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域的應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、脫脂燒結等工藝技術含量極高，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，隨著應用的拓寬及裝備的升級，陶瓷基板往往需要適應更嚴苛的工作環(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量，滿足薄型化的要求。此外，不同陶瓷材質的性能和結構存在差異，選擇合適的拋光技術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？
常見的陶瓷基板的拋光技術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量的玻璃表面。CMP技術具有獨特的化學和機械相結合的效應，是在機械拋光的基礎上，根據(jù)所要拋光的表面，加入相應的化學試劑，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，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釋放大量能量，并廣泛應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相結合，利用超聲振動系統(tǒng)把超聲振動作用于磨料流，結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。該技術將化學改性和物理去除相結合，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量，成功應用于多種難加工材料，如SiC、AlN等陶瓷材料。
PAP 技術原理圖
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構，拋光中的磨料會依附在鐵粉鏈狀結構表面，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，是目前電子技術領域中綜合性能較好、應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、遙感遙測、電子對抗等領域。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，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、航天航空等領域廣泛應用。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
陶瓷基板作為集成電路和覆銅板的襯底材料，其表面質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量的要求會愈發(fā)嚴苛，應用的陶瓷基板表面處理技術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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