Alüminyum plaka yüzeyinin mikro ark oksidasyon yöntemiyle nano boyutlu ZrO2  tanecik hapsedilmiş Al2O3 kaplanması ve dielektrik özelliklerinin incelenmesi
Coating of the nano-dimensional ZrO2  embedded Al2O3 layer with micro arc oxidation method on the aluminium plate and investigation of the dielectric properties of these layer
Yazar: ONUR ÇETİN
Danışman: PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüzde farklı amaçlar doğrultusunda sayısız elektronik cihaz kullanılmaktadır ve tüm elektronik cihazların temel bileşeni elektronik devre kartlarıdır. Bilim ve teknolojinin ilerlemesi sonucu yüksek işlem yeteneğine sahip elektronik sistemlerin yaygınlaşması, yüksek işlem yeteneğine sahip elektronik bileşenleri üzerinde bulunduran devre kartlarının daha etkili soğutulması gerekliliğini beraberinde getirmektedir. Kart üzerinde yüksek ısı birikmesi hem devre elemanlarının çalışma verimini düşürürken hem de sistem güvenliğini tehlikeye atmaktadır.
Mevcutta yaygın olarak elektronik devre kartları, hem ucuz olmasından dolayı, hem de yüksek dielektrik özelliklerinden ve hafif olmasından dolayı yaygın olarak fiberlerle güçlendirilmiş polimer malzemelerden üretilmektedir. Polimerler ısı iletim yeteneği düşük malzemelerdir. Metalik malzemeler, hem üzerinde bölgesel olarak oluşan ısıyı yayındırma konusunda, hem de ısıyı üzerinden atma konusunda polimer ve seramik malzemelerden daha üstün özelliklere sahiptir. Devre kartlarında yaşanan etkili soğutulamama problemi göz önüne alındığında, yüksek ısı iletim katsayısına ve düşük yoğunluğa sahip alüminyum iyi bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Alüminyum, elektronik devre kartı üretimi için termal ve yapısal olarak uygun bir malzeme olmasına karşın iletken bir malzeme olduğu için doğrudan kullanılması mümkün değildir. Alüminyumun devre kartı altlık malzemesi olarak kullanılabilmesi için, yüzeyine dielektrik kaplama uygulanması gerekmektedir.
Alüminyum oldukça yüksek elektrik iletkenlik değerine sahip bir malzeme iken, alüminyum oksit elektrik sanayisinde ve yüksek gerilim hatlarında en çok kullanılan yalıtım malzemeleri arasında ilk sıralardadır. Alüminyum yüzeyinin alüminyum oksit ile kaplanması sayesinde bu malzeme elektronik kart altlık malzemesi olarak kullanılabilir. Kart bileşenleri ile taban malzeme arasında kısa devre probleminin yaşanmaması için kaplanacak olan oksit tabakanın sert, boşluksuz ve kalın olması gerekmektedir. Oksit tabakanın dielektrik özelliklerinin bu uygulama için uygun olması gerekmektedir. Alüminyum yüzeyinde alüminyum oksit kaplama oluşturmak için kullanılan en yaygın iki yöntem anodik oksidasyon ve mikro ark oksidasyon işlemidir.
Anodik oksidasyon yöntemi ile alüminyum plaka yüzeyinde maksimum 10-15 μm aralığında kalınlığa sahip gözenekli kaplamalar oluşturulabilmektedir. Bu gözenekler ek işlem ile kapatılsa da kaplamanın kalınlığı artmamaktadır. Mikro ark oksidasyon yöntemi (MAO) ile alüminyum yüzeyi boşluksuz ve onlarca mikron kalınlığında oksit tabaka ile kaplanabilmektedir. MAO ile üretilen kaplamalar dielektrik uygulamalar için daha uygun özelliklere sahiptir.
Bu çalışmada 6061 kalite alüminyum alaşımı, katkısız elektrolit ve elektrolit içeriğine 2,5 g/l ve 5 g/l olacak şekilde ZrO2 katkılandırılmış mikro ark oksidasyon banyosunda, 20 dakika, 30 dakika ve 40 dakika süre ile kaplanmıştır. Kaplamalar, kalınlık ölçümü, SEM/EDS, XRD analizleri, yüzey pürüzlülük ölçümü yapılarak ve ardından dielektrik delinme gerilimi, dielektrik sabiti ve kapasite değerleri ölçülerek karakterize edilmiştir.
Deneysel çalışma sonuçları irdelendiğinde kaplama süresine bağlı olarak kaplama kalınlıklarının arttığı ve ZrO2 katkısının kaplama kalınlığına pozitif etki yaptığı görülürken, yüksek katkı konsantrasyonuna sahip elektrolit ile uzun süre kaplama yapıldığından meydana gelen faz dönüşümlerinden dolayı kalınlık artışının düştüğü görülmüştür. Kaplamaların XRD analizlerine bakıldığında katkısız elektrolit ile yapılan kaplamaların kompozisyonun da Al2O3 fazının varlığı, ZrO2 katkılı elektrolitler ile yapılan kaplamalarda ise Al2O3 fazının yanında ZrO2 fazının varlığı da görülmektedir. Ayrıca yüksek katkı oranı bulunan elektrolit ile 30 dk ve 40 dk yapılan kaplamalarda alüminyum zirkonyum oksit fazının oluşumu da görülmüştür. EDS analizlerinde katkı miktarının ve kaplama süresinin artması ile yüzeyde Zr yoğunluğunun arttığı belirlenmiştir. Kaplama numunelerinin dielektrik delinme gerilimlerine bakıldığında ZrO2 katkısının ve kaplama kalınlığının delinme gerilimini artırdığı görülürken, alüminyum zirkonyum oksit fazının oluşması dielektrik gerilim dayanımını düşürmüştür. Aynı şekilde ZrO2 katkısı ve kaplama süresi genel olarak kapasite dielektrik sabitin artışına yol açmıştır. Ayrıca yüzey pürüzlülük ölçümleri sonucunda, kaplama süresinin artması ile yüzey pürüzlülüğünün arttığı görülmektedir.
Sonuç olarak, MAO yönteminde elektrolit içerisine eklenen ZrO2 katkısı belirli bir miktara ve belirli bir kaplama süresine kadar pozitif etki yaparken, kaplama süresi ve katkı miktarının artması ile gerçekleşen yeni faz oluşumlarından dolayı pozitif etki görülmemektedir.

Abstract:
Today, numerous electronic devices are used for different purposes and the main component of all electronic devices is electronic circuit boards. As a result of the advancement of science and technology, the spread of high-processing electronic systems brings about the necessity of more efficient cooling of the circuit boards that contain high-processing electronic components. High heat build-up on the board reduces the operating efficiency of the circuit elements and jeopardizes the system security.
Currently, electronic circuit boards are commonly manufactured from fiber-reinforced polymeric materials, both because of their cheapness and because of their high dielectric properties and light weight. Polymers are materials with low thermal conductivity. Metallic materials have superior properties than polymer and ceramic materials both in terms of dissipating the heat generated locally and in removing heat. Considering the effective non-cooling problem of circuit boards, aluminum with high heat transfer coefficient and low density is a good alternative. Although aluminum is a thermally and structurally suitable material for electronic circuit board production, it cannot be used directly because it is a conductive material. In order to use aluminum circuit board as a base material, dielectric coating must be applied to its surface.
While aluminum is a material with a very high electrical conductivity value, aluminum oxide is one of the most used insulation materials in the electrical industry and high voltage lines. This material can be used as an electronic board backing material by covering the aluminum surface with aluminum oxide. In order to avoid short circuit problems between the card components and the base material, the oxide layer to be coated must be hard, gap-free and thick. The dielectric properties of the oxide layer should be suitable for this application. The two most common methods used to form an aluminum oxide coating on the aluminum surface are the anodic oxidation and the micro arc oxidation process.
By anodic oxidation method, porous coatings with a maximum thickness of 10-15 μm can be formed on the aluminum plate surface. Although these pores are closed by additional treatment, the thickness of the coating does not increase. With micro arc oxidation method (MAO), aluminum surface can be coated with tensile micron thickness oxide layer. MAO-produced coatings are more suitable for dielectric applications.
In this study, 6061 grade aluminum alloy was coated with ZrO2 adding micro arch oxidation bath for 20 minutes, 30 minutes and 40 minutes to add electrolyte and electrolyte content of 2.5 g / l and 5 g / l. Coatings were characterized by thickness measurement, SEM / EDS, XRD analysis, surface roughness measurement, and then dielectric breakdown voltage, dielectric constant and capacity values.
The thickness of the coating deposited on the aluminum surface increases with the increase of coating time in all electrolytes.While the thickness of the sample coated with electrolyte containing high ZrO2 additive was high in the coatings carried out for 20 minutes and 30 minutes, the coating thickness of the sample coated with low additive electrolyte reached higher levels with increasing coating time. This may be due to the increased dielectric breakdown strength of the sample surface and the formation of larger arcs due to the ZrO2 particles deposited on the surface in the electrolyte coating with high admixture. Due to the formation of large arcs, the surface is exposed to more heat and the ZrO2 particles on the surface have moved from monoclinic structure to tetragonal structure. The thickness increase was reduced due to the volume reduction during the phase transformation.
When the XRD analysis of the coated samples is examined, the peak intensity of alumina is higher in the samples coated in pure electrolyte medium. The ZrO2 addition to the electrolyte was included in the composition of the coating. As the contribution rate increases, the intensity of ZrO2 peaks in the analyzes increases. According to the XRD analysis results of the coatings made in 5 g/l ZrO2 doped electrolyte medium for 30 min and 40 min, aluminum zirconium oxide phase is also different from other phases in the composition of these coatings.More tetragonal peaks of ZrO2 are seen in the XRD analysis of the coating with increasing additive amount and coating time. The reason for the formation of aluminum zirconium oxide phase in the coatings with high additive electrolyte for a long time is the formation of larger arcs due to the increase of dielectric breakdown resistance of the surface due to the high additive rate throughout the coating. Larger arcs may increase the temperature on the surface, causing new phase formation.
SEM images of the coatings were examined; It is seen that 20 min and 30 min coatings with pure electrolyte are more porous in ZrO2 containing environment than 20 min and 30 min coatings.
According to EDS analysis, the amount of Zr entering the coating composition increases with increasing amount of additive. When the Zr distribution on the surfaces of the doped samples is examined by EDS mapping analysis, it is seen that the maximum accumulation is on the sample surface coated with electrolyte containing 5 g/l ZrO2 for 40 minutes. Due to the limited amount of additives in the electrolyte medium containing 2.5 g/l ZrO2 additive, a limited amount of Zr was introduced into the structure of the coating which was made for 40 minutes. Since the amount of free additive was high in the electrolyte medium with 5 g/l additive, the coating made for 40 minutes accumulated about 3 times more Zr on the surface. The dielectric strength of the coating reached a critical level after a certain critical coating thickness and the amount of Zr deposited. Larger arcs have formed on the surface so that the coating can continue. With the growth of arcs on the surface, more hills and pits were formed on the surface. This increased the surface area and supported the accumulation of Zr on the sample surface.
When the dielectric breakdown voltages of the coated samples are examined, it can be said that the addition of ZrO2 added to the electrolyte contributes positively to the dielectric breakdown strength. However, due to the aluminum zirconium oxide phase formed in the coating with a high additive electrolyte for a long time, the dielectric breakdown strength of the N9 sample decreased more than the other samples. In the XRD analysis of the N9 sample, the intensity of the Al2O3 peak is considerably reduced. It is seen that the sample with the highest dielectric breakdown strength is N6. The reason for this is considered as the addition of ZrO2 contribution to the structure and the continuation of Al2O3 phase. The X6 graph of the N6 sample has a high alumina peak intensity and a ZrO2 peak in the structure.
When we examine the dielectric breakdown electric field values per % atomic Zr ratio in the coating structure, it is seen that the dielectric breakdown electric field value per % atomic Zr ratio in the coatings made for 20 minutes and 30 minutes is close to each other. The dielectric breakdown electric field value per% atomic Zr ratio of the samples coated with 40 minutes was very low. The reason for this decrease can be interpreted as the loss of effectiveness of Al2O3 phase and formation of new phase in the structure although too many Zr atoms enter the structure. The formation of the aluminum zirconium oxide phase has changed the polarization mechanism of the sample. The dielectric breakdown electric field value of the N6 sample per atomic Zr ratio was close to the N5 sample. This is because the increase in coating time in the electrolyte containing 2.5 g/l additive does not increase the amount of ZrO2 entering the structure after a certain time.
When the capacity values of the coatings are examined; the capacity increased and then decreased with the increase in thickness of the additive samples, while the capacity of the samples containing additives increased depending on the thickness.
When the dielectric constants of the coatings were examined, the dielectric constant was increased and then fixed with the increase in thickness in the samples coated using pure electrolyte. This may be due to an increase in the thickness of the coating and an increase in internal construction defects of the coating. The dielectric constants of the samples coated with electrolyte added with additive increase in proportion to the additive amount and time. The dielectric constant of the sample coated with the E5 electrolyte for 40 minutes does not increase as much as expected because the peaks and pits on the sample surface affect the measurement.
When the roughness values of the coatings measured with optical profilometer are examined; Ra values increased with increasing coating thickness. While the amount of additive increases the Ra value in the 20 min and 30 min coatings, the Ra value of the N9 sample coated with the electrolyte containing the highest ZrO2 additive for 40 min was lower than the Ra value of the N6 sample coated with the electrolyte containing 2.5 g/l for 40 min.