隨著社會的發(fā)展，工業(yè)的進步，在軌道交通、電子電力和航空航天等領域對于功率器件的需求與日俱增。與金屬、金屬基復合材料以及樹脂基片相比，陶瓷基板具有優(yōu)良的導熱性、電絕緣性、氣密性、力學性能和介電性能等優(yōu)點，被廣泛用于集成電路、大功率半導體器件、通訊電子領域、LED產業(yè)、鋰電池、芯片、航天航空和國防軍工等高科技領域。隨著裝備型號的發(fā)展，對陶瓷基板的表面粗糙度、平整度等提出了更為嚴苛的要求。

目前，已投入生產的陶瓷基板主要有氧化鋁(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)、碳化硅(SiC)、氧化鈹(BeO)和氮化鋁(AlN)等。陶瓷基板的硬度高、脆性大、容易產生裂紋、表面加工難度大。因此，對于陶瓷基板表面的加工要求更加嚴格，一般采用研磨拋光以去除基板表面的附著物、改善平整度、降低表面粗糙度，提高尺寸精度和表面質量，滿足薄型化的要求。不同陶瓷材質的性能和結構存在差異，選擇合適的拋光技術才能起到事半功倍的處理效果。

Al₂O₃陶瓷基板具有機械強度高、硬度大、耐高溫、耐腐蝕、光透過率高、化學穩(wěn)定性和耐熱沖擊性能高，絕緣性和與金屬附著性良好，是目前電子技術領域中綜合性能較好、應用最廣泛的陶瓷材料，占陶瓷基板總量的90%。

Al₂O₃陶瓷基板可以通過機械拋光先進行粗拋，去除大的麻點和劃痕，再通過CMP精拋，表面達到納米級粗糙度水平，對比不同磨料在CMP拋光過程中與M面藍寶石的作用機理，可以發(fā)現葡萄糖酸鈉(Gluc)能夠與之反應生成柔軟的Al(OH)^4?/Gluc^?，同時，Al₂O₃又能夠和SiO₂拋光液形成柔性的Al₂Si₂O₇·2H₂O，進一步提升拋光效率。

           

▲機械拋光機理

Al₂O₃陶瓷基板也可以使用單面研磨拋光機和雙面研磨拋光機。有研究通過單面研磨拋光和雙面研磨拋光對Al₂O₃陶瓷基板進行拋光，結果表明單面拋光的拋光效率與表面質量均優(yōu)于雙面拋光，采用W0.5的SiC磨料可以獲得平均表面粗糙度Ra為10nm的光滑表面。對Al₂O₃陶瓷基板進行精密機械拋光，當SiC磨料的粒徑為2μm，軸向載荷質量為9kg、磨盤轉速為90r·min^?1、拋光液濃度為35%、連續(xù)研磨時間為50min時，基板的表面粗糙度由原始的1.49μm下降至0.22μm，表面粗糙度改善率達到85%。

同時，皮秒拋光技術也非常適用于Al₂O₃陶瓷的拋光。傳統的激光拋光不是直接去除表面材料，而是需要對超快激光激發(fā)的納米顆粒進行再結晶。激發(fā)的納米粒子熔化重結晶，在陶瓷表面形成一層致密的細晶結構，導致表面粗糙度降低，不同于傳統的激光拋光技術，皮秒拋光不使用連續(xù)激光加熱材料表面使之蒸發(fā)，而是通過波長短于光子—電子耦合的短波激光加熱電子并將其激發(fā)。這樣失去電子的陽離子就會因為靜電斥力松動并被去除。另一方面，為了滿足對于復雜平面的拋光需求，超聲振動輔助拋光技術也廣泛應用在Al₂O₃陶瓷拋光中。

BeO陶瓷基板屬于高導熱陶瓷材料之一，因具有低密度、低介電常數高抗折強度、高絕緣性能、熱導率高(熱導系數可達310W·m^?1·k^?1)等特點，被廣泛用于軍事通訊、光電技術、遙感遙測、電子對抗等領域。但是BeO陶瓷粉體有劇毒，對身體健康和環(huán)境危害較大，因此限制了它的發(fā)展。目前，美國是全球主要的BeO陶瓷基板生產和消費國，福特和通用等汽車公司在點火裝置中大量使用BeO陶瓷基板。通過傳統的拋光技術只能獲得表面粗糙度約0.08μm的BeO陶瓷基板，主要原因就是BeO孔隙率高，致密性差，在拋光過程中，被拋光面容易被劃傷，難以滿足亞微米級及以下的薄膜電路的發(fā)展要求。

采用雙面研磨拋光機對BeO陶瓷基板進行拋光，先采用W0.3粒徑的金剛石拋光液在鑄鐵盤上粗拋，后采用W0.1粒徑的金剛石拋光液在聚氨酯襯的底盤上精拋，表面粗糙度Ra可達到0.08μm，平面度在±0.03μm以內，能夠滿足薄膜電路/器件對高導熱陶瓷拋光基板高可靠性、高精度的發(fā)展需求，整體性能水平到達國際先進水平。

SiC陶瓷基板具有優(yōu)異的熱導率和高溫耐磨性、化學穩(wěn)定性好、密度低、熱膨脹系數低，常用于高散熱、高導熱、大電流、大電壓以及需要高頻率運作的產品，是一種在信息產業(yè)和電子器件中具有廣泛應用前景的陶瓷材料，作為一種典型的脆硬材料，在加工過程中常出現較大的表面缺陷和嚴重的亞表面損傷。

▲CMP拋光工藝示意圖

采用CMP拋光方法，通過鋁金屬盤和SiC界面接觸并用1wt.%的Na₂SO₄鹽溶液作為拋光液，產生電化學腐蝕將4H-SiC界面軟化為SiO₂，這使材料移除率提高105%，表面粗糙度降低37.8%。

通過超精密磨削研究反應燒結碳化硅(RB-SiC)和無壓燒結碳化硅(S-SiC)的材料去除特性，分別采用目數為120#、600#、2000#和12000#金剛石杯形砂輪進行粗磨、半成品磨、細磨和精磨。結果表明：當使用#2000金剛石砂輪研磨RB-SiC和S-SiC陶瓷時，可以獲得約Ra為3nm的表面粗糙度和小于8nm的凹槽深度，滿足了大多數高性能應用的要求。

Si₃N₄陶瓷基板無毒、介電常數低、機械性強、斷裂韌性高、耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊性能強，熱膨脹系數與單晶硅相匹配，在汽車減震器、發(fā)動機、車用IGBT等產品，以及交通軌道、航天航空等領域廣泛應用。

▲氮化硅陶瓷基板

研究不同SiO₂拋光液配制參數對精細霧化CMP拋光Si₃N₄陶瓷基板的拋光效果的影響。結果表明：當加入5wt.%的SiO₂磨料、1wt.%的H₂O₂氧化劑、pH值調節(jié)為8時，通過精細霧化CMP拋光的Si₃N₄陶瓷基板的材料去除率為108.24nm·min^?1，表面粗糙度Ra為3.39nm，與傳統CMP拋光接近，但是節(jié)省了拋光液的用量，僅為傳統拋光液用量的1/9。

沃德發(fā)明了一種酸性含水性拋光液用于CMP技術拋光Si₃N₄陶瓷，拋光液主要由CeO₂、非聚合物型不飽和氮雜環(huán)化合物、聚氧化烯聚合物和水組成。與此類似，采用CeO₂、Cr₂O₃、Al₂O₃以及水組成的CMP拋光液拋光Si₃N₄陶瓷，拋光速度快且時間短，提高了生產效率，降低制造成本，獲得光滑的拋光面，顯著提高Si₃N₄陶瓷的表面質量。

AlN陶瓷基板作為一種高導熱陶瓷材料，熱導率可達150W·m^?1·K^?1～230W·m^?1·K^?1，是Al₂O₃陶瓷的8倍以上。并且AlN陶瓷基板與Si、SiC、GaAs等半導體芯片材料熱膨脹系數匹配，散熱性能優(yōu)良、耐腐蝕性能優(yōu)異、介電常數和介電損耗低、無毒，可以滿足大型集成電路的散熱需求，是一種適合組裝大型集成電路的高性能陶瓷基板，有望成為替代電子工業(yè)用陶瓷基板Al₂O₃、SiC和BeO的極佳材料。

AlN陶瓷基板主要應用于高端產業(yè)，因此對基板的厚度、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、加工難度大，傳統的機械拋光會使晶粒從AlN表面脫落，嚴重影響基板的強度和性能，難以實現AlN表面的超光滑拋光。

▲等離子輔助拋光加工示意圖

為解決AlN陶瓷基板拋光工藝的問題，有研究發(fā)現，集群磁流變拋光加工AlN基板可以實現高效率超光滑拋光，基板經過拋光60min后，粗糙度從1.7302μm降至0.0378μm；通過對燒結后的AlN陶瓷基板表面進行等離子體輔助拋光和無等離子體照射拋光的比較，可發(fā)現通過應用等離子體輔助拋光可以獲得500nm·h^?1的材料去除率，是無等離子體照射拋光的兩倍。在精拋實驗中，獲得了表面粗糙度Ra為3nm的光滑AlN表面。

還有一些科研人員巧妙利用AlN易與水反應這一特點，采用溶膠—凝膠(SG)法對AlN陶瓷基板拋光，采用一種半固結磨料拋光工具“溶膠凝膠拋光膜”對AlN基板進行加工。實驗結果得出AlN基板粗拋階段宜采用溶膠凝膠拋光膜干法拋光，精拋階段宜采用溶膠凝膠拋光膜濕法拋光進行加工，達到較高的表面質量。在粗拋階段中機械作用力占主導，精拋階段中水合作用占主導。

陶瓷基板作為集成電路和覆銅板的襯底材料，其表面質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量的要求會愈發(fā)嚴苛，應用的陶瓷基板表面處理技術也面臨著越來越嚴苛的挑戰(zhàn)。綜合上述，發(fā)現當前陶瓷基板拋光存在的一些問題和規(guī)律：

● 按照接觸方式的不同，可以將拋光方法分為三類，即接觸式拋光(機械拋光、化學機械拋光)、非接觸式拋光(電泳拋光、電解拋光、等離子體輔助拋光)以及介于接觸式和非接觸式的拋光方法(磁流變拋光)。研發(fā)生產過程中，需要根據陶瓷基板的材質以及表面要求，選擇不同的拋光方法或復合拋光方案；

● Al₂O₃、AlN、SiC陶瓷基板的拋光工藝研究相對較多，Si₃N₄和BeO陶瓷基板拋光工藝研究相對較少，需要開展進一步的系統研究。其中，BeO因其粉體具有毒性，對人體和環(huán)境危害較大，將會被其他陶瓷基板替代；