中國粉體網(wǎng)訊 與金屬,、樹脂等傳統(tǒng)的基板材料相比,，陶瓷基板在導熱性、電絕緣性,、氣密性,、力學性能和介電性能等方面具有很大的優(yōu)勢,，因此在現(xiàn)代工業(yè)及國防軍工等高科技領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為一種趨勢,。
陶瓷基板的產(chǎn)業(yè)鏈較長，且每個環(huán)節(jié)都至關(guān)重要,。下面這張圖是陶瓷基板制備的前半段生產(chǎn)工藝,，其中流延成型、脫脂燒結(jié)等工藝技術(shù)含量極高,，但出來的產(chǎn)品（一般稱為白板）并不能直接使用,，尚需要復雜繁瑣的后續(xù)處理，代表性的如拋光和金屬化等,。
在拋光方面,，隨著應(yīng)用的拓寬及裝備的升級，陶瓷基板往往需要適應(yīng)更嚴苛的工作環(huán)境,，這對陶瓷基板的表面粗糙度,、平整度等提出了更高的要求。
但是,，陶瓷材料硬度普遍很高,，同時其脆性大、容易產(chǎn)生裂紋,，這會給表面加工帶來很大困難,。因此，對于陶瓷基板表面的加工要求更加嚴格,，一般采用研磨拋光以去除基板表面的附著物,、改善平整度、降低表面粗糙度,，提高尺寸精度和表面質(zhì)量,，滿足薄型化的要求。此外,，不同陶瓷材質(zhì)的性能和結(jié)構(gòu)存在差異,，選擇合適的拋光技術(shù)才能起到事半功倍的處理效果。
陶瓷基板行業(yè)常用哪些拋光技術(shù),？
常見的陶瓷基板的拋光技術(shù)主要有化學機械拋光,、磨料流拋光、超聲振動輔助磨料流拋光,、電泳拋光,、電解拋光以及磁流變拋光等,。
化學機械拋光
化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)于1965年首次由美國的Monsanto提出，最初是用于獲取高質(zhì)量的玻璃表面,。CMP技術(shù)具有獨特的化學和機械相結(jié)合的效應(yīng),，是在機械拋光的基礎(chǔ)上，根據(jù)所要拋光的表面,，加入相應(yīng)的化學試劑,，從而達到增強拋光和選擇性拋光的效果。在 CMP 拋光過程中,，拋光液與基板表面發(fā)生化學反應(yīng),，軟化基板的同時通過機械研磨將被軟化的表面去除。
化學機械拋光示意圖
在CMP工藝中,，通過調(diào)節(jié)拋光液和拋光參數(shù),，可以實現(xiàn)消除缺陷和劃痕從而達到預期的加工效果。
超聲振動輔助磨料流拋光
超聲波振動與電子放電,、等離子體和激光類似,，可以在很短的時間內(nèi)釋放大量能量，并廣泛應(yīng)用于硬脆性材料的加工,。通過將超聲振動和磨料流拋光技術(shù)相結(jié)合,，利用超聲振動系統(tǒng)把超聲振動作用于磨料流，結(jié)合兩者的動能完成拋光加工的一種新的復合拋光方式,，被命名為超聲振動輔助磨料流拋光(UVAFP),。
超聲輔助磨料流拋光示意圖
電泳拋光
電泳拋光是一種極具潛力的非接觸的拋光方法之一，該技術(shù)利用帶電粒子在電場中移動速度不同而達到分離,。下圖是電泳拋光原理示意圖,，圖(a)中陶瓷工件端為負極，拋光頭為正極時,，拋光粒子在電場力作用下向拋光頭聚集,，形成一個柔性磨粒層，當陶瓷工件旋轉(zhuǎn)時,，磨料與工件間會發(fā)生摩擦和碰撞,，進而達到拋光的目的。圖(b)中陶瓷工件為正極,，拋光頭為負極時,，拋光粒子將在電場作用下向工件方向聚集，陶瓷工件和拋光頭相對運動,，拋光粒子對工件表面產(chǎn)生沖擊碰撞,，從而達到去除材料的目的。由于這種方法幾乎對加工表面不產(chǎn)生機械加工常見的損傷，故最適合于功能陶瓷的超精密加工,。
電泳拋光原理示意圖：（a）磨頭為正極,，工件為負極；（b）磨頭為負極,，工件為正極
電解拋光
等離子體輔助拋光
等離子體輔助拋光(PAP)技術(shù)最早是由日本大阪大學的 Yamamura 于 2010 年提出,，是一種超低壓力的干法拋光技術(shù)。該技術(shù)將化學改性和物理去除相結(jié)合,，通過等離子體照射進行表面改性,，借助軟磨料的摩擦作用去除材料，打破了傳統(tǒng)機械加工的局限,，可以獲得原子級平坦表面,，不會造成亞表面損傷，能夠獲得平整度較好的表面質(zhì)量,，成功應(yīng)用于多種難加工材料，如SiC,、AlN等陶瓷材料,。
PAP 技術(shù)原理圖
磁流變拋光
磁流變拋光工作原理為：運動盤在磁極正上方，工件位于運動盤上方并保證工件與運動盤之間有一定的距離,，施加磁場時,，在該空隙處會形成高強度的梯度磁場。運動盤內(nèi)有大量磁流變液,，拋光開始時,，磁極發(fā)生強大磁場致使磁流變液從牛頓流體變成黏度較大的 Bingham 流體。在這個過程中,，磁流變拋光液中的磁性粉粒會沿著磁場分布線形成鏈狀結(jié)構(gòu),，拋光中的磨料會依附在鐵粉鏈狀結(jié)構(gòu)表面，從而具有強剪切力,，在工件運動過程中,，通過流體動壓剪切實現(xiàn)工件表面的材料去除。
磁流變拋光工作原理示意圖
不同材質(zhì)的陶瓷基板拋光
Al2O3陶瓷基板拋光
Al2O3陶瓷基板具有機械強度高,、硬度大,、耐高溫、耐腐蝕,、光透過率高,、化學穩(wěn)定性和耐熱沖擊性能高，絕緣性和與金屬附著性良好,，是目前電子技術(shù)領(lǐng)域中綜合性能較好,、應(yīng)用最廣泛的陶瓷材料，占陶瓷基板總量的90%,。
Al2O3陶瓷基板常用拋光方法
BeO陶瓷基板拋光
BeO陶瓷基板屬于高導熱陶瓷材料之一,，因具有低密度,、低介電常數(shù)、高抗折強度,、高絕緣性能,、熱導率高(熱導系數(shù)可達310 W·m−1·K−1)等特點，被廣泛用于軍事通訊,、光電技術(shù),、遙感遙測、電子對抗等領(lǐng)域,。但是BeO陶瓷粉體有劇毒,，對身體健康和環(huán)境危害較大，因此限制了它的發(fā)展,。目前,，美國是全球主要的BeO陶瓷基板生產(chǎn)和消費國，福特和通用等汽車公司在點火裝置中大量使用 BeO陶瓷基板,。
通過傳統(tǒng)的拋光技術(shù)只能獲得表面粗糙度約0.08μm的BeO陶瓷基板,，主要原因就是BeO孔隙率高，致密性差,，在拋光過程中,，被拋光面容易被劃傷，難以滿足亞微米級及以下的薄膜電路的發(fā)展要求,。王剛等采用雙面研磨拋光機對BeO陶瓷基板進行拋光,，先采用W0.3粒徑的金剛石拋光液在鑄鐵盤上粗拋，后采用W0.1粒徑的金剛石拋光液在聚氨酯襯的底盤上精拋,，表面粗糙度Ra可達到0.08μm,，平面度在±0.03μm以內(nèi)，能夠滿足薄膜電路/器件對高導熱陶瓷拋光基板高可靠性,、高精度的發(fā)展需求,，整體性能水平到達國際先進水平。
SiC陶瓷基板拋光
SiC陶瓷基板具有優(yōu)異的熱導率和高溫耐磨性,、化學穩(wěn)定性好,、密度低、熱膨脹系數(shù)低,，常用于高散熱,、高導熱、大電流,、大電壓以及需要高頻率運作的產(chǎn)品,，是一種在信息產(chǎn)業(yè)和電子器件中具有廣泛應(yīng)用前景的陶瓷材料，作為一種典型的脆硬材料，在加工過程中常出現(xiàn)較大的表面缺陷和嚴重的亞表面損傷,。SiC陶瓷基板主要拋光方法如下,。
SiC陶瓷基板常用拋光方法
Si3N4陶瓷基板拋光
Si3N4陶瓷基板無毒、介電常數(shù)低,、機械性強,、斷裂韌性高、耐高溫,、耐腐蝕,、耐沖擊性能強，熱膨脹系數(shù)與單晶硅相匹配,，在汽車減震器,、發(fā)動機、車用 IGBT 等產(chǎn)品,，以及交通軌道,、航天航空等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。Si3N4陶瓷基板拋光方法主要有CMP,。
AlN陶瓷基板拋光
AlN陶瓷基板作為一種高導熱陶瓷材料,，熱導率可達150W·m−1·K−1～230W·m−1·K−1，是Al2O3陶瓷的8倍以上,。并且AlN陶瓷基板與Si、SiC,、GaAs等半導體芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配,，散熱性能優(yōu)良、耐腐蝕性能優(yōu)異,、介電常數(shù)和介電損耗低,、無毒，可以滿足大型集成電路的散熱需求,，是一種適合組裝大型集成電路的高性能陶瓷基板,，有望成為替代電子工業(yè)用陶瓷基板Al2O3、SiC和BeO的極佳材料,。
早在1985年,，日本的一些企業(yè)就已經(jīng)將AlN陶瓷基板投產(chǎn)使用。AlN陶瓷基板主要應(yīng)用于高端產(chǎn)業(yè),，因此對基板的厚度,、面精度、表面粗糙度有很高的要求,。由于AlN陶瓷硬度高,、脆性大、易水解、加工難度大,，傳統(tǒng)的機械拋光會使晶粒從AlN表面脫落,，嚴重影響基板的強度和性能，難以實現(xiàn)AlN表面的超光滑拋光,。AlN陶瓷基板主要拋光方法如下,。
AlN陶瓷基板拋光方法
小結(jié)
陶瓷基板作為集成電路和覆銅板的襯底材料，其表面質(zhì)量直接影響后端器件的使用壽命和作用可靠性,，為了滿足器件集成化,、小型化和高可靠性的發(fā)展要求，未來對陶瓷基板表面質(zhì)量的要求會愈發(fā)嚴苛,，應(yīng)用的陶瓷基板表面處理技術(shù)也面臨著越來越嚴苛的挑戰(zhàn),。
CMP 拋光是陶瓷基板實現(xiàn)全局平坦化的主流拋光方法，但是 CMP 拋光過程的重要耗材,，例如拋光液和拋光墊目前主要還是依賴進口,，需要加快自主研發(fā)步伐。
參考來源：
[1]姚忠櫻等.陶瓷基板拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀
[2]潘飛等.氮化鋁陶瓷的超精密加工研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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