不同材质的陶瓷基板分别适用哪些抛光工艺？

随着社会的发展，工业的进步，在轨道交通、电子电力和航空航天等领域对于功率器件的需求与日俱增。与金属、金属基复合材料以及树脂基片相比，陶瓷基板具有优良的导热性、电绝缘性、气密性、力学性能和介电性能等优点，被广泛用于集成电路、大功率半导体器件、通讯电子领域、LED产业、锂电池、芯片、航天航空和国防军工等高科技领域。随着装备型号的发展，对陶瓷基板的表面粗糙度、平整度等提出了更为严苛的要求。

目前，已投入生产的陶瓷基板主要有氧化铝(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)、碳化硅(SiC)、氧化铍(BeO)和氮化铝(AlN)等。陶瓷基板的硬度高、脆性大、容易产生裂纹、表面加工难度大。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。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。

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陶瓷基板可以通过机械抛光先进行粗抛，去除大的麻点和划痕，再通过CMP精抛，表面达到纳米级粗糙度水平，对比不同磨料在CMP抛光过程中与M面蓝宝石的作用机理，可以发现葡萄糖酸钠(Gluc)能够与之反应生成柔软的Al(OH)^4?/Gluc^?，同时，Al₂O₃又能够和SiO₂抛光液形成柔性的Al₂Si₂O₇·2H₂O，进一步提升抛光效率。

           

▲机械抛光机理

Al₂O₃陶瓷基板也可以使用单面研磨抛光机和双面研磨抛光机。有研究通过单面研磨抛光和双面研磨抛光对Al₂O₃陶瓷基板进行抛光，结果表明单面抛光的抛光效率与表面质量均优于双面抛光，采用W0.5的SiC磨料可以获得平均表面粗糙度Ra为10nm的光滑表面。对Al₂O₃陶瓷基板进行精密机械抛光，当SiC磨料的粒径为2μm，轴向载荷质量为9kg、磨盘转速为90r·min^?1、抛光液浓度为35%、连续研磨时间为50min时，基板的表面粗糙度由原始的1.49μm下降至0.22μm，表面粗糙度改善率达到85%。

同时，皮秒抛光技术也非常适用于Al₂O₃陶瓷的抛光。传统的激光抛光不是直接去除表面材料，而是需要对超快激光激发的纳米颗粒进行再结晶。激发的纳米粒子熔化重结晶，在陶瓷表面形成一层致密的细晶结构，导致表面粗糙度降低，不同于传统的激光抛光技术，皮秒抛光不使用连续激光加热材料表面使之蒸发，而是通过波长短于光子—电子耦合的短波激光加热电子并将其激发。这样失去电子的阳离子就会因为静电斥力松动并被去除。另一方面，为了满足对于复杂平面的抛光需求，超声振动辅助抛光技术也广泛应用在Al₂O₃陶瓷抛光中。

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310W·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。

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。

▲CMP抛光工艺示意图

采用CMP抛光方法，通过铝金属盘和SiC界面接触并用1wt.%的Na₂SO₄盐溶液作为抛光液，产生电化学腐蚀将4H-SiC界面软化为SiO₂，这使材料移除率提高105%，表面粗糙度降低37.8%。

通过超精密磨削研究反应烧结碳化硅(RB-SiC)和无压烧结碳化硅(S-SiC)的材料去除特性，分别采用目数为120#、600#、2000#和12000#金刚石杯形砂轮进行粗磨、半成品磨、细磨和精磨。结果表明：当使用#2000金刚石砂轮研磨RB-SiC和S-SiC陶瓷时，可以获得约Ra为3nm的表面粗糙度和小于8nm的凹槽深度，满足了大多数高性能应用的要求。

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。

▲氮化硅陶瓷基板

研究不同SiO₂抛光液配制参数对精细雾化CMP抛光Si₃N₄陶瓷基板的抛光效果的影响。结果表明：当加入5wt.%的SiO₂磨料、1wt.%的H₂O₂氧化剂、pH值调节为8时，通过精细雾化CMP抛光的Si₃N₄陶瓷基板的材料去除率为108.24nm·min^?1，表面粗糙度Ra为3.39nm，与传统CMP抛光接近，但是节省了抛光液的用量，仅为传统抛光液用量的1/9。

沃德发明了一种酸性含水性抛光液用于CMP技术抛光Si₃N₄陶瓷，抛光液主要由CeO₂、非聚合物型不饱和氮杂环化合物、聚氧化烯聚合物和水组成。与此类似，采用CeO₂、Cr₂O₃、Al₂O₃以及水组成的CMP抛光液抛光Si₃N₄陶瓷，抛光速度快且时间短，提高了生产效率，降低制造成本，获得光滑的抛光面，显著提高Si₃N₄陶瓷的表面质量。

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。

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。

▲等离子辅助抛光加工示意图

为解决AlN陶瓷基板抛光工艺的问题，有研究发现，集群磁流变抛光加工AlN基板可以实现高效率超光滑抛光，基板经过抛光60min后，粗糙度从1.7302μm降至0.0378μm；通过对烧结后的AlN陶瓷基板表面进行等离子体辅助抛光和无等离子体照射抛光的比较，可发现通过应用等离子体辅助抛光可以获得500nm·h^?1的材料去除率，是无等离子体照射抛光的两倍。在精抛实验中，获得了表面粗糙度Ra为3nm的光滑AlN表面。

还有一些科研人员巧妙利用AlN易与水反应这一特点，采用溶胶—凝胶(SG)法对AlN陶瓷基板抛光，采用一种半固结磨料抛光工具“溶胶凝胶抛光膜”对AlN基板进行加工。实验结果得出AlN基板粗抛阶段宜采用溶胶凝胶抛光膜干法抛光，精抛阶段宜采用溶胶凝胶抛光膜湿法抛光进行加工，达到较高的表面质量。在粗抛阶段中机械作用力占主导，精抛阶段中水合作用占主导。

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。综合上述，发现当前陶瓷基板抛光存在的一些问题和规律：

● 按照接触方式的不同，可以将抛光方法分为三类，即接触式抛光(机械抛光、化学机械抛光)、非接触式抛光(电泳抛光、电解抛光、等离子体辅助抛光)以及介于接触式和非接触式的抛光方法(磁流变抛光)。研发生产过程中，需要根据陶瓷基板的材质以及表面要求，选择不同的抛光方法或复合抛光方案；

● Al₂O₃、AlN、SiC陶瓷基板的抛光工艺研究相对较多，Si₃N₄和BeO陶瓷基板抛光工艺研究相对较少，需要开展进一步的系统研究。其中，BeO因其粉体具有毒性，对人体和环境危害较大，将会被其他陶瓷基板替代；