半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在現(xiàn)代社會(huì)中扮演著至關(guān)重要的角色，從智能手機(jī)到智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施，深刻影響著人們的生活。特別是在第三代半導(dǎo)體材料，如GaN、SiC，它們?cè)陔娮舆w移率、飽和漂移速率和禁帶寬度等方面表現(xiàn)優(yōu)異，使得這些材料的器件具備耐高壓、耐高溫、高功率和低損耗等優(yōu)勢(shì)。然而，高功率半導(dǎo)體器件在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，因此需要高效的散熱系統(tǒng)。陶瓷基板因其優(yōu)良的熱導(dǎo)率和機(jī)械可靠性，成為電子行業(yè)散熱系統(tǒng)的首選材料，顯示出廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)。

陶瓷基板

拋光技術(shù)在陶瓷基板的制造過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，對(duì)基板的最終性能有著直接的影響。比如說(shuō)可以顯著改善基板表面的平整度和光潔度，減少表面缺陷，有利于更密集的電路設(shè)計(jì)的能力，從而提高器件的性能和可靠性。控制基板的凸度（平整度）也極大地改善了照片掩模圖案到基底表面的轉(zhuǎn)移，從而允許更精細(xì)的線條和空間。

總之，先進(jìn)的拋光技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高性能陶瓷基板不可或缺的一部分，直接影響其在各類電子應(yīng)用中的表現(xiàn)。以下本文將介紹幾種陶瓷基板典型的拋光技術(shù)，大家不妨一起了解一下。

拋光技術(shù)分類

陶瓷基板的加工，一般都先從研磨開始，先去除陶瓷基板表面的缺陷，加工變質(zhì)層和劃痕，再利用拋光技術(shù)進(jìn)一步去除研磨過(guò)程中造成的表面或亞表面損傷，得到更低粗糙度的平整表面。目前常見的陶瓷基板的拋光技術(shù)分為化學(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。

1、化學(xué)機(jī)械拋光

化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)可以有效降低傳統(tǒng)拋光過(guò)程造成的亞表面損傷，獲得納米級(jí)的面精度和亞納米級(jí)的表面粗糙度。由于其獨(dú)特的化學(xué)腐蝕和機(jī)械去除協(xié)同工藝，是目前能夠?qū)崿F(xiàn)全局平坦化的拋光技術(shù)之一。

原理圖以及劃痕示意圖

在CMP拋光過(guò)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(guò)機(jī)械研磨將被軟化的表面去除，因此很適合陶瓷基板的拋光、Al₂O₃、SiC、AlN等均會(huì)使用。例如，在拋光Al₂O₃基板時(shí)，使用硅溶膠拋光液會(huì)發(fā)生下圖化學(xué)反應(yīng)，生成物則會(huì)在機(jī)械磨拋過(guò)程中除去。這就意味著CMP過(guò)程更適用于可以發(fā)生界面反應(yīng)且生成物硬度較低的陶瓷材料。

2、超聲振動(dòng)輔助磨料流拋光

超聲波振動(dòng)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(guò)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

在超聲振動(dòng)作用下，磨料流對(duì)被加工工件表面的沖擊作用會(huì)得到明顯的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了被加工表面的高效拋光加工。且超聲的引入有利于微氣泡的形成與破滅，有助于材料的脫落，得到更為精確的拋光表面。有研究發(fā)現(xiàn)，拋光Al₂O₃基板時(shí)界面處Al₂O₃的應(yīng)力隨超聲振幅的增加而快速變大，當(dāng)振幅為4μm時(shí)，陶瓷基板表面粗糙度Ra達(dá)到最小值。

3、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(chǎng)中移動(dòng)速度不同而達(dá)到分離。

電泳拋光原理示意圖

上方原理圖中陶瓷工件端為負(fù)極，拋光頭為正極時(shí)，拋光粒子在電場(chǎng)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。而當(dāng)圖中陶瓷工件為正極，拋光頭為負(fù)極時(shí)，拋光粒子將在電場(chǎng)作用下向工件方向聚集，陶瓷工件和拋光頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)，拋光粒子對(duì)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(duì)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。

4、電解拋光

為了改善金屬表面的微觀幾何形狀，降低金屬表面的粗糙度，科研人員發(fā)明了一種新型的表面處理技術(shù)“電解拋光”。

電解拋光裝置圖

電解拋光利用電流和化學(xué)反應(yīng)相組合，在電解液中以金屬工件作為陽(yáng)極，不溶性金屬作為陰極，在兩電極間加入電壓，使陽(yáng)極上的微凸起部分發(fā)生選擇性溶解，降低表面粗糙度，生成光滑的表面。它具有設(shè)備簡(jiǎn)單低廉、操作簡(jiǎn)單快速、生產(chǎn)效率高，能夠修整機(jī)械拋光無(wú)法拋到的凹陷處，增加工件的抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。

5、等離子體輔助拋光

等離子體輔助拋光(PAP)技術(shù)是一種超低壓力的干法拋光技術(shù)，它將化學(xué)改性和物理去除相結(jié)合，通過(guò)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(jí)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 加工示意圖

6、磁流變拋光

磁流變拋光技術(shù)(MRF)是一種介于接觸式拋光與非接觸式拋光的一種拋光方法。磁流變液具有優(yōu)異的流變性能和力學(xué)性能，在未加磁場(chǎng)時(shí)流變特性與普通牛頓流體相似，當(dāng)受到一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的磁流變效應(yīng)。在磁場(chǎng)中，發(fā)生流變的磁流變液流經(jīng)工件與運(yùn)動(dòng)盤形成的小間隙時(shí)，會(huì)對(duì)接觸部位的工件表面產(chǎn)生很大的剪切力，進(jìn)而對(duì)工件產(chǎn)生切削拋光，使工件表面的材料被高效地去除。

磁流變拋光工作原理示意圖

與傳統(tǒng)的加工方法相比，磁流變拋光技術(shù)具有加工面形精度高、加工過(guò)程易于控制、磨頭無(wú)磨損、表面粗糙度小、表面損傷小、無(wú)亞表面損傷以及可精確控制力等優(yōu)點(diǎn)，因此多應(yīng)用于加工要求高的精密和超精密領(lǐng)域，最常應(yīng)用于光學(xué)加工領(lǐng)域，特別適合中、小口徑Φ50 mm以下光學(xué)元件的快速拋光，具有廣闊的應(yīng)用前景。

總結(jié)

本文介紹的幾種常見拋光工藝，各具特色，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的日益增長(zhǎng)，陶瓷基板拋光技術(shù)必將迎來(lái)更多創(chuàng)新和突破。新材料的引入、工藝的改進(jìn)以及設(shè)備的升級(jí)，都將在未來(lái)持續(xù)推動(dòng)著拋光技術(shù)的發(fā)展。

資料來(lái)源：

姚忠櫻,常逸文,崔鴿,等.陶瓷基板拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].陶瓷學(xué)報(bào),2023,44(06):1093-1102.DOI:10.13957/j.cnki.tcxb.2023.06.004.

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