O pó de alumina fundida branca em microescala pode ser usado na indústria eletrônica?

Introdução

A indústria eletrônica abrange uma ampla gama de processos de fabricação e requisitos de materiais, incluindo fabricação de semicondutores, embalagens eletrônicas, sistemas de isolamento à base de polímeros, gerenciamento térmico e processamento de superfície de precisão.

Micro pó de alumina fundida branca (WFA)é um material abrasivo à base de alumina de alta dureza que está bem estabelecido em aplicações convencionais, como abrasivos, lapidação, acabamento superficial e sistemas refratários. Seu uso potencial em aplicações relacionadas à eletrônica, entretanto, requer uma qualificação mais cuidadosa.

Se o Micro Pó de Alumina Fundida Branca é adequado para uma aplicação eletrônica não pode ser respondido com um simples sim ou não. A adequação depende do grau específico do pó, das características das partículas, da composição química, da formulação, do método de processamento e dos requisitos de qualificação específicos da aplicação.

Por esta razão, o WFA deve ser avaliado como um material específico de classe, em vez de tratado como uma carga eletrônica universal, material de gerenciamento térmico, carga laminada ou abrasivo de polimento semicondutor.

O que é micro pó de alumina fundida branca?

A alumina fundida branca é produzida pela fusão de alumina calcinada em um forno elétrico a arco. Após a fusão, o material é resfriado e posteriormente processado por britagem, moagem e classificação de partículas para obter os tamanhos de grãos ou micropós necessários.

O material consiste predominantemente em α-Al₂O₃ e difere de outros produtos de alumina de acordo com sua rota de fabricação e estrutura de partícula resultante.

Os micropós WFA comerciais podem variar em características como:

• distribuição granulométrica;
• morfologia das partículas;
• composição química;
• perfil de impurezas;
• condição da superfície;
• comportamento de aglomeração;
• especificações de qualidade específicas da categoria.

Estas diferenças são particularmente importantes quando o WFA está sendo considerado para aplicações relacionadas à eletrônica, onde as especificações exigidas podem diferir substancialmente daquelas usadas para aplicações convencionais de abrasivos ou refratários.

Características do material principal

A alumina fundida branca é um abrasivo cerâmico de alta dureza com estabilidade química e térmica característica dos materiais de alumina. A alumina também é amplamente reconhecida como uma cerâmica eletricamente isolante.

No entanto, três níveis diferentes de comportamento material devem ser mantidos separados:

• Características intrínsecas da alumina, como dureza da cerâmica e comportamento de isolamento elétrico;
• Características de qualidade em pó, incluindodistribuição de tamanho de partícula, morfologia, composição, impurezas, condição superficial e aglomeração;
• Propriedades do sistema acabado, como condutividade térmica composta, desempenho dielétrico, reologia, propriedades mecânicas, comportamento dimensional e confiabilidade.

Esta distinção é importante porque o desempenho de um compósito polimérico eletrônico ou processo de polimento não pode ser previsto apenas a partir da identidade química do pó WFA.

Potenciais aplicações relacionadas à eletrônica

Sistemas de Polímeros de Gerenciamento Térmico

As cargas de alumina são amplamente investigadas e utilizadas em compósitos poliméricos termicamente condutores e eletricamente isolantes para aplicações de gerenciamento térmico eletrônico.

O Micro Pó de Alumina Fundida Branca pode, portanto, ser avaliado como um potencial enchimento de alumina em sistemas poliméricos selecionados. A sua adequação, contudo, depende dos requisitos da formulação específica.

Partículas convencionais de WFA são produzidas através de britagem e moagem e podem ter morfologia angular ou irregular. Em comparação, os produtos esféricos de alumina são projetados especificamente para fornecer geometria de partícula arredondada e podem oferecer vantagens no comportamento de empacotamento, fluidez e controle de viscosidade em alguns sistemas poliméricos altamente preenchidos.

Isso não significa que o WFA angular seja inerentemente inutilizável como preenchimento. Isso significa que não se deve presumir que o WFA se comporte de forma idêntica aos tipos de alumina esférica ou de outros tipos de alumina artificial.

Quando a alumina é incorporada em uma matriz polimérica, a condutividade térmica do compósito acabado pode ser afetada por fatores incluindo:

• carregamento de enchimento;
• distribuição granulométrica;
• morfologia das partículas;
• química de polímeros;
• dispersão de partículas;
• interfaces preenchimento-matriz;
• tratamento de superfície, quando utilizado;
• condições de processamento e cura.

Trabalhos experimentais em sistemas epóxi preenchidos com alumina confirmam que as características das partículas e as condições de formulação podem afetar significativamente a resposta térmica do compósito resultante.

O tratamento de superfície também pode ser considerado em algumas formulações para modificar a dispersão ou as interações carga-matriz, mas sua utilidade é específica da formulação e deve ser avaliada em vez de presumida.

Sistemas Elétricos e de Encapsulamento

A alumina é uma cerâmica eletricamente isolante e polímeros cheios de alumina são usados ​​em aplicações selecionadas de isolamento elétrico e embalagens eletrônicas.

O Micro Pó de Alumina Fundida Branca pode ser avaliado como um enchimento em tais sistemas, mas as características elétricas do material acabado devem ser diferenciadas daquelas da própria alumina.

Propriedades como:

• rigidez dielétrica;
• constante dielétrica;
• perda dielétrica;
• resistividade volumétrica;
• resposta à umidade;
• confiabilidade elétrica a longo prazo
• dependem do sistema curado completo.

Variáveis ​​relevantes podem incluir a matriz de resina, carga de carga, distribuição de partículas, impurezas, umidade, dispersão, condição interfacial e processo de cura.

Por esta razão, o desempenho do isolamento eléctrico deve ser confirmado utilizando a formulação pretendida e condições de teste apropriadas, em vez de ser inferido apenas a partir da presença de alumina.

Lapidação e polimento de precisão

A alumina fundida branca é consagrada como material abrasivo e sua alta dureza a torna relevante para processos mecânicos de remoção de material.

Na fabricação relacionada a eletrônicos, pós abrasivos podem ser usados ​​para retificação, lapidação ou polimento mecânico de materiais adequados. Contudo, a seleção do abrasivo deve corresponder ao substrato e à condição de superfície desejada.

Considerações relevantes incluem:

• tamanho de partícula abrasiva;
• distribuição granulométrica;
• conteúdo de partículas grossas;
• morfologia das partículas;
• requisitos de remoção de material;
• requisitos de acabamento superficial;
• danos subterrâneos aceitáveis;
• comportamento de dispersão e lama quando aplicável.

A consistência do tamanho das partículas é particularmente importante no acabamento de precisão. Partículas grossas e aglomerados podem aumentar o risco de arranhões ou outros defeitos superficiais.

Portanto, o fato de o WFA ser um abrasivo fino não estabelece por si só a adequação para todos os processos eletrônicos de precisão.

CMP: Distinções e Limitações Importantes

A planarização químico-mecânica (CMP) é fundamentalmente diferente da retificação ou lapidação convencional.

O CMP combina a interação mecânica entre as partículas abrasivas, a almofada de polimento e a peça de trabalho com as interações químicas da lama. O tipo de abrasivo, o tamanho das partículas, a distribuição do tamanho, a aglomeração, a estabilidade da pasta, a química e as condições do processo podem influenciar o comportamento de remoção e a formação de defeitos.

A literatura sobre CMP inclui sistemas abrasivos à base de sílica, céria e alumina, demonstrando que a alumina como família química não é universalmente excluída do CMP.

No entanto, isso não significa que o micro pó de alumina fundida branca industrial comum deva ser tratado como um abrasivo CMP semicondutor.

Os abrasivos CMP são projetados para o processo de polimento específico e podem exigir:

• tamanho e distribuição de partículas;
• controle de partículas grandes ou aglomerados;
• estabilidade de dispersão;
• pureza química;
• química de pasta;
• interação com o material alvo;
• desempenho de defeitos de superfície.

A pesquisa sobre os mecanismos de defeito do CMP mostra que a aglomeração abrasiva e partículas anormais podem contribuir para a formação de arranhões.

Conseqüentemente, o micropó WFA comum não deve ser representado como adequado para CMP semicondutor simplesmente porque abrasivos de alumina são usados ​​em alguns sistemas CMP especializados.

Lapidação mecânica, retificação, polimento convencional e CMP de semicondutores devem, portanto, ser tratados como categorias de aplicação separadas durante a seleção do material.

Considerações sobre laminado eletrônico

Em laminados eletrônicos e compósitos poliméricos, cargas inorgânicas podem ser selecionadas para modificar características térmicas, elétricas, mecânicas, dimensionais ou de processamento.

Quando o Micro Pó de Alumina Fundida Branca for avaliado para tal formulação, sua adequação deverá ser determinada a partir dos requisitos do sistema laminado completo.

Considerações relevantes podem incluir:

• morfologia do preenchimento;
• distribuição granulométrica;
• carregamento de enchimento;
• comportamento de usinagem ou furação;
• compatibilidade de polímeros;
• viscosidade da formulação;
• propriedades dielétricas;
• comportamento de expansão térmica;
• desempenho mecânico.

Para materiais eletrônicos de alta frequência, a constante dielétrica e a perda dielétrica são parâmetros de projeto em nível de sistema. O efeito de qualquer carga contendo alumina precisa, portanto, ser determinado na formulação real do laminado e nas condições operacionais relevantes.

Não se deve presumir que o WFA seja intercambiável com outras cargas inorgânicas projetadas apenas porque esses materiais também são usados ​​em sistemas poliméricos eletrônicos.

Por que o WFA não é intercambiável com outras cargas de alumina

O termo carga de alumina abrange materiais com diferentes métodos de produção, morfologias, estruturas de partículas, composições e especificações.

Por exemplo:

• A alumina fundida branca é produzida por fusão seguida de britagem e classificação de partículas.
• A alumina esférica é projetada para fornecer morfologia de partículas arredondadas e é amplamente estudada para sistemas poliméricos termicamente condutores.
• A alumina calcinada é produzida através de processamento térmico em vez de fusão e pode ter diferentes características de partícula.
• Alumina de grau eletrônico refere-se a graus controlados para atender a requisitos específicos de materiais eletrônicos, em vez de uma pureza universal única ou especificação de partícula.

Todos esses materiais podem conter Al₂O₃, mas a identidade química por si só não os torna intercambiáveis.

A seleção da classe deve, portanto, ser baseada nas especificações reais do pó e nos testes de aplicação.

Parâmetros principais de materiais para avaliação de aplicações

Distribuição de tamanho de partícula e controle de partículas grossas

A distribuição do tamanho das partículas é um parâmetro importante para aplicações de enchimento e abrasivos.

Para sistemas poliméricos, pode influenciar:

• embalagem;
• viscosidade da formulação;
• dispersão;
• carregamento de enchimento;
• comportamento composto final.
• Para processos abrasivos, pode afetar:
• comportamento de remoção;
• acabamento superficial;
• risco de arranhões;
• consistência do processo.

A ISO 8486-2:2007 fornece um método reconhecido para determinar ou verificar a distribuição de tamanho de microgrânulos de óxido de alumínio fundido de F230 a F2000, incluindo grãos soltos usados ​​no polimento.

Os requisitos específicos de tamanho de partícula para uma aplicação eletrônica, entretanto, devem ser definidos de acordo com essa aplicação, e não assumidos a partir de uma classificação abrasiva geral.

Pureza e Impurezas Relevantes

A composição química e os níveis de impurezas podem tornar-se cada vez mais importantes à medida que os requisitos dos materiais se tornam mais exigentes.

Os compradores devem, portanto, avaliar a especificação de qualidade disponível para:

• teor de alumina;
• impurezas de óxido relevantes;
• contaminantes sensíveis à aplicação, quando aplicável;
• consistência entre lotes de produção.

Nenhum limite único de impurezas deve ser aplicado universalmente a todas as aplicações relacionadas à eletrônica.

Morfologia das Partículas

A morfologia das partículas influencia tanto o comportamento abrasivo quanto o processamento do polímero.

A alumina fundida triturada geralmente exibe características de partículas angulares, enquanto a alumina esférica projetada tem um empacotamento e um perfil reológico diferentes.

A morfologia preferida depende se o material está sendo avaliado principalmente como:

• um abrasivo;
• um enchimento particulado;
• parte de uma pasta;
• parte de uma formulação de polímero altamente preenchido.

Condição e tratamento da superfície, quando relevante

A condição da superfície pode influenciar o umedecimento, a dispersão, a interação com a umidade e o comportamento da carga-matriz.

A modificação de superfície ou tratamento com agente de acoplamento é usado em algumas pesquisas de alumina/polímero e formulações comerciais para modificar o comportamento interfacial.

Contudo, o tratamento de superfície não é um pré-requisito universal para todas as aplicações de WFA. Seu efeito deve ser avaliado na resina ou sistema transportador pretendido.

Comportamento de dispersão e aglomeração

A dispersão é importante tanto em polímeros preenchidos quanto em suspensões abrasivas.

A má dispersão ou aglomeração pode produzir formulações não uniformes, reologia inconsistente ou defeitos superficiais indesejáveis ​​em processos abrasivos de precisão.

A pesquisa da CMP, em particular, demonstra a importância da estabilidade da pasta e do controle de partículas grandes para minimizar microriscos e defeitos relacionados.

Consistência de lote

Quando um processo relacionado à eletrônica é sensível a variações químicas ou de partículas, a consistência entre lotes pode ser importante para o controle do processo.

Parâmetros relevantes podem incluir distribuição de tamanho de partícula, composição química, umidade ou outras especificações específicas do grau.

A consistência necessária deve ser definida de acordo com o processo pretendido e a especificação do cliente.

Documentação e informações de suporte

Dependendo da aplicação e do fornecedor, os documentos úteis podem incluir:

• Ficha Técnica (TDS);
• Ficha de Dados de Segurança (FDS);
• Certificado de Análise (COA);
• dados de teste específicos do lote;
• informações de teste de tamanho de partícula;
• orientação técnica específica da aplicação.

Estes documentos têm finalidades diferentes e não devem ser tratados como intercambiáveis.

O que compradores e engenheiros de processo devem verificar

Informações sobre pó e grau

Ao avaliarMicro pó de alumina fundida brancapara uma aplicação relacionada à eletrônica, os compradores e engenheiros de processo devem revisar, quando relevante e disponível:

• grau exato do produto;
• distribuição granulométrica e método de medição;
• especificação de partículas grossas ou de tamanho grande, quando fornecido;
• composição química;
• teor de alumina;
• informações relevantes sobre impurezas;
• morfologia das partículas;
• especificação de umidade, quando aplicável;
• informações sobre dispersão, quando disponíveis;
• tratamento de superfície, se aplicável;
• informações sobre qualidade de lote;
• TDS;
• FDS;
• COA ou dados de lote equivalentes, quando fornecidos.

Validação Específica da Aplicação

A documentação material é apenas o ponto de partida.

A adequação deve ser avaliada sob condições representativas da aplicação pretendida.

Dependendo do uso, a validação pode incluir:

• compatibilidade de formulação;
• comportamento de mistura e dispersão;
• viscosidade de processamento;
• testes térmicos;
• testes dielétricos;
• testes mecânicos;
• avaliação de estabilidade dimensional;
• comportamento de remoção abrasiva;
• avaliação de rugosidade superficial ou defeitos;
• testes de confiabilidade relevantes.

Os testes apropriados dependem do uso final real.

Limitações e limites de aplicação

O micropó de alumina fundida branca não deve ser considerado adequado para todas as aplicações relacionadas à eletrônica sem uma avaliação específica do grau e do processo.

Limites importantes incluem:

• CMP semicondutor:O micropó WFA industrial comum não deve ser tratado automaticamente como um abrasivo semicondutor CMP. O CMP exige qualificação de abrasivos e lamas específicas do processo.
• Preenchimentos eletrônicos especializados:O WFA não deve ser tratado como diretamente intercambiável com alumina esférica ou outras cargas especificamente projetadas para sistemas de polímeros eletrônicos.
• Isolamento elétrico:A alumina é eletricamente isolante, mas o desempenho dielétrico final pertence ao sistema formulado completo.
• Gerenciamento térmico:A seleção do enchimento de alumina por si só não determina a condutividade térmica de um TIM acabado, encapsulante ou composto de envasamento.
• Laminados eletrônicos:A adequação depende do projeto completo da resina/carga, da rota de processamento, dos requisitos elétricos e das condições de aplicação.
• Processamento abrasivo de precisão:O tamanho das partículas finas por si só não estabelece a adequação. A distribuição do tamanho das partículas, a aglomeração, a compatibilidade do substrato e os requisitos de qualidade da superfície também devem ser considerados.

Conclusão

O micro pó de alumina fundida branca pode ser considerado para aplicações selecionadas relacionadas à eletrônica, mas não é um material eletrônico universal.

Suas funções mais relevantes decorrem de duas funções diferentes do material: seu uso como abrasivo de alumina de alta dureza em processos de acabamento mecânico apropriados e sua possível avaliação como carga contendo alumina em sistemas poliméricos selecionados.

Para aplicações de gerenciamento térmico, encapsulamento, laminado ou outras aplicações de materiais eletrônicos, o desempenho final depende da formulação completa e não apenas do WFA.

Da mesma forma, o micropó WFA industrial comum não deve ser equiparado aos abrasivos CMP projetados simplesmente porque partículas de alumina são usadas em alguns sistemas CMP.

Um processo de seleção tecnicamente correto deve, portanto, começar com o grau e especificação exatos do pó, seguido pela avaliação da distribuição do tamanho das partículas, morfologia, composição, impurezas, comportamento de dispersão, documentação e testes específicos da aplicação.

Referências

1. Schafföner, S., Dietze, C., Möhmel, S., Fruhstorfer, J., & Aneziris, CG (2017). Refratários contendo agregados de alumina fundidos e sinterizados: Investigações sobre processamento, distribuição granulométrica e morfologia das partículas.Cerâmica Internacional, 43(5), 4252–4262. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.12.067.
2. Ouyang, Y., Bai, L., Tian, ​​H., Li, X., & Yuan, F. (2022). Progresso recente de compósitos ploymer condutores térmicos: cargas de Al₂O₃, propriedades e aplicações.Compósitos Parte A: Ciência Aplicada e Fabricação, 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). Composto epóxi preenchido com alumina termicamente condutora potencial para gerenciamento térmico de LEDs de alta potência.Journal of Materials Science: Materiais em Eletrônica, 28(1), 856-867. DOI: 10.1007/s10854-016-5600-4.
4. Raghavan, S., Keswani, M. e Jia, R. (2008). Ciência e Tecnologia de Partículas na Engenharia de Polpas para Planarização Químico-Mecânica.Diário de pó e partículas KONA, 26, 94–105. DOI: 10.14356/kona.2008010.
5. Kwon, T.-Y., Ramachandran, M., & Park, J.-G. (2013). Formação de arranhões e seu mecanismo na planarização químico-mecânica (CMP).Fricção, 1(4), 279–305. DOI: 10.1007/s40544-013-0026-y.
6. Organização Internacional de Padronização. (2007).ISO 8486-2:2007 - Abrasivos aglomerados - Determinação e designação da distribuição granulométrica - Parte 2: Microgrits F230 a F2000. ISO.