【原创】陶瓷基板：关键的抛光是如何解决的？

中国粉体网讯  与金属、树脂等传统的基板材料相比，陶瓷基板在导热性、电绝缘性、气密性、力学性能和介电性能等方面具有很大的优势，因此在现代工业及国防军工等高科技领域的应用逐渐成为一种趋势。

陶瓷基板的产业链较长，且每个环节都至关重要。下面这张图是陶瓷基板制备的前半段生产工艺，其中流延成型、脱脂烧结等工艺技术含量极高，但出来的产品（一般称为白板）并不能直接使用，尚需要复杂繁琐的后续处理，代表性的如抛光和金属化等。

在抛光方面，随着应用的拓宽及装备的升级，陶瓷基板往往需要适应更严苛的工作环境，这对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，同时其脆性大、容易产生裂纹，这会给表面加工带来很大困难。因此，对于陶瓷基板表面的加工要求更加严格，一般采用研磨抛光以去除基板表面的附着物、改善平整度、降低表面粗糙度，提高尺寸精度和表面质量，满足薄型化的要求。此外，不同陶瓷材质的性能和结构存在差异，选择合适的抛光技术才能起到事半功倍的处理效果。

陶瓷基板行业常用哪些抛光技术？

常见的陶瓷基板的抛光技术主要有化学机械抛光、磨料流抛光、超声振动辅助磨料流抛光、电泳抛光、电解抛光以及磁流变抛光等。

化学机械抛光

化学机械抛光(Chemical  Mechanical  Polishing, CMP)于1965年首次由美国的Monsanto提出，最初是用于获取高质量的玻璃表面。CMP技术具有独特的化学和机械相结合的效应，是在机械抛光的基础上，根据所要抛光的表面，加入相应的化学试剂，从而达到增强抛光和选择性抛光的效果。在 CMP 抛光过程中，抛光液与基板表面发生化学反应，软化基板的同时通过机械研磨将被软化的表面去除。

化学机械抛光示意图

在CMP工艺中，通过调节抛光液和抛光参数，可以实现消除缺陷和划痕从而达到预期的加工效果。

超声振动辅助磨料流抛光 

超声波振动与电子放电、等离子体和激光类似，可以在很短的时间内释放大量能量，并广泛应用于硬脆性材料的加工。通过将超声振动和磨料流抛光技术相结合，利用超声振动系统把超声振动作用于磨料流，结合两者的动能完成抛光加工的一种新的复合抛光方式，被命名为超声振动辅助磨料流抛光(UVAFP)。

超声辅助磨料流抛光示意图

电泳抛光

电泳抛光是一种极具潜力的非接触的抛光方法之一，该技术利用带电粒子在电场中移动速度不同而达到分离。下图是电泳抛光原理示意图，图(a)中陶瓷工件端为负极，抛光头为正极时，抛光粒子在电场力作用下向抛光头聚集，形成一个柔性磨粒层，当陶瓷工件旋转时，磨料与工件间会发生摩擦和碰撞，进而达到抛光的目的。图(b)中陶瓷工件为正极，抛光头为负极时，抛光粒子将在电场作用下向工件方向聚集，陶瓷工件和抛光头相对运动，抛光粒子对工件表面产生冲击碰撞，从而达到去除材料的目的。由于这种方法几乎对加工表面不产生机械加工常见的损伤，故最适合于功能陶瓷的超精密加工。

电泳抛光原理示意图：（a）磨头为正极，工件为负极；（b）磨头为负极，工件为正极

电解抛光

等离子体辅助抛光

等离子体辅助抛光(PAP)技术最早是由日本大阪大学的 Yamamura 于 2010 年提出，是一种超低压力的干法抛光技术。该技术将化学改性和物理去除相结合，通过等离子体照射进行表面改性，借助软磨料的摩擦作用去除材料，打破了传统机械加工的局限，可以获得原子级平坦表面，不会造成亚表面损伤，能够获得平整度较好的表面质量，成功应用于多种难加工材料，如SiC、AlN等陶瓷材料。

PAP 技术原理图

磁流变抛光

磁流变抛光工作原理为：运动盘在磁极正上方，工件位于运动盘上方并保证工件与运动盘之间有一定的距离，施加磁场时，在该空隙处会形成高强度的梯度磁场。运动盘内有大量磁流变液，抛光开始时，磁极发生强大磁场致使磁流变液从牛顿流体变成黏度较大的 Bingham 流体。在这个过程中，磁流变抛光液中的磁性粉粒会沿着磁场分布线形成链状结构，抛光中的磨料会依附在铁粉链状结构表面，从而具有强剪切力，在工件运动过程中，通过流体动压剪切实现工件表面的材料去除。

磁流变抛光工作原理示意图

不同材质的陶瓷基板抛光

Al₂O₃陶瓷基板抛光

Al₂O₃陶瓷基板具有机械强度高、硬度大、耐高温、耐腐蚀、光透过率高、化学稳定性和耐热冲击性能高，绝缘性和与金属附着性良好，是目前电子技术领域中综合性能较好、应用最广泛的陶瓷材料，占陶瓷基板总量的90%。

Al₂O₃陶瓷基板常用抛光方法

BeO陶瓷基板抛光

BeO陶瓷基板属于高导热陶瓷材料之一，因具有低密度、低介电常数、高抗折强度、高绝缘性能、热导率高(热导系数可达310 W·m⁻¹·K⁻¹)等特点，被广泛用于军事通讯、光电技术、遥感遥测、电子对抗等领域。但是BeO陶瓷粉体有剧毒，对身体健康和环境危害较大，因此限制了它的发展。目前，美国是全球主要的BeO陶瓷基板生产和消费国，福特和通用等汽车公司在点火装置中大量使用 BeO陶瓷基板。

通过传统的抛光技术只能获得表面粗糙度约0.08μm的BeO陶瓷基板，主要原因就是BeO孔隙率高，致密性差，在抛光过程中，被抛光面容易被划伤，难以满足亚微米级及以下的薄膜电路的发展要求。王刚等采用双面研磨抛光机对BeO陶瓷基板进行抛光，先采用W0.3粒径的金刚石抛光液在铸铁盘上粗抛，后采用W0.1粒径的金刚石抛光液在聚氨酯衬的底盘上精抛，表面粗糙度Ra可达到0.08μm，平面度在±0.03μm以内，能够满足薄膜电路/器件对高导热陶瓷抛光基板高可靠性、高精度的发展需求，整体性能水平到达国际先进水平。

SiC陶瓷基板抛光

SiC陶瓷基板具有优异的热导率和高温耐磨性、化学稳定性好、密度低、热膨胀系数低，常用于高散热、高导热、大电流、大电压以及需要高频率运作的产品，是一种在信息产业和电子器件中具有广泛应用前景的陶瓷材料，作为一种典型的脆硬材料，在加工过程中常出现较大的表面缺陷和严重的亚表面损伤。SiC陶瓷基板主要抛光方法如下。

SiC陶瓷基板常用抛光方法

Si₃N₄陶瓷基板抛光

Si₃N₄陶瓷基板无毒、介电常数低、机械性强、断裂韧性高、耐高温、耐腐蚀、耐冲击性能强，热膨胀系数与单晶硅相匹配，在汽车减震器、发动机、车用 IGBT 等产品，以及交通轨道、航天航空等领域广泛应用。Si₃N₄陶瓷基板抛光方法主要有CMP。

AlN陶瓷基板抛光

AlN陶瓷基板作为一种高导热陶瓷材料，热导率可达150W·m⁻¹·K⁻¹～230W·m⁻¹·K⁻¹，是Al₂O₃陶瓷的8倍以上。并且AlN陶瓷基板与Si、SiC、GaAs等半导体芯片材料热膨胀系数匹配，散热性能优良、耐腐蚀性能优异、介电常数和介电损耗低、无毒，可以满足大型集成电路的散热需求，是一种适合组装大型集成电路的高性能陶瓷基板，有望成为替代电子工业用陶瓷基板Al₂O₃、SiC和BeO的极佳材料。

早在1985年，日本的一些企业就已经将AlN陶瓷基板投产使用。AlN陶瓷基板主要应用于高端产业，因此对基板的厚度、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、加工难度大，传统的机械抛光会使晶粒从AlN表面脱落，严重影响基板的强度和性能，难以实现AlN表面的超光滑抛光。AlN陶瓷基板主要抛光方法如下。

AlN陶瓷基板抛光方法

小结

陶瓷基板作为集成电路和覆铜板的衬底材料，其表面质量直接影响后端器件的使用寿命和作用可靠性，为了满足器件集成化、小型化和高可靠性的发展要求，未来对陶瓷基板表面质量的要求会愈发严苛，应用的陶瓷基板表面处理技术也面临着越来越严苛的挑战。

CMP 抛光是陶瓷基板实现全局平坦化的主流抛光方法，但是 CMP 抛光过程的重要耗材，例如抛光液和抛光垫目前主要还是依赖进口，需要加快自主研发步伐。

参考来源：

[1]姚忠樱等.陶瓷基板抛光技术研究现状

[2]潘飞等.氮化铝陶瓷的超精密加工研究现状与发展趋势

（中国粉体网编辑整理/山川）

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