2024年6月13-15日 广州保利世贸博览馆2号馆

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        不同材质的陶瓷基板分别适用哪些抛光工艺?
        日期:2024-02-06    浏览次数:
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          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陶瓷基板抛光

          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。

        不同材质的陶瓷基板分别适用哪些抛光工艺?

        ▲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陶瓷基板抛光

          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陶瓷基板抛光

          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。

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        ▲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陶瓷基板抛光

          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。

         

        不同材质的陶瓷基板分别适用哪些抛光工艺?

        ▲氮化硅陶瓷基板(图源:Great Ceramic)

          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陶瓷基板抛光

          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−1230W·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。

        不同材质的陶瓷基板分别适用哪些抛光工艺?

        ▲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。

        总结与展望

          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,Si3N4BeO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;

          ●CMP抛光是陶瓷基板实现全局平坦化的主流抛光方法,但是CMP抛光过程的重要耗材,例如抛光液和抛光垫目前主要还是依赖进口,需要加快自主研发步伐。


        参考来源:陶瓷基板抛光技术研究现状,姚忠樱,常逸文,崔 鸽,张洪波,任瑞康,任佳乐,旷峰华