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(dǎo)熱性、電絕緣性、氣密性、力學(xué)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(gè)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(fù)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(yán)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(shí)其脆性大、容易產(chǎn)生裂紋，這會(huì)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(yán)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(xué)機(jī)械拋光、磨料流拋光、超聲振動(dòng)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(xué)機(jī)械拋光

化學(xué)機(jī)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(dú)特的化學(xué)和機(jī)械相結(jié)合的效應(yīng)，是在機(jī)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(xué)試劑，從而達(dá)到增強(qiáng)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(xué)反應(yīng)，軟化基板的同時(shí)通過機(jī)械研磨將被軟化的表面去除。

化學(xué)機(jī)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(shí)現(xiàn)消除缺陷和劃痕從而達(dá)到預(yù)期的加工效果。

超聲振動(dòng)輔助磨料流拋光 

超聲波振動(dòng)與電子放電、等離子體和激光類似，可以在很短的時(shí)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(dòng)和磨料流拋光技術(shù)相結(jié)合，利用超聲振動(dòng)系統(tǒng)把超聲振動(dòng)作用于磨料流，結(jié)合兩者的動(dòng)能完成拋光加工的一種新的復(fù)合拋光方式，被命名為超聲振動(dòng)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(dòng)速度不同而達(dá)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(fù)極，拋光頭為正極時(shí)，拋光粒子在電場力作用下向拋光頭聚集，形成一個(gè)柔性磨粒層，當(dāng)陶瓷工件旋轉(zhuǎn)時(shí)，磨料與工件間會(huì)發(fā)生摩擦和碰撞，進(jìn)而達(dá)到拋光的目的。圖(b)中陶瓷工件為正極，拋光頭為負(fù)極時(shí)，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(yùn)動(dòng)，拋光粒子對工件表面產(chǎn)生沖擊碰撞，從而達(dá)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(jī)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(fù)極；（b）磨頭為負(fù)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(xué)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(xué)改性和物理去除相結(jié)合，通過等離子體照射進(jìn)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(jī)械加工的局限，可以獲得原子級平坦表面，不會(huì)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(yùn)動(dòng)盤在磁極正上方，工件位于運(yùn)動(dòng)盤上方并保證工件與運(yùn)動(dòng)盤之間有一定的距離，施加磁場時(shí)，在該空隙處會(huì)形成高強(qiáng)度的梯度磁場。運(yùn)動(dòng)盤內(nèi)有大量磁流變液，拋光開始時(shí)，磁極發(fā)生強(qiáng)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(gè)過程中，磁流變拋光液中的磁性粉粒會(huì)沿著磁場分布線形成鏈狀結(jié)構(gòu)，拋光中的磨料會(huì)依附在鐵粉鏈狀結(jié)構(gòu)表面，從而具有強(qiáng)剪切力，在工件運(yùn)動(dòng)過程中，通過流體動(dòng)壓剪切實(shí)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(jī)械強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫、耐腐蝕、光透過率高、化學(xué)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(dǎo)熱陶瓷材料之一，因具有低密度、低介電常數(shù)、高抗折強(qiáng)度、高絕緣性能、熱導(dǎo)率高(熱導(dǎo)系數(shù)可達(dá)310 W·m⁻¹·K⁻¹)等特點(diǎn)，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(fèi)國，福特和通用等汽車公司在點(diǎn)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(jī)對BeO陶瓷基板進(jìn)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(dá)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(dǎo)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(dá)國際先進(jìn)水平。

SiC陶瓷基板拋光

SiC陶瓷基板具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率和高溫耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性好、密度低、熱膨脹系數(shù)低，常用于高散熱、高導(dǎo)熱、大電流、大電壓以及需要高頻率運(yùn)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(yán)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(jī)械性強(qiáng)、斷裂韌性高、耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊性能強(qiáng)，熱膨脹系數(shù)與單晶硅相匹配，在汽車減震器、發(fā)動(dòng)機(jī)、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(dǎo)熱陶瓷材料，熱導(dǎo)率可達(dá)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(dǎo)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(jī)械拋光會(huì)使晶粒從AlN表面脫落，嚴(yán)重影響基板的強(qiáng)度和性能，難以實(shí)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(huì)愈發(fā)嚴(yán)苛，應(yīng)用的陶瓷基板表面處理技術(shù)也面臨著越來越嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。

CMP 拋光是陶瓷基板實(shí)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(jìn)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）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除