Che cos'è la caratterizzazione dei materiali?

Conoscere i materialiutilizzati in qualsiasi dispositivo fisico è fondamentale per qualsiasi attività di sviluppo dei prodotti. Questo processo, chiamato caratterizzazione dei materiali, è una misurazione sistematica delle proprietà fisiche, della composizione chimica e della microstruttura di un materiale. 

Ingegneri e scienziati dei materiali utilizzano un'ampia gamma di tecniche analitiche e procedure di test per ottenere informazioni utili per guidare le scelte di progettazione, facilitare simulazioni accurate e supportare indagini forensi. Le tecniche di caratterizzazione possono essere suddivise in due categorie. La prima è la microscopia, in cui vengono utilizzati vari dispositivi per esaminare le strutture atomiche, molecolari e cristalline. Il secondo è il test macroscopico, che misura le caratteristiche complessive del materiale. 

Il comportamento di un materiale è determinato in modo fondamentale dai suoi elementi e dalla loro disposizione sulle scale microscopiche e macroscopiche. Questo comportamento è fondamentale perché determina le prestazioni e la robustezza del prodotto. Sebbene esistano standard che rappresentano la configurazione ideale di un materiale, le variazioni nella lavorazione e gli effetti della produzione possono causare deviazioni che modificano le prestazioni di un materiale. La caratterizzazione dei materiali viene utilizzata per acquisire tali deviazioni e determinare i dettagli oltre gli standard.

Alcuni dei vantaggi più significativi di questo importante campo della scienza dei materiali sono:

Promuovere l'innovazione dei nuovi materiali

Una conoscenza approfondita dei legami in polimeri, della struttura a cristalli nei metalli o della permeabilità magnetica in una nuova lega può portare i ricercatori a nuove formulazioni e processi per la sintesi dei materiali. 

Guidare la selezione del materiale

Anziché ricorrere a prototipi costosi per tentativi, comprendere le caratteristiche dei materiali aiuta gli ingegneri a scegliere il materiale giusto per le applicazioni più impegnative.

Fornire proprietà per la simulazione

La precisione dei prototipi virtuali è direttamente proporzionale agli input forniti nel modello. Proprietà dei materiali accurate e dettagliate consentono la simulazione diffusa per favorire lo sviluppo dei prodotti e aumentare la comprensione delle prestazioni dei prodotti. 

Offrire spunti di riflessione sui guasti o sulle prestazioni non soddisfacenti

Quando un prodotto presenta prestazioni inferiori o non funziona, il passo successivo è capire perché. L'analisi forense, che include la caratterizzazione dei materiali, può portare a una maggiore comprensione delle cause di base e informare il percorso verso le modifiche necessarie. Quando i guasti danno origine a controversie legali, una corretta caratterizzazione dei materiali può determinare l’esito del contenzioso. 

Definire i limiti dell'applicazione

I prodotti sono progettati per soddisfare determinate specifiche. Tuttavia, le variazioni nella struttura e nelle proprietà del materiale possono aumentare o ridurre la durata o l'intervallo operativo di un prodotto. Conoscere tali variazioni, combinate con la simulazione e i test, può determinare intervalli operativi accettabili.

Le applicazioni della caratterizzazione dei materiali sono altrettanto ampie e variegate quanto le caratteristiche che è possibile misurare e analizzare. Un laboratorio di caratterizzazione dei materiali ben attrezzato è in grado di misurare qualsiasi parametro, dalla disposizione degli atomi in uno strato di film sottile su un wafer di semiconduttore fino alla durezza della superficie di una ceramica.

In realtà, le misurazioni più comuni si concentrano sulla composizione dei materiali, sulla struttura microscopica e sulle proprietà fisiche, e tutte e tre possono essere combinate per ottenere una comprensione più approfondita, come la caratterizzazione dei materiali per applicazioni di affidabilità elettronica.

Composizione del materiale

La composizione chimica di un materiale è un fattore determinante delle sue prestazioni. Alcuni atomi di alluminio in una lega di titanio possono modificare drasticamente la rigidità e la resistenza allo snervamento. La misurazione della composizione atomica di una lega in fase di sviluppo o di produzione con il tipo di spettrometro appropriato è una pratica comune.

È inoltre possibile utilizzare tecniche di spettroscopia e diffrazione per catturare la struttura della composizione. Misurazioni come la posizione dei vari atomi in un cristallo o il grado di reticolazione dei polimeri sono necessarie per comprendere il comportamento macroscopico del materiale. Per rivelare la composizione è inoltre possibile utilizzare vari tipi di microscopi, con agenti di contrasto.

Struttura microscopica

Le proprietà di un materiale sono anche determinate dalla sua struttura microscopica. Nei metalli, la topologia del cristallo determina molte proprietà meccaniche ed elettriche. La disposizione dei vari cristalli e la geometria del confine tra i cristalli, la struttura a grana, sono un'altra importante caratteristica del materiale a livello microscopico. La dimensione e la struttura dei grani sono fattori determinanti per la resistenza a fatica e il carico di snervamento.

I microscopi ottici ed elettronici sono gli strumenti più comuni utilizzati per misurare le strutture microscopiche. Le tecniche di diffrazione possono essere utili anche per l'osservazione di materiali interni. I risultati vengono solitamente presentati in formato di immagine aiutando gli scienziati dei materiali a comprendere la composizione interna dei materiali.

Proprietà fisiche

La maggior parte degli ingegneri, all'infuori degli scienziati dei materiali, si occupa di proprietà fisiche che riassumono comportamenti meccanici, termici, elettrici ed elettromagnetici in massa indipendenti dalla geometria. Valori come il modulo di Young, il rapporto di Poisson, la densità, la permeabilità elettromagnetica, la conducibilità termica, la tenacità a frattura, la rugosità superficiale e la resistività elettrica sono parametri familiari utilizzati nei calcoli manuali e nelle simulazioni.

Le prove delle proprietà fisiche vengono eseguite con vari dispositivi comuni, come le macchine per prove di trazione-compressione (stress-strain), le termocoppie, i misuratori elettrici e le sonde per campi elettromagnetici (CEM). La maggior parte delle proprietà ha dei test standard definiti dagli enti regolatori, in modo che qualsiasi laboratorio che esegue un test produrrà gli stessi risultati.

Caratterizzazione dei materiali per applicazioni di affidabilità elettronica

Un potente esempio di caratterizzazione dei materiali è l'applicazione dell'affidabilità sul campo per l'elettronica. È un'area in cui la misurazione della composizione del materiale, della struttura microscopica e delle proprietà fisiche vengono combinate per assistere gli ingegneri nello sviluppo di pacchetti elettronici, da un sensore IoT su un circuito flessibile a una scheda madre multiprocessore. 

I gruppi elettronici sono costituiti da decine o centinaia di componenti diversi, ciascuno dei quali è composto da molteplici materiali. Durante la produzione e sul campo, questi componenti vedono variazioni di temperatura, urti, vibrazioni, piegamenti, campi elettromagnetici, umidità e, a volte, radiazioni UV. E tutti questi valori devono essere misurati nel tempo. 

L'obiettivo di questo sottoinsieme di caratterizzazione dei materiali applicato ai servizi di ingegneria dell'affidabilità è comprendere e migliorare l'affidabilità del sistema fornendo la caratterizzazione elettrica, meccanica e dell'affidabilità dei componenti elettronici e delle schede di circuiti stampati flessibili o rigide a cui sono collegati i componenti. 

La maggior parte dei fornitori non dà queste informazioni; quindi questo tipo di test è in genere una parte programmata del processo di sviluppo dei prodotti. 

Che si tratti di analisi dei materiali presso un'università statale o in un laboratorio aziendale di caratterizzazione dei materiali , l'obiettivo è lo stesso: utilizzare le apparecchiature di test per misurare una proprietà fisica, la composizione o la geometria interna di un materiale.

La seguente tabella riassume i processi di caratterizzazione più comuni e i dati che essi acquisiscono.

Nonostante la caratterizzazione dei materiali sia una disciplina ben consolidata della scienza dei materiali, che viene quotidianamente utilizzata sia nel mondo accademico che nel settore, rimangono alcune sfide significative per il suo utilizzo efficace. Molte di queste sfide affrontano la fisica avanzata e le apparecchiature sensibili utilizzate per misurare su scala atomica o microscopica. Anche la misurazione macroscopica delle proprietà dei materiali può essere difficile o costosa se non viene implementata correttamente.

Di seguito è riportato un elenco delle sette sfide più comuni.

1. Costi in conto capitale

La complessità di apparecchiature e sensori rende molti dei dispositivi necessari per la caratterizzazione dei materiali costosi. Inoltre, l'infrastruttura necessaria, come camere bianche, gas puri, pompe per vuoto e altro, contribuisce a costi iniziali considerevoli prima di eseguire un singolo test. L'utilizzo di un partner esterno o di risorse universitarie può far risparmiare sulle spese di capitale.

2. Abbinamento delle informazioni necessarie alle tecniche di caratterizzazione

Sia che si tratti di sviluppare un nuovo materiale o di eseguire analisi forensi su una parte non riuscita, una sfida comune consiste nell'identificare metodi di caratterizzazione che forniscano informazioni utili. Consultare un esperto per lavorare con i team di materiali, prodotti o controllo qualità per delineare l'analisi corretta.

3. Variabilità del materiale

La maggior parte dei processi di produzione dei materiali crea un livello di variabilità nelle caratteristiche che si desidera misurare. Il campione quindi dovrebbe essere di grandi dimensioni per ogni analisi, aumentando costi e tempi di consegna. Una comprensione anticipata della variabilità unita a buone tecniche statistiche può contribuire a ridurre al minimo le dimensioni dei campioni.

4. Interpretazione dei risultati

Il risultato della maggior parte delle analisi di caratterizzazione dei materiali non è un semplice valore numerico. Spesso si tratta di una serie di dati che richiedono analisi statistiche e riduzione. In alternativa, con molti tipi di microscopia, viene prodotto un gran numero di immagini che richiedono un'interpretazione da parte di esperti. Per entrambi i metodi, gli esperti devono dedicare del tempo per valutare e interpretare i risultati, oltre che essere in grado anche di tradurre quei risultati in informazioni utili.

5. Capacità limitate di ciascuna tecnica

Uno dei motivi per cui esistono così tante tecnologie diverse per la caratterizzazione dei materiali è che in realtà che la maggior parte delle tecnologie ha un'applicazione molto limitata. Possono funzionare solo su nanomateriali o su campioni sottili, oppure possono misurare solo i campi elettromagnetici in un determinato intervallo di frequenza. Pertanto, è necessario l'uso di più tecniche per caratterizzare completamente un materiale. Il modo migliore per ridurre al minimo l'impatto di questa sfida consiste nell'assegnare priorità all'analisi necessaria e limitare le valutazioni solo a ciò che è assolutamente necessario.

6. Tempi di consegna lunghi

Le tecniche utilizzate richiedono spesso una preparazione dei campioni dispendiosa in termini di tempo, processi di test lunghi e complessi, e un'interpretazione esperta. Questo, unito a un possibile backlog su un particolare dispositivo, comporta tempi di consegna lunghi che possono arrivare a settimane o addirittura mesi. Una pianificazione e una gestione delle risorse efficaci possono ridurre l'impatto sulla programmazione e migliorare l'efficienza del progetto.

7. Classificazione, conservazione, recupero e trasferimento delle caratteristiche dei materiali

Le tecnologie di caratterizzazione dei materiali creano una quantità significativa di dati che devono essere classificati correttamente, archiviati in una posizione accessibile, recuperati rapidamente quando necessario e trasferiti ad altri utenti secondo necessità. Per gestire le informazioni sui materiali, è necessario implementare un set di procedure appropriato e un sistema completo di gestione dei dati sui materiali.

Si può dare facilmente per scontata la comprensione dei materiali che si stanno ricercando, scegliendo o utilizzando nella produzione. Questo vale in particolare per le informazioni relative ai componenti acquistati dai fornitori. Dedicare il tempo necessario per identificare, raccogliere e utilizzare queste informazioni critiche è un aspetto che dovrebbe essere parte integrante dei processi di sviluppo e gestione del ciclo di vita dei prodotti.

Fornire soluzioni e servizi adeguati per la caratterizzazione dei materiali può offrire a un'azienda o a un istituto di ricerca un notevole vantaggio competitivo. Benché importante, potrebbe non essere pratico creare e mantenere una capacità completa in-house. Ecco perché è essenziale trovare il partner giusto per le soluzioni e i servizi per la caratterizzazione dei materiali.

Ansys offre una caratterizzazione dei materiali di prima qualità nell'ambito dei suoi servizi di ingegneria dell'affidabilità. Il nostro team di esperti è in grado di fornire la caratterizzazione elettrica, meccanica e di affidabilità, ovvero di valutare le prestazioni e la durata dei componenti elettronici. Dal momento che Ansys è il leader mondiale nella simulazione, il nostro team sa come ottenere le informazioni giuste per gestire i processi di sviluppo dei prodotti basati sulla simulazione o di analisi dei guasti.

Risorse correlate