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16
2025
-
07
陶瓷基板的抛光技術
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隨着集成電路和半導體行業的快速發展，具有高表面精度和低粗糙度的陶瓷基板成爲封裝基板的最佳選擇，而抛光工序作爲陶瓷基板生產過程中最爲關鍵的環節，決定了当前產品整體質量的好壞。除了關于抛光工序環節外，陶瓷基板作爲電子元器件封裝的重要組成部分，陶瓷基板及封裝最新研究進展、未來發展趨勢以及應用前景等方面受到了廣泛關注。
抛光工序：爲了改善平整度，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，加工變質層和劃痕，再利用抛光技術進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。常見的陶瓷基板的抛光技術分爲化學機械抛光、磨料流抛光、超聲振動輔助磨料流抛光、電泳抛光、電解抛光以及磁流變抛光等。
1. 化學機械抛光（CMP）
化學機械抛光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)最早可以追溯到 1965 年由 Monsanto 首次提出 CMP 技術的概念，該技術可以有效降低傳統抛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。由于其獨特的化學腐蝕和機械去除協同工藝，是目前能夠實現全局平坦化的抛光技術之一，近年來受到廣泛關注。CMP 抛光是陶瓷基板實現全局平坦化的主流抛光方法。
在 CMP 抛光過程中，抛光液與基板表面發生化學反應，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，通過調節抛光液和抛光參數，可以實現消除缺陷和劃痕從而達到預期的加工效果。此外，抛光液中磨粒的形貌影響着材料的去除效果，相對圓潤的磨粒更容易獲得良好的抛光效果。
抛光墊是CMP抛光過程中的重要消耗品之一，一般需要具備適當的剛性和多孔吸水特性，是決定抛光面表面質量和抛光效率的重要輔料。抛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抛光均勻性，主要有三種類型，聚氨酯抛光墊、無紡布抛光墊和複合型抛光墊。抛光墊的主要作用是存儲、傳輸抛光液，對被加工工件提供一定壓力並對其表面進行機械摩擦。
2. 超聲振動輔助磨料流抛光
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釋放大量能量，並廣泛應用于硬脆性材料的加工。通過將超聲振動和磨料流抛光技術相結合，利用超聲振動系統把超聲振動作用于磨料流，結合兩者的動能完成抛光加工的一種新的複合抛光方式，被命名爲超聲振動輔助磨料流抛光(UVAFP)。工作過程中，壓電陶瓷在超聲電源的驅動下利用換能器帶動變幅杆與工具產生超聲頻振動。隨後，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，實現了被加工表面的高效抛光加工。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，得到更爲精確的抛光表面。這一特性促使這種抛光技術特別適用于精密光學器件的表面抛光。
3. 電泳抛光
電泳抛光是一種極具潛力的非接觸的抛光方法之一，該技術利用帶電粒子在電場中移動速度不同而達到分離。陶瓷工件端爲負極，抛光頭爲正極時，抛光粒子在電場力作用下向抛光頭聚集，形成一個柔性磨粒層，當陶瓷工件旋轉時，磨料與工件間會發生摩擦和碰撞，進而達到抛光的目的。陶瓷工件爲正極，抛光頭爲負極時，抛光粒子將在電場作用下向工件方向聚集，陶瓷工件和抛光頭相對運動，抛光粒子對工件表面產生沖擊碰撞，從而達到去除材料的目的。由于這種方法幾乎對加工表面不產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。
4. 電解抛光
爲了改善金屬表面的微觀幾何形狀，降低金屬表面的粗糙度，科研人員發明了一種新型的表面處理技術“電解抛光。電解抛光利用電流和化學反應相組合，在電解液中以金屬工件作爲陽極，不溶性金屬作爲陰極，在兩電極間加入電壓，使陽極上的微凸起部分發生選擇性溶解，降低表面粗糙度，生成光滑的表面。電解抛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，隨着黏膜流動，工件表面的粗糙度不斷降低，表面被逐漸修整光滑。電解抛光方法具有設備簡單低廉、操作簡單快速、生產效率高，能夠修整機械抛光無法抛到的凹陷處，增加工件的抗腐蝕性等優點。
5. 等離子體輔助抛光
等離子體輔助抛光(PAP)技術最早是由日本大阪大學的 Yamamura 于 2010 年提出，是一種超低壓力的幹法抛光技術。該技術將化學改性和物理去除相結合，通過等離子體照射進行表面改性，借助軟磨料的摩擦作用去除材料，打破了傳統機械加工的局限，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量，成功應用于多種難加工材料，如 SiC、AlN 等陶瓷材料。
PAP 技術中采用的等離子體在真空和高頻電場下產生，以惰性氣體作爲載氣，能夠產生強氧化性自由基團的氣體(水蒸氣、O2、He 等)作爲反應氣體。抛光過程中，反應氣體產生的自由基團與樣品發生反應，形成硬度較低的改性層。與此同時，軟磨料(如 CeO2)不斷地對氧化層進行機械切削抛光，最終獲得光滑無損傷的原子級平坦表面。
6. 磁流變抛光
磁流變抛光技術(MRF)是一種介于接觸式抛光與非接觸式抛光的一種抛光方法。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，具有優異的流變性能和力學性能，在未加磁場時流變特性與普通牛頓流體相似，當受到一定強度的磁場作用時，會產生明顯的磁流變效應。在磁場中，發生流變的磁流變液流經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生很大的剪切力，進而對工件產生切削抛光，使工件表面的材料被高效地去除。
與傳統的加工方法相比，磁流變抛光技術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點，因此多應用于加工要求高的精密和超精密領域，最常應用于光學加工領域，特別適合中、小口徑 Φ50 mm 以下光學元件的快速抛光，具有廣闊的應用前景。
陶瓷基板作爲集成電路和覆銅板的襯底材料，其表面質量直接影響後端器件的使用壽命和作用可靠性，爲了滿足器件集成化、小型化和高可靠性的發展要求，未來對陶瓷基板表面質量的要求會愈發嚴苛，應用的陶瓷基板表面處理技術也面臨着越來越嚴苛的挑戰。研發生產過程中，需要根據陶瓷基板的材質以及表面要求，選擇不同的抛光方法或複合抛光方案。
來源：陶瓷基板抛光技術研究現狀，姚忠櫻,等.
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