorten poreuze keramische vacuümhouders, met name matzwarte poreuze keramiek. Deze worden momenteel op grote schaal geproduceerd. Dankzij 13 jaar technische ervaring is Fountyl uitgegroeid tot de voorkeursleverancier van keramische houders in de halfgeleiderindustrie.
