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氮化鋁陶瓷基板加工技術(shù)的瓶頸：超精密加工技術(shù)

氮化鋁陶瓷基板加工

     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(cè)，到2026年，全球AlN陶瓷基板市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2020年的6100萬(wàn)美元達(dá)到1.073億美元，2021-2026年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為9.8%，應(yīng)用市場(chǎng)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(jí)別；在集成電路芯片應(yīng)用中，氮化鋁陶瓷基片經(jīng)過(guò)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(guò)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)。

氮化鋁陶瓷產(chǎn)品

氮化鋁陶瓷產(chǎn)品

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(pán)、試件裝夾器及拋光液輸送裝置三部分構(gòu)成。拋光盤(pán)上粘貼有拋光墊并自旋轉(zhuǎn)，外部通過(guò)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(duì)運(yùn)動(dòng)。目前，氮化鋁陶瓷的CMP研究已經(jīng)取得了一系列的進(jìn)展。
化學(xué)機(jī)械拋光工作原理圖

化學(xué)機(jī)械拋光工作原理圖

在化學(xué)機(jī)械拋光中，材料的去除是通過(guò)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(zhuān)門(mén)工藝處理，并且磨料容易對(duì)拋光墊造成磨損，需要定期對(duì)拋光墊修正。目前，用于氮化鋁的磨料、拋光墊種類(lèi)、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(wú)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)。
磁流變拋光工作原理圖
磁流變拋光工作原理圖
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(jiǎn)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(duì)機(jī)床和工件沒(méi)有腐蝕作用，裝置簡(jiǎn)單，適合推廣。但在磨削過(guò)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磨削原理工作圖

ELID磨削原理工作圖

04
氮化鋁陶瓷的
激光加工

激光加工是一種無(wú)接觸加工、無(wú)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(guò)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。

激光加工原理工作圖

激光加工原理工作圖

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(duì)表面進(jìn)行改性，可通過(guò)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(duì)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。
等離子輔助拋光原理圖
等離子輔助拋光原理圖
06
氮化鋁陶瓷復(fù)合
拋光工藝

對(duì)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(wèn)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(huì)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(lái)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(wú)法同時(shí)具有各種優(yōu)勢(shì)。為提高氮化鋁陶瓷基板加工表面質(zhì)量和加工效率，國(guó)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(jiàn)的復(fù)合拋光工藝有超聲振動(dòng)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(wèn)題待解決：

（1）化學(xué)機(jī)械拋光中的研磨液、磨料、拋光墊種類(lèi)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。
（2）AlN陶瓷材料去除過(guò)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。

（3）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。



深圳市金瑞欣特種電路技術(shù)有限公司

金瑞欣——專(zhuān)業(yè)的陶瓷電路板制造商

通過(guò)公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)的不懈努力，現(xiàn)已成功研發(fā)微小孔板、高精密板、難度板、微型化板、圍壩板等，具備DPC、DBC、HTCC、LTCC等多種陶瓷生產(chǎn)技術(shù)，以便為更多需求的客戶服務(wù)，開(kāi)拓列廣泛的市場(chǎng)。

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