Las tecnologías de la fabricación para todos los materiales de cerámica electrónica tienen los mismos pasos de procesado básicos, sin importar el uso: preparación del polvo, procesado de dicho polvo, “green forming”, y la densificación.
Preparación del polvo de la cerámica
La meta en la preparación del polvo es alcanzar un polvo de cerámica que rinda en un producto que satisfaga los estándares de funcionamiento especificados. Los ejemplos de los métodos más importantes de la preparación del polvo para la cerámica electrónica incluyen mezcla/calcinación, la co-precipitación de solventes, el procesado hidrotérmico, y la descomposición orgánica del metal. La tendencia en síntesis del polvo está encaminada hacia los polvos que tienen tamaños de partícula menos de 1 milímetro y poco o nada de aglomeraciones duras para la reactividad y la uniformidad realzadas. Los ejemplos de los cuatro métodos básicos se presentan en la tabla 2 para la preparación del polvo BaTiO3.
Método |
Reacción |
Tamaño de partícula |
|---|---|---|
| Mezcla/calcinación | BaCO3 + TiO2 → ∆T BaTiO3
+ CO2↑ |
1 μm a 100s de μm |
| Co-precipitación | Ba2+ + TiO2 + CO2O42- → (H2O) BaTi(C2O)24H2O
→ ∆T BaTiO3 + 4 H2O ↑ + 4CO2 ↑ |
Si es calcinado, tamaño medio nf ≈ 0.5 μm luego de molienda |
| Hidrotérmico | Ba2+ + TiO2 + H2O →
BaTiO3 + 2H2O |
Manométrico a 50 μm |
| descomposición orgánica del metal | 5.0 – 35.0 μm dependiendo en las condiciones de calcinación |
Tabla 2. Los métodos preparaban los polvos de cerámica electrónicos BaTiO3
Mezclar los componentes seguidos de una calcinación y después molerlos es el método más utilizado en la preparación del polvo. El proceso de mezcla y calcinación es directo, y en el general, el uso más rentable de los bienes de equipo. Sin embargo, la calcinación de alta temperatura produce un polvo aglomerado que requiere ser molido. La contaminación de medios que muelen y la guarnición del molino en el paso que muele pueden crear defectos en el producto manufacturado en forma de inclusiones mal sinterizadas o de modificaciones indeseables del compuesto. Además, es difícil alcanzar la homogeneidad, la estequiometría, y las fases deseadas para la cerámica de composición compleja.
Co-precipitación
Es una técnica química en la cual los compuestos son precipitados de una solución precursora por la adición de un agente de precipitación, por ejemplo, un hidróxido. La sal del metal entonces se calcina a la fase deseada. La ventaja de estas técnicas frente a la técnica de mezcla + calcinación es que la mezcla de los elementos deseados se alcanza fácilmente, permitiendo así temperaturas más bajas. Las limitaciones son que el paso por la calcinación puede dar lugar de nuevo a la aglomeración de polvo fino y a la necesidad de moler. Un problema adicional es que los iones usados para proporcionar las sales solubles (por ejemplo, los cloruros del metal) pueden rezagarse en el polvo después de la calcinación, afectando las características en el material sinterizado.
Proceso hidrotérmico
Utiliza agua caliente bajo presión (sobre 100°C) para producir los óxidos cristalinos. Esta técnica se ha utilizado extensamente en el procesado de formación del Al2O3 (proceso de Bayer), pero todavía no para otros polvos electrónicos. Se espera que la situación cambie.La ventaja principal de la técnica hidrotérmica es que los polvos cristalinos de estequiometría deseada y las fases se pueden preparar en las temperaturas perceptiblemente inferiores a las requeridas para la calcinación. Otra ventaja es que la fase de la solución se puede utilizar para mantener las partículas separadas y para reducir al mínimo la aglomeración. La limitación principal del proceso hidrotérmico es la necesidad de las materias de base de reaccionar en un sistema cerrado para mantener la presión y para prevenir hervir la solución.
La descomposición orgánica del metal (MOD)
Es una técnica de síntesis en la cual metal que contiene los productos químicos orgánicos reacciona con agua en un solvente no acuoso formando un hidróxido del metal o un óxido acuoso, o en los casos especiales, un óxido de metal anhidro. Las técnicas de la MOD se pueden también utilizar para preparar los polvos del nonoxida. Los polvos pueden requerir la calcinación para obtener la fase deseada. Una ventaja importante del método MOD es el control sobre la pureza y la estequiometría que pueden ser alcanzadas. Dos limitaciones son: el control de la atmósfera (si está requerido) y costo de los productos químicos. Sin embargo, el coste de productos químicos orgánicos del metal está disminuyendo con el mayor uso de las técnicas MOD.
Procesado del polvo
Una pauta básica de la fabricación del polvo es que el procesado debe ser tan simple (el menor) como sea posible para alcanzar los estándares de funcionamiento apuntados. La fabricación del polvo de cerámica es un proceso iterativo durante el cual los contaminantes indeseables y los defectos pueden entrar en el material en cualquier etapa. Por lo tanto, es la mejor opción mantener el esquema de proceso del polvo tan simple como sea posible manteniendo la flexibilidad. Los factores incontrolables tales como cambios en las características de los polvos se deben acomodar en el proceso de la hornada del material. Mantener el proceso simple no es siempre posible: cuanto más complejo el sistema material, más complejos son los requisitos del proceso.
Un requisito fundamental en el procesado del polvo es la caracterización de los polvos recibidos. Muchos surtidores del polvo proporcionan la información y vierten densidades, distribuciones de tamaño de partícula, áreas superficiales específicas, y análisis químicos. Los datos de la caracterización proporcionados por los surtidores se deben comprobar y aumentar más lejos en lo posible con la caracterización interna. El comportamiento uniaxial de la compactación de la caracterización, en detalle, se mide y proporciona fácilmente con datos en la naturaleza de las aglomeraciones en un polvo.
Formación del Verde (green forming)
La formación del verde es uno de los pasos más críticos de la fabricación de la cerámica electrónica. La opción de esta técnica depende de la última geometría requerida para un uso específico. Hay muchas y diversas maneras de formar la cerámica verde, varias de las cuales se resumen en la tabla 3. Los condensadores de múltiples capas requieren la preparación y apilar las hojas de cerámica de dos dimensiones para obtener una capacitancia grande en un volumen pequeño. Las técnicas usadas para preparar las hojas de dos dimensiones de cerámica verde, incluyendo el bastidor de la cinta, se discuten más adelante bajo proceso de la cerámica de múltiples capas.
Método de formación del verde |
Geometrías |
Aplicaciones |
|---|---|---|
| Conformado uniaxial | Discos, tiroides y platos | Capacitares de discos, piezo transductores, magnetos |
| Presionado isostático en frío | Complejas y simples | Bujías, Sensores de Zr2O2-O2 |
| Bastidor coloidal | Formas complejas | Crisoles, aislador de porcelana |
| Extrusión | Laminas delgadas (>80 μm), barras, tubos, substratos en forma de panal | substratos, aislación de termocuplas, conversores cataliticos, calefactores PTC |
| Moldeado de inyección | Formas complejas pequeñas (<1.0 cm) | Sensores de Zr2O2-O2 |
Tabla 3. Procedimientos de formación verdes para la cerámica electrónica
Conformado uniaxial
Es el método usado lo más extensamente posible para impartir forma a los polvos de cerámica. Las carpetas, los lubricantes, y otros añadidos se incorporan a menudo en polvos de cerámica antes de presionar para proporcionar fuerza y así asistir a la compactación de la partícula. Las geometrías simples tales como substratos rectangulares para los paquetes del circuito integrado (IC) se pueden hacer por conformado con presión uniaxial.
Presionado isostático en frío (CIP).
Formas más complejas se pueden hacer por presionado isostático en frío (CIP). El CIP utiliza moldes de goma deformable de la forma requerida para contener el polvo. El CIP no se automatiza tan fácilmente como la técnica anteriormente comentada, y hay que encontrarle un uso más amplio en la preparación de formas más complejas como aisladores del enchufe de chispa.
Bastidor coloidal
El bastidor coloidal se ha utilizado para hacer formas complejas en la industria del “whiteware” durante muchos años. El otro trabajo ha demostrado que el bastidor coloidal se puede utilizar para producir los materiales de cerámica electrónicos que tienen fuerza excepcional porque las aglomeraciones duras se pueden eliminar en la suspensión. El bastidor coloidal utiliza un molde poroso en el cual las partículas finas en una suspensión coloidal se acumulan debido a las fuerzas capilares en la superficie de la pared del molde. El embalaje relativamente denso de las partículas, aproximadamente un 60% de densidad teórica, puede ser alcanzado. Cabe destacar que los agregados duros se pueden eliminar del coloide por la selección y el procesado conveniente del polvo.
Extrusión
Además de ser la técnica de formación preferida para las barras y los tubos de cerámica, el procesado de extrusión se utiliza para fabricar las láminas verdes gruesas usadas en muchos componentes electrónicos. El grueso más pequeño para las láminas verdes preparadas por técnicas de la protuberancia es cercano a los 80 milímetros. Los añadidos orgánicos similares a ésos usados en el bastidor de la cinta se emplean para formar una masa plástica de la alta viscosidad que conserve su forma cuando está sacada. El aparato de la protuberancia, demostrado esquemáticamente en el cuadro 4, consiste en una tolva para la introducción de la masa plastificada, un compartimiento de ventilación, y un screw-type o el embolo tipo barril del transporte en el cual la presión se genera para el paso de la masa plástica a través de un dado de la geometría deseada. La masa plástica se saca sobre una correa del portador y se pasa a través de los secadores para relajar la tensión plástica restante después de la protuberancia. La hoja verde puede ser estampada o cortada en cubitos para formar discos, las obleas, u otras formas.
Figura 4. Diagrama esquemático del tipo de aparato de la extrusión para la fabricación de láminas.
Moldeado por inyección
El moldeado por inyección se satisface particularmente a la producción en masa de formas complejas pequeñas con las secciones transversales relativamente pequeñas. Se mezclan los polvos usando los polímeros termoplásticos y otros añadidos orgánicos. Una masa fundida integrada por el sistema de cerámica y termoplástico de la carpeta se inyecta vía un estirador calentado en un molde refrescado de la forma deseada. Los fragmentos pueden ser reciclados porque los polímeros termoplásticos pueden ser calentados reversible. Los moldes pueden ser relativamente costosos así que el moldeado de inyección se satisface lo mejor posible a la preparación de una gran cantidad de piezas únicas.
Densificación
La densificación requiere generalmente altas temperaturas para eliminar la porosidad en cerámica verde. Las técnicas incluyen la sinterización sin presión, presión en caliente, y presionar isostáticamente en caliente (HIP). La sinterización es usada lo más extensamente posible debido a la comodidad de uso y economía. La presión en caliente se limita a las formas relativamente simples mientras que formas más complejas se pueden consolidar usando la HIP. La sinterización se utiliza para la mayoría de las cerámicas electrónicas. La presión en caliente y la HIP, que emplean la presión y altas temperaturas, se utilizan para consolidar la cerámica en la cual el movimiento de la dislocación (que conduce a la eliminación del poro) es inactivo. Ambas técnicas son particularmente útiles para los materiales del nonoxide tales como nitruro de silicio y el carburo del silicio.
Las precauciones especiales se utilizan a menudo en la sinterización de la cerámica electrónica. Las tarifas de calefacción y los tiempos de asimiento en la temperatura máxima son críticos al desarrollo y al control microestructural del tamaño de grano. Los ciclos de la sinterización pueden incluir el recocido intermedio de la temperatura o el enfriamiento controlado para evitar tensiones residuales o para evitar transformaciones deletéreas de la fase. El control de la atmósfera puede ser importante para prevenir la pérdida de componentes volátiles o evitar reacciones de la reducción. En la producción continua, la quemadura secuencial (orgánicos) y la sinterización pueden ocurrir en el mismo horno, requiriendo temperatura compleja, completa en un ciclo, incluso para los dispositivos relativamente simples. Los dispositivos complejos tales como circuitos de la película gruesa y cerámica de varios componentes monolítica pueden requerir la fabricación secuencial y los pasos de la sinterización.