隨著科技的不斷進(jìn)步，氮化鋁陶瓷基板作為一種高性能材料，在電子、航空、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。然而，氮化鋁陶瓷基板的加工技術(shù)，尤其是超精密加工技術(shù)，一直是制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。本文將探討氮化鋁陶瓷基板超精密加工技術(shù)的挑戰(zhàn)，并展望未來的突破方向。
氮化鋁陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、高熱穩(wěn)定性以及良好的絕緣性能，是理想的電子封裝材料和高溫結(jié)構(gòu)材料。在電子領(lǐng)域，氮化鋁陶瓷基板被廣泛應(yīng)用于集成電路、功率電子器件、傳感器等高性能電子產(chǎn)品的制造中。然而，由于其硬度高、脆性大，傳統(tǒng)的加工方法難以滿足其高精度、高表面的加工要求。
二、超精密加工技術(shù)的挑戰(zhàn)
超精密加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氮化鋁陶瓷基板高精度、高質(zhì)量加工的關(guān)鍵。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，超精密加工技術(shù)面臨著諸多挑戰(zhàn)：
材料硬度高：氮化鋁陶瓷的硬度接近金剛石，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法難以實(shí)現(xiàn)其高效、高精度的加工。
脆性大：氮化鋁陶瓷的脆性使其在加工過程中容易產(chǎn)生裂紋和崩邊，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和產(chǎn)品性能。
加工溫度高：在超精密加工過程中，由于摩擦熱和切削熱的作用，加工區(qū)域溫度會急劇升高，可能導(dǎo)致材料性能的變化和加工精度的下降。
表面質(zhì)量要求高：氮化鋁陶瓷基板的應(yīng)用往往要求其具有極高的表面質(zhì)量和光潔度，這對加工技術(shù)提出了更高的要求。
三、超精密加工技術(shù)的突破方向
為了克服氮化鋁陶瓷基板超精密加工技術(shù)的瓶頸，研究者們不斷探索新的加工方法和工藝。以下是幾個潛在的突破方向：
研發(fā)新型刀具材料：通過研發(fā)具有更高硬度、更好耐磨性和抗熱性的刀具材料，降低加工過程中的切削力和切削熱，提高加工精度和效率。
優(yōu)化加工工藝參數(shù)：通過深入研究氮化鋁陶瓷的加工特性，優(yōu)化加工工藝參數(shù)，如切削速度、進(jìn)給量、切削深度等，以減小加工過程中的熱影響和力影響。
引入新型加工技術(shù)：如激光加工、離子束加工等新型加工技術(shù)，這些技術(shù)具有非接觸、高精度、低損傷等特點(diǎn)，有望為氮化鋁陶瓷基板的超精密加工提供新的解決方案。
加強(qiáng)基礎(chǔ)研究：通過深入研究氮化鋁陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和加工機(jī)理等基礎(chǔ)問題，為開發(fā)更高效的加工方法提供理論支持。
四、結(jié)論與展望
氮化鋁陶瓷基板超精密加工技術(shù)的瓶頸是制約其應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大的關(guān)鍵因素。通過研發(fā)新型刀具材料、優(yōu)化加工工藝參數(shù)、引入新型加工技術(shù)以及加強(qiáng)基礎(chǔ)研究等多方面的努力，有望在未來突破這一瓶頸，推動氮化鋁陶瓷基板在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著科技的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，我們有理由相信，氮化鋁陶瓷基板的超精密加工技術(shù)將迎來更加廣闊的發(fā)展前景。
五、氮化鋁陶瓷基板加工技術(shù)的瓶頸：超精密加工技術(shù)
氮化鋁陶瓷具有導(dǎo)熱效率高、力學(xué)性能好、耐腐蝕、電性能優(yōu)、可焊接等特點(diǎn)，是理想的大規(guī)模集成電路散熱基板和封裝材料。根據(jù)360 research reports數(shù)據(jù)預(yù)測，到2026年，全球AlN陶瓷基板市場規(guī)模預(yù)計(jì)將從2020年的6100萬美元達(dá)到1.073億美元，2021-2026年的復(fù)合年增長率為9.8%，應(yīng)用市場前景廣闊。
在電子封裝應(yīng)用中，氮化鋁陶瓷基片的輕量化和超光滑表面能夠減小體積，能降低內(nèi)阻，有利于芯片的散熱。通常要求其表面超光滑，表面粗糙度Ra≤8 nm，損傷深度達(dá)到納米級別；在集成電路芯片應(yīng)用中，氮化鋁陶瓷基片經(jīng)過拋光后的表面精度需要滿足RMS<2 nm。而氮化鋁陶瓷的高硬度、高脆性和低斷裂韌性，使之在加工過程中容易產(chǎn)生表面缺陷和亞表面損傷。如何獲得高質(zhì)量的平坦化加工表面，提高加工效率，減少加工中出現(xiàn)的缺陷和損傷，一直都是超精密加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
目前，為了獲得表面質(zhì)量較高的氮化鋁陶瓷基板，主要采用化學(xué)機(jī)械拋光、磁流變拋光、ELID磨削、激光加工、等離子輔助拋光以及復(fù)合拋光等超精密加工方法。
01
氮化鋁陶瓷化學(xué)機(jī)械拋光工藝
化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)作為目前半導(dǎo)體行業(yè)使用最廣泛的全局平坦化技術(shù)。其工藝裝置主要由旋轉(zhuǎn)拋光盤、試件裝夾器及拋光液輸送裝置三部分構(gòu)成。拋光盤上粘貼有拋光墊并自旋轉(zhuǎn)，外部通過承載器給晶片施加正壓力，使得晶片與拋光墊兩者之間有合適的正壓力，能夠產(chǎn)生相對運(yùn)動。目前，氮化鋁陶瓷的CMP研究已經(jīng)取得了一系列的進(jìn)展。
在化學(xué)機(jī)械拋光中，材料的去除是通過化學(xué)和機(jī)械綜合作用，加工后的氮化鋁表面容易出現(xiàn)微裂紋，產(chǎn)生亞表面損傷。此外，在拋光工藝中，研磨液易造成污染，需要專門工藝處理，并且磨料容易對拋光墊造成磨損，需要定期對拋光墊修正。目前，用于氮化鋁的磨料、拋光墊種類、拋光工藝不如碳化硅成熟，有待進(jìn)一步深入研究。
02
氮化鋁陶瓷磁流變拋光工藝
磁流變拋光技術(shù)是介于接觸式拋光與非接觸式拋光的一種拋光方法。與傳統(tǒng)的拋光方法相比，具有拋光精度高、無刀具磨損、堵塞現(xiàn)象，去除率高且不引入亞表面損傷等優(yōu)點(diǎn)。
磁流變拋光工作
03
氮化鋁陶瓷的ELID磨削工藝
ELID磨削技術(shù)是將傳統(tǒng)磨削、研磨、拋光結(jié)合為一體的復(fù)合鏡面加工技術(shù)，具有高效性、工藝簡單、磨削質(zhì)量高等特點(diǎn)，并且使用的磨削液為弱電解質(zhì)的水溶液，對機(jī)床和工件沒有腐蝕作用，裝置簡單，適合推廣。但在磨削過程中由于修正電流的變化容易導(dǎo)致氧化層不連續(xù)，工件表面容易不平整，磨削工件容易產(chǎn)生燒傷、殘余應(yīng)力、裂紋等缺陷。
ELID磨削原理
04
氮化鋁陶瓷激光加工
激光加工是一種無接觸加工、無刀具磨損、高精度以及靈活性強(qiáng)的先進(jìn)加工技術(shù)，是適合脆硬型陶瓷材料的一種加工方法。其工作原理是光能通過透鏡聚焦后達(dá)到極高的能量密度，使材料在高溫下分解。激光加工方法成本低、效率高，但是難以控制產(chǎn)品的精度和表面質(zhì)量。
激光加工原理
05
氮化鋁陶瓷等離子輔助拋光工藝
等離子輔助拋光(PAP)是一種干式拋光技術(shù)。由于其結(jié)合了等離子體輻照對表面進(jìn)行改性，可通過超低壓或者使用軟磨料去除改性層，因而常被用于加工難處理材料。目前，等離子體輔助拋光由于受磨石的影響，材料的去除率相對于其他加工工藝較低，并且PAP的加工設(shè)備昂貴，不適用于大規(guī)模加工。
等離子輔助拋光
06
氮化鋁陶瓷復(fù)合拋光工藝
對于典型的硬脆性材料，非接觸式的加工方法，如化學(xué)腐蝕和激光拋光等，往往存在環(huán)境污染、加工成本高、加工效率低等問題。與之相比，接觸式的磨粒加工方法包括金剛石磨削和游離磨粒拋光，雖然加工效率高，工件形狀精度好，但會引入嚴(yán)重的表面和亞表面損傷，只適合粗加工，必須搭配刻蝕或拋光工序來實(shí)現(xiàn)損傷層的去除和應(yīng)力釋放。
從上述分析可以看出，單一的加工方法無法同時(shí)具有各種優(yōu)勢。為提高氮化鋁陶瓷基板加工表面質(zhì)量和加工效率，國內(nèi)外學(xué)者也采用多種加工手段進(jìn)行復(fù)合拋光技術(shù)研究，常見的復(fù)合拋光工藝有超聲振動輔助磨削、超聲波磨料水射流拋光以及超聲輔助固結(jié)磨?；瘜W(xué)機(jī)械拋光等。
總結(jié)
作為電子封裝基板的理想材料，氮化鋁陶瓷超精密加工后的高質(zhì)量加工表面是保證電子功率器件持久穩(wěn)定使用的前提。就現(xiàn)階段而言，化學(xué)機(jī)械拋光仍是氮化鋁陶瓷最主要的平坦化超精密加工方法，并以其他超精密加工方法為輔。氮化鋁陶瓷是一種多晶材料，有大量AlN晶粒液相燒結(jié)而成，是典型的脆硬型材料，加工難度不小，現(xiàn)階段精密加工技術(shù)仍存在一些問題待解決：
?。?）化學(xué)機(jī)械拋光中的研磨液、磨料、拋光墊種類較少，加工效率偏低。研發(fā)新型研磨液、磨料、拋光墊材料利于提高加工效率，降低成本。
?。?）AlN陶瓷材料去除過程中的演變機(jī)理已經(jīng)取得一些進(jìn)展，但目前超精密加工氮化鋁陶瓷的表面損傷形成機(jī)理尚不夠明確，氮化鋁陶瓷實(shí)現(xiàn)延性加工臨界條件尚不明確，在表面質(zhì)量和加工效率約束下，加工工藝參數(shù)選擇尚未明確，需進(jìn)行深入的研究，為實(shí)現(xiàn)氮化鋁陶瓷高效低損傷精密加工提供技術(shù)支撐。
?。?）現(xiàn)有CMP、ELID、PAP、MRF等加工工藝都不具有批量生產(chǎn)的優(yōu)越性，氮化鋁陶瓷加工成本一直居高不下。
