不磨何以“平”基片:論氧化鋁陶瓷基片表面加工技術

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由于電子行業的一系列特殊技術要求,電子陶瓷在微觀結構、化學成分以及電學性能上,與一般的工程陶瓷有著極大的不同。譬如說,高的機械強度、耐高溫耐高濕、抗輻射、抗電強度和絕緣電阻高,介質能在足夠寬的范圍內變化等,這些都是與電子陶瓷密不可分的標簽。

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在電子陶瓷種類中,在具備以上這些特征的基礎上,氧化鋁電子陶瓷基片還具有成本較低的優勢,因此是目前最為常用的基片種類之一。氧化鋁陶瓷基片的制造技術主要包括兩個部分:基片的制備與分切,以及表面加工技術。雖說兩者同樣重要,但后者是電子元器件生產的基礎和保證——畢竟“坑坑洼洼”的表面,難以保證沉積在上面的電路能有良好的精度。

一般情況下,人們會采用“粗研磨+精拋光”的方式使得氧化鋁電子基片變得“光潔順滑”,但不同的加工方式及磨料選擇,都會對其表面加工的效果產生影響。下方將對氧化鋁陶瓷基片的制備及對其研磨拋光產生影響的因素進行總結。

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一、氧化鋁陶瓷基片的制備
 
 

氧化鋁電子陶瓷基片是通過在96%~99%氧化鋁陶瓷材料中,添加適量的礦物原料燒結而成的電子陶瓷基片。目前常用的成型方法有:流延成型、干壓成型、注漿成型、擠出成型等。其中,流延法與傳統陶瓷成型法相比技術上較新,是薄片陶瓷材料的一種重要成型工藝。

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流延成型法制造的陶瓷生坯片

接著,流延坯片在經過沖裁后,按照適當的排膠、燒成工藝便可以獲得表面較為光滑的氧化鋁基片,常用的燒結方法有:1)熱壓燒結;2)熱等靜壓燒結法;3)微波加熱燒結法;4)微波等離子體燒結法;5)放電等離子燒結法等。

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二、氧化鋁陶瓷基片的表面處理
 
 

作為襯底的電子陶瓷基片,其厚度和表面質量均是十分重要的指標,但因為燒結通常會帶來變形和收縮,所以一般都需要進一步對氧化鋁基片進行精加工。由于氧化鋁陶瓷基片高效減薄和超光滑拋光的作用機理較復雜,因此影響其加工效果的因素也較多,譬如說加工方式、磨料和工藝參數等。就此議題,陳建新等研究人員曾做過較多相關研究,下文便對幾個主要的影響因素進行總結分析。

1.加工方式

常用的加工方式有兩種,一是單面研磨;二是雙面研磨。

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前者是高精度的平面加工設備,機械構造強度高且具有穩定的精度。由于溝槽采用的是細密的環形結構,因此能夠較大程度地使研磨液保留于研磨盤面上,在相同的研磨液流量下則有更多的磨料顆粒作用于研磨工件,使得研磨后表面材料去除率較高。

后者主要用于兩面平行的晶體或其他機械零件進行雙面研磨。由于溝槽采用的是寬大的十字結構,使得大部分磨料填充于溝槽內部并隨研磨盤的轉動而逸出研磨作用區域,只有少部分磨料作用于研磨盤面與研磨工件之間,因此研磨后表面材料去除率較低??偟膩碚f,單面研磨的加工方式更適合對氧化鋁陶瓷基片進行快速減薄加工。

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不同加工方式下鑄鐵研磨盤面溝槽結構

2.磨料種類

為了對加工工件進行機械去除,需要選取硬度大于加工工件的材料作為研磨加工的磨料。與固著磨料加工不同,研磨液中的磨料顆粒是以游離形式存在,加工工件是通過游離磨料進行加工的。

另外,磨料顆粒與研磨盤的相對硬度和磨料顆粒的形態及物理機械性能對研磨效果影響很大,硬度較大的磨料對加工工件的材料去除率較高,但在加工過程中造成的損傷也較大;而硬度較小的磨料的去除率較低,但在工件表面產生的損傷區域較小,因此表面質量較好。下方是幾種常用磨料的對比。

表常用磨料的性能對

種類

特點

優勢

不足

金剛石

極高的硬度、顆粒外形尖銳鋒利

對于不同硬度的加工工件都具有很好的機械去除性能

硬度大,粒度較大的磨粒容易在工件表面產生劃痕

碳化硼

強度大、密度低、化學穩定性好,磨料顆粒多呈菱狀尖狀

加工性能較高,成本低廉

硬度比金剛石低

碳化硅

耐磨性能好、化學性能穩定,晶體結構多為六方或菱面體,鋒利棱邊較碳化硼少

加工過程以滾壓和切削為主,加工效率較高

硬度比碳化硼稍低

氧化鋁

高硬度、高密度、低磨耗和耐腐蝕,磨料顆粒多呈橢圓或馬鈴薯狀

加工后材料的表面質量較好

材料去除率較低

3.磨料粒度

磨料的粒徑在研磨加工過程中會影響其切入加工工件表面的深度以及承擔的壓力。在研磨液中磨料濃度相同時,若粒徑越大,則同一時間內在研磨區域的磨料顆粒越少,并且由于磨料的均勻性問題,必然存在部分小顆粒,大小顆粒存在研磨區域內使得部分小顆粒不受力,那么在相同總壓力下每個受力顆粒的分壓越大,對氧化鋁陶瓷表面的切深也越大,因此加工過程中對表面進行微切削獲得較大的材料去除量。但同時,加工工件研磨后的表面容易產生劃痕、坑洞及亞表面損傷等質量缺陷

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當磨料粒徑越小時,同一時間內在研磨區域內的磨料顆粒數量越多,且大小顆粒較為不明顯使得均勻性相對較好,在相同總壓力下每個受力顆粒的分壓則越小,對陶瓷表面的切深也越小,甚至僅去除表面的原始凸起,因此材料去除率較低但表面質量較好。

4.研磨壓力

研磨壓力決定研磨過程中磨料顆粒對工件表面的作用狀態,是研磨加工中的重要參數之一。當研磨壓力較小時,同一時間內研磨區域內的磨料顆粒的分壓較小,對加工工件表面的切深較小,因而材料去除率和表面粗糙度均較小。反之則研磨壓力越大,材料去除率和表面粗糙度也會增大。

但當研磨壓力繼續增加超過一定程度時,較粗的磨料顆粒雅茹研磨盤的深度較大而轉變為二體研磨行為,會導致在表面微切削過程中產生的劃痕寬度和深度更明顯,使得加工工件表面質量更差。

5.研磨速度

研磨速度對磨料顆粒在研磨過程中的運動軌跡稀疏程度和均勻性有重要影響。一般情況下,隨著研磨速度的提高,單位時間內磨料顆粒作用于工件的軌跡變多,則單位時間內磨粒對工件的去除量增加,去除率就提高。不過隨著研磨速度的提高,研磨盤的振動程度會加大,這會使得磨料顆粒對加工工件作用不均勻,工件的表面粗糙度也會增大。

6.研磨液流量

根據陳建新等人的實驗研究結果(如下圖),發現隨著研磨液流量的增加,材料去除率和加工表面粗糙度均先升高后降低。

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這是因為研磨液流量的增加使得同一時間內進入研磨區域的磨料顆粒數量增加,材料去除率增加,當研磨液流量增加至一定程度后,磨料顆粒在研磨區域內的堆積使得磨粒間隙更小,磨粒更容易發生滾動,且一部分顆粒失去去除作用并逸出,剩下另一部分顆粒進行去除作用,因此材料去除率下降,同時對陶瓷表面產生的損傷減小,表面粗糙度減小。

7.研磨液磨料濃度

研磨液磨料濃度是指磨料顆粒的含量,它對研磨效率及效果有很大的影響。通常隨著磨料濃度的提高,單位時間內在加工工件單位表面積上參與研磨的磨料顆粒越多,此時磨料顆粒主要發生二體摩擦行為,材料去除率也會升高。

但當磨料濃度高到一定地步時,磨料顆粒會逐漸轉變為三體摩擦行為,會使得材料去除率逐漸趨于飽和。若磨料濃度繼續增大,則會使得磨料顆粒間距離更小,進而產生團聚現象,導致研磨質量變差,因此選擇合適的研磨液磨料濃度很關鍵。

8.拋光

在研磨基礎上,實驗人員分別在雙面拋光和單面拋光的加工方式下,通過粒度W1和W0.5的SiC磨料對研磨后的氧化鋁陶瓷片進行拋光加工,其結果如下圖所示。

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顯然,無論是采用W1還是W0.5的SiC磨料,單面拋光加工的效率比雙面拋光加工高出不少,能夠在更短的時間內將陶瓷片表面粗糙度降至很低的水平。據分析,單面拋光方式之所以能更高效率地進行工作,其原因可以認為是:

一,磨料顆粒在進入工件拋光區域前,可能會發生團聚使磨粒變大,進而對工件產生更大的損傷。而在單面拋光過程中,磨料顆粒在進入拋光區域前需要經過修整環,修整環除了對陶瓷貼盤進行定位,還通過自身壓力對產生團聚的磨料進行分離破碎,使磨料保持均勻粒徑對工件進行拋光。

二,單面拋光是通過拋光盤和圓形陶瓷盤轉動完成加工運動的,產生的工件跳動較小,磨料對工件的去除效率較高,產生的表面損傷較少;而雙面拋光是工件裝夾在游星輪保持架內,通過中心軸齒輪和外圈齒的嚙合在上下拋光盤間做游星運動,由于齒輪嚙合產生的工件跳動較大,磨料對工件的去除效率較低,產生的表面損傷較多。

結語

不過由于氧化鋁陶瓷本身存在晶粒較大、多孔性,機械拋光并不能從根本上改變陶瓷表面的微米級空洞或缺陷,而這些空洞和缺陷的存在也會限制了氧化鋁陶瓷基片作為薄膜基片的一些應用。因此也有研究人員通過在基片表面制備一層玻璃釉涂層的方法,來對氧化鋁陶瓷基片進行表面處理。

但無論如何,隨著市場對電子陶瓷的需求的進一步增加,具備高的尺寸精度、形狀精度、表面粗糙度低的氧化鋁陶瓷電子基片將持續受到重用,因此實現氧化鋁陶瓷基片表面超光滑平坦化是基片襯底材料制備技術的關鍵和發展趨勢。

 

 

2016年4月13日 11:25
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