由于電子行業(yè)的一系列特殊技術(shù)要求，電子陶瓷在微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分以及電學(xué)性能上，與一般的工程陶瓷有著極大的不同。譬如說，高的機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫耐高濕、抗輻射、抗電強(qiáng)度和絕緣電阻高，介質(zhì)能在足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)變化等，這些都是與電子陶瓷密不可分的標(biāo)簽。

       在電子陶瓷種類中，在具備以上這些特征的基礎(chǔ)上，氧化鋁電子陶瓷基片還具有成本較低的優(yōu)勢(shì)，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(shù)主要包括兩個(gè)部分：基片的制備與分切，以及表面加工技術(shù)。雖說兩者同樣重要，但后者是電子元器件生產(chǎn)的基礎(chǔ)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(huì)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(huì)對(duì)其表面加工的效果產(chǎn)生影響。下方將對(duì)氧化鋁陶瓷基片的制備及對(duì)其研磨拋光產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行總結(jié)。

       01

       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(jié)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(tǒng)陶瓷成型法相比技術(shù)上較新，是薄片陶瓷材料的一種重要成型工藝。

流延成型法制造的陶瓷生坯片

       接著，流延坯片在經(jīng)過沖裁后，按照適當(dāng)?shù)呐拍z、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(jié)方法有：1）熱壓燒結(jié)；2）熱等靜壓燒結(jié)法；3）微波加熱燒結(jié)法；4）微波等離子體燒結(jié)法；5）放電等離子燒結(jié)法等。

       02

       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(zhì)量均是十分重要的指標(biāo)，但因?yàn)闊Y(jié)通常會(huì)帶來變形和收縮，所以一般都需要進(jìn)一步對(duì)氧化鋁基片進(jìn)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(jī)理較復(fù)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(shù)等。就此議題，陳建新等研究人員曾做過較多相關(guān)研究，下文便對(duì)幾個(gè)主要的影響因素進(jìn)行總結(jié)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。

       前者是高精度的平面加工設(shè)備，機(jī)械構(gòu)造強(qiáng)度高且具有穩(wěn)定的精度。由于溝槽采用的是細(xì)密的環(huán)形結(jié)構(gòu)，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(jī)械零件進(jìn)行雙面研磨。由于溝槽采用的是寬大的十字結(jié)構(gòu)，使得大部分磨料填充于溝槽內(nèi)部并隨研磨盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而逸出研磨作用區(qū)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。總的來說，單面研磨的加工方式更適合對(duì)氧化鋁陶瓷基片進(jìn)行快速減薄加工。

不同加工方式下鑄鐵研磨盤面溝槽結(jié)構(gòu)

       2.磨料種類

       為了對(duì)加工工件進(jìn)行機(jī)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(jìn)行加工的。

       另外，磨料顆粒與研磨盤的相對(duì)硬度和磨料顆粒的形態(tài)及物理機(jī)械性能對(duì)研磨效果影響很大，硬度較大的磨料對(duì)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(chǎn)生的損傷區(qū)域較小，因此表面質(zhì)量較好。下方是幾種常用磨料的對(duì)比。

       表常用磨料的性能對(duì)比

       3.磨料粒度

       磨料的粒徑在研磨加工過程中會(huì)影響其切入加工工件表面的深度以及承擔(dān)的壓力。在研磨液中磨料濃度相同時(shí)，若粒徑越大，則同一時(shí)間內(nèi)在研磨區(qū)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(qū)域內(nèi)使得部分小顆粒不受力，那么在相同總壓力下每個(gè)受力顆粒的分壓越大，對(duì)氧化鋁陶瓷表面的切深也越大，因此加工過程中對(duì)表面進(jìn)行微切削獲得較大的材料去除量。但同時(shí)，加工工件研磨后的表面容易產(chǎn)生劃痕、坑洞及亞表面損傷等質(zhì)量缺陷。

大小顆粒并存會(huì)導(dǎo)致受力顆粒的分壓更大

       當(dāng)磨料粒徑越小時(shí)，同一時(shí)間內(nèi)在研磨區(qū)域內(nèi)的磨料顆粒數(shù)量越多，且大小顆粒較為不明顯使得均勻性相對(duì)較好，在相同總壓力下每個(gè)受力顆粒的分壓則越小，對(duì)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(zhì)量較好。

       4.研磨壓力

       研磨壓力決定研磨過程中磨料顆粒對(duì)工件表面的作用狀態(tài)，是研磨加工中的重要參數(shù)之一。當(dāng)研磨壓力較小時(shí)，同一時(shí)間內(nèi)研磨區(qū)域內(nèi)的磨料顆粒的分壓較小，對(duì)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(huì)增大。

       但當(dāng)研磨壓力繼續(xù)增加超過一定程度時(shí)，較粗的磨料顆粒雅茹研磨盤的深度較大而轉(zhuǎn)變?yōu)槎w研磨行為，會(huì)導(dǎo)致在表面微切削過程中產(chǎn)生的劃痕寬度和深度更明顯，使得加工工件表面質(zhì)量更差。

       5.研磨速度

       研磨速度對(duì)磨料顆粒在研磨過程中的運(yùn)動(dòng)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(shí)間內(nèi)磨料顆粒作用于工件的軌跡變多，則單位時(shí)間內(nèi)磨粒對(duì)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(dòng)程度會(huì)加大，這會(huì)使得磨料顆粒對(duì)加工工件作用不均勻，工件的表面粗糙度也會(huì)增大。

       6.研磨液流量

       根據(jù)陳建新等人的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果（如下圖），發(fā)現(xiàn)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。

       這是因?yàn)檠心ヒ毫髁康脑黾邮沟猛粫r(shí)間內(nèi)進(jìn)入研磨區(qū)域的磨料顆粒數(shù)量增加，材料去除率增加，當(dāng)研磨液流量增加至一定程度后，磨料顆粒在研磨區(qū)域內(nèi)的堆積使得磨粒間隙更小，磨粒更容易發(fā)生滾動(dòng)，且一部分顆粒失去去除作用并逸出，剩下另一部分顆粒進(jìn)行去除作用，因此材料去除率下降，同時(shí)對(duì)陶瓷表面產(chǎn)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(duì)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(shí)間內(nèi)在加工工件單位表面積上參與研磨的磨料顆粒越多，此時(shí)磨料顆粒主要發(fā)生二體摩擦行為，材料去除率也會(huì)升高。

       但當(dāng)磨料濃度高到一定地步時(shí)，磨料顆粒會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿w摩擦行為，會(huì)使得材料去除率逐漸趨于飽和。若磨料濃度繼續(xù)增大，則會(huì)使得磨料顆粒間距離更小，進(jìn)而產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致研磨質(zhì)量變差，因此選擇合適的研磨液磨料濃度很關(guān)鍵。

       8.拋光

       在研磨基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)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(duì)研磨后的氧化鋁陶瓷片進(jìn)行拋光加工，其結(jié)果如下圖所示。

不同拋光方式對(duì)拋光效率和表面粗糙度的影響

       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(shí)間內(nèi)將陶瓷片表面粗糙度降至很低的水平。據(jù)分析，單面拋光方式之所以能更高效率地進(jìn)行工作，其原因可以認(rèn)為是：

       一，磨料顆粒在進(jìn)入工件拋光區(qū)域前，可能會(huì)發(fā)生團(tuán)聚使磨粒變大，進(jìn)而對(duì)工件產(chǎn)生更大的損傷。而在單面拋光過程中，磨料顆粒在進(jìn)入拋光區(qū)域前需要經(jīng)過修整環(huán)，修整環(huán)除了對(duì)陶瓷貼盤進(jìn)行定位，還通過自身壓力對(duì)產(chǎn)生團(tuán)聚的磨料進(jìn)行分離破碎，使磨料保持均勻粒徑對(duì)工件進(jìn)行拋光。

       二，單面拋光是通過拋光盤和圓形陶瓷盤轉(zhuǎn)動(dòng)完成加工運(yùn)動(dòng)的，產(chǎn)生的工件跳動(dòng)較小，磨料對(duì)工件的去除效率較高，產(chǎn)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(nèi)，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(yùn)動(dòng)，由于齒輪嚙合產(chǎn)生的工件跳動(dòng)較大，磨料對(duì)工件的去除效率較低，產(chǎn)生的表面損傷較多。

       結(jié)語

       不過由于氧化鋁陶瓷本身存在晶粒較大、多孔性，機(jī)械拋光并不能從根本上改變陶瓷表面的微米級(jí)空洞或缺陷，而這些空洞和缺陷的存在也會(huì)限制了氧化鋁陶瓷基片作為薄膜基片的一些應(yīng)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(duì)氧化鋁陶瓷基片進(jìn)行表面處理。

       但無論如何，隨著市場(chǎng)對(duì)電子陶瓷的需求的進(jìn)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(xù)受到重用，因此實(shí)現(xiàn)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(shù)的關(guān)鍵和發(fā)展趨勢(shì)。

       資料來源：

       1.氧化鋁陶瓷基片高效減薄和超光滑拋光加工研究，陳建新，閻秋生，潘繼生。

       2.氧化鋁陶瓷基片研磨拋光研究，陳建新。