隨著集成電路和半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，具有高表面精度和低粗糙度的陶瓷基板成為封裝基板的最佳選擇，而拋光工序作為陶瓷基板生產(chǎn)過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，決定了產(chǎn)品整體質(zhì)量的好壞。

為了改善平整度，獲得高表面精度、低表面粗糙度的陶瓷基板，首先通過研磨工序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。常見的陶瓷基板的拋光技術(shù)分為化學(xué)機械拋光、磨料流拋光、超聲振動輔助磨料流拋光、電泳拋光、電解拋光以及磁流變拋光等。艾邦建有陶瓷基板產(chǎn)業(yè)群，歡迎產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)加入微信群。

1. 化學(xué)機械拋光（CMP）

化學(xué)機械拋光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)最早可以追溯到 1965 年由 Monsanto 首次提出 CMP 技術(shù)的概念，該技術(shù)可以有效降低傳統(tǒng)拋光過程造成的亞表面損傷，獲得納米級的面精度和亞納米級的表面粗糙度。由于其獨特的化學(xué)腐蝕和機械去除協(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，近年來受到廣泛關(guān)注。CMP 拋光是陶瓷基板實現(xiàn)全局平坦化的主流拋光方法。

圖 CMP 拋光工藝示意圖

在 CMP 拋光過程中，拋光液與基板表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，軟化基板的同時通過機械研磨將被軟化的表面去除。CMP 工藝中，通過調(diào)節(jié)拋光液和拋光參數(shù)，可以實現(xiàn)消除缺陷和劃痕從而達(dá)到預(yù)期的加工效果。此外，拋光液中磨粒的形貌影響著材料的去除效果，相對圓潤的磨粒更容易獲得良好的拋光效果。

拋光墊是CMP拋光過程中的重要消耗品之一，一般需要具備適當(dāng)?shù)膭傂院投嗫孜匦?，是決定拋光面表面質(zhì)量和拋光效率的重要輔料。拋光墊一般都帶有不同形狀的溝槽，能夠幫助傳輸磨料和提高拋光均勻性，主要有三種類型，聚氨酯拋光墊、無紡布拋光墊和復(fù)合型拋光墊。拋光墊的主要作用是存儲、傳輸拋光液，對被加工工件提供一定壓力并對其表面進(jìn)行機械摩擦。

2. 超聲振動輔助磨料流拋光

超聲波振動與電子放電、等離子體和激光類似，可以在很短的時間內(nèi)釋放大量能量，并廣泛應(yīng)用于硬脆性材料的加工。通過將超聲振動和磨料流拋光技術(shù)相結(jié)合，利用超聲振動系統(tǒng)把超聲振動作用于磨料流，結(jié)合兩者的動能完成拋光加工的一種新的復(fù)合拋光方式，被命名為超聲振動輔助磨料流拋光(UVAFP)。工作過程中，壓電陶瓷在超聲電源的驅(qū)動下利用換能器帶動變幅桿與工具產(chǎn)生超聲頻振動。隨后，工具端面把超聲振動傳遞給磨料流。在超聲振動作用下，磨料流對被加工工件表面的沖擊作用得到了明顯的增強，實現(xiàn)了被加工表面的高效拋光加工。超聲的引入有利于微氣泡的形成與破滅，而工件表面微氣泡破滅的同時又有助于材料的脫落，得到更為精確的拋光表面。這一特性促使這種拋光技術(shù)特別適用于精密光學(xué)器件的表面拋光。

圖 超聲輔助磨料流拋光示意圖

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中移動速度不同而達(dá)到分離。陶瓷工件端為負(fù)極，拋光頭為正極時，拋光粒子在電場力作用下向拋光頭聚集，形成一個柔性磨粒層，當(dāng)陶瓷工件旋轉(zhuǎn)時，磨料與工件間會發(fā)生摩擦和碰撞，進(jìn)而達(dá)到拋光的目的。陶瓷工件為正極，拋光頭為負(fù)極時，拋光粒子將在電場作用下向工件方向聚集，陶瓷工件和拋光頭相對運動，拋光粒子對工件表面產(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加工表面不產(chǎn)生機械加工常見的損傷，故最適合于功能陶瓷的超精密加工。

圖 電泳拋光原理示意圖

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極，不溶性金屬作為陰極，在兩電極間加入電壓，使陽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。電解拋光的原理可以用黏膜理論解釋，從工件上脫離的金屬離子與電解液中的磷酸形成一層磷酸鹽膜吸附在工件表面，該磷酸鹽膜在工件的凸起處較薄，在凹陷處較厚。而凸起處的電流密度較高因而溶解快，隨著黏膜流動，工件表面的粗糙度不斷降低，表面被逐漸修整光滑。電解拋光方法具有設(shè)備簡單低廉、操作簡單快速、生產(chǎn)效率高，能夠修整機械拋光無法拋到的凹陷處，增加工件的抗腐蝕性等優(yōu)點。

圖 電解拋光裝置圖

5. 等離子體輔助拋光

等離子體輔助拋光(PAP)技術(shù)最早是由日本大阪大學(xué)的 Yamamura 于 2010 年提出，是一種超低壓力的干法拋光技術(shù)。該技術(shù)將化學(xué)改性和物理去除相結(jié)合，通過等離子體照射進(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)機械加工的局限，可以獲得原子級平坦表面，不會造成亞表面損傷，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。

圖 PAP 加工示意圖

PAP 技術(shù)中采用的等離子體在真空和高頻電場下產(chǎn)生，以惰性氣體作為載氣，能夠產(chǎn)生強氧化性自由基團(tuán)的氣體(水蒸氣、O2、He 等)作為反應(yīng)氣體。拋光過程中，反應(yīng)氣體產(chǎn)生的自由基團(tuán)與樣品發(fā)生反應(yīng)，形成硬度較低的改性層。與此同時，軟磨料(如 CeO2)不斷地對氧化層進(jìn)行機械切削拋光，最終獲得光滑無損傷的原子級平坦表面。

圖 PAP 技術(shù)原理圖

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。這種方法將微米尺寸的鐵磁性顆粒分散在絕緣液相中形成磁流變液。磁流變液是一種新型的智能材料，具有優(yōu)異的流變性能和力學(xué)性能，在未加磁場時流變特性與普通牛頓流體相似，當(dāng)受到一定強度的磁場作用時，會產(chǎn)生明顯的磁流變效應(yīng)。在磁場中，發(fā)生流變的磁流變液流經(jīng)工件與運動盤形成的小間隙時，會對接觸部位的工件表面產(chǎn)生很大的剪切力，進(jìn)而對工件產(chǎn)生切削拋光，使工件表面的材料被高效地去除。

圖 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、加工過程易于控制、磨頭無磨損、表面粗糙度小、表面損傷小、無亞表面損傷以及可精確控制力等優(yōu)點，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。

圖?氮化鋁陶瓷基板拋光片，來源：臻璟

陶瓷基板作為集成電路和覆銅板的襯底材料，其表面質(zhì)量直接影響后端器件的使用壽命和作用可靠性，為了滿足器件集成化、小型化和高可靠性的發(fā)展要求，未來對陶瓷基板表面質(zhì)量的要求會愈發(fā)嚴(yán)苛，應(yīng)用的陶瓷基板表面處理技術(shù)也面臨著越來越嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。研發(fā)生產(chǎn)過程中，需要根據(jù)陶瓷基板的材質(zhì)以及表面要求，選擇不同的拋光方法或復(fù)合拋光方案。

來源：陶瓷基板拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀，姚忠櫻,等.

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：幾種陶瓷基板的拋光技術(shù)介紹