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论氧化铝陶瓷基片表面加工技术
作者: 发布日期:2020-08-01

  由于电子工业的一系列特殊技术要求,电子陶瓷在微观结构、化学成分和电性能上与一般工程陶瓷有很大不同。例如,高机械强度、耐高温高湿、耐辐射、高电气强度和高绝缘电阻,以及介质可以在足够宽的范围内变化等。所有这些都离不开电子陶瓷。

  在电子陶瓷中,基于这些特点,氧化铝电子陶瓷基板具有成本较低的优势,是目前最常用的基板之一。氧化铝陶瓷基板的制造技术主要包括两个部分:基板的制备和切割,以及表面处理技术。虽然两者同等重要,但后者是电子元件生产的基础,保证了——的“凹凸不平”表面,因此很难保证沉积在其上的电路的良好精度。

  一般来说,人们会采用“粗磨细抛”的方法来使氧化铝的电子基板“光滑”,但不同的加工方法和磨料选择会对表面加工效果产生影响。接下来,对氧化铝陶瓷基板的制备及其研磨抛光的影响因素进行了综述。

  一、氧化铝陶瓷基板的制备

  氧化铝陶瓷基板由96% ~ 99%的氧化铝陶瓷材料与适量的矿物原料烧结而成。目前,常用的成型方法有:流延成型、干压成型、注浆成型、挤压成型等。其中,流延法是相对于传统陶瓷成型方法而言的一项新技术,是薄陶瓷材料的一种重要成型工艺。

  然后,在对流延坯料进行冲裁后,通过适当的排胶和烧结工艺,可以得到表面光滑的氧化铝基板。常用的烧结方法有:热压烧结;热等静压烧结法;微波加热烧结法;微波等离子烧结法;火花等离子烧结法等。

氧化铝陶瓷

  二、氧化铝陶瓷基板的表面处理

  作为基板,电子陶瓷基板的厚度和表面质量是非常重要的指标,但由于烧结通常会带来变形和收缩,因此一般需要进一步完成氧化铝基板。由于氧化铝陶瓷基板的高效减薄和超光滑抛光机理复杂,影响其加工效果的因素很多,如加工方法、磨料和工艺参数等。在这个问题上,陈建新等研究者做了大量的相关研究,下面总结和分析几个主要影响因素。

  1、加工方法

  常用的加工方法有两种,一种是单面磨削;第二,双面研磨。

  前者是一种机械强度高、精度稳定的高精度平面加工设备。由于凹槽采用细小的环形结构,磨削液可以很大程度上保留在磨盘表面,在相同的磨削液流量下,更多的磨粒作用在磨削工件上,导致磨削后表面材料的去除率更高。

  后者主要用于晶体或其他平行边机械零件的双面研磨。由于凹槽采用宽十字结构,随着磨盘的转动,大部分磨料填充在凹槽中并从磨削作用区逸出,只有少数磨料作用在磨盘表面和磨削工件,之间,因此磨削后表面材料的去除率较低。一般来说,单面磨削更适合氧化铝陶瓷基板的快速减薄。

  2、研磨剂的类型

  为了机械去除加工工件,有必要选择硬度大于加工工件的材料作为研磨磨料。与固定磨料加工不同,磨削液中的磨粒以自由形式存在,加工工件是由自由磨料加工的。

  此外,磨粒与磨盘的相对硬度、磨粒的形貌和物理机械性能对磨削效果有很大影响。硬度较高的磨料对加工工件,的材料去除率较高,但在加工过程中也会造成较大的损伤;然而,硬度较低的磨料去除率较低,但工件表面的损伤面积较小,表面质量较好。

  3、磨料粒度

  磨料的粒度将影响切入加工工件表面的深度及其承受的压力。当研磨溶液中的磨料浓度相同时,如果颗粒尺寸较大,研磨区域中的磨料颗粒也会较少。由于磨料的均匀性,一定会有一些小颗粒,并且大颗粒和小颗粒都存在于研磨区域,因此一些小颗粒不会受到应力。在相同的总压下,每个受力颗粒的分压越大,氧化铝陶瓷表面的切割深度就越大。因此,在加工过程中对表面进行微切削可以获得较大的材料去除量。但与此同时,加工工件的地面容易产生质量缺陷,如划痕、坑洼和亚表面损坏。

  当磨料的粒径较小时,研磨区域的磨料颗粒数量同时增加,粒径颗粒不太明显,因此均匀性相对较好。在相同的总压下,每个受力颗粒的分压较小,陶瓷表面的切削深度也较小,甚至只有表面原有的凸起被去除,因此材料去除率较低,但表面质量较好。

  4、研磨压力

  磨削压力决定了磨削过程中磨粒在工件表面的作用状态,是磨削过程中的重要参数之一。当磨削压力较小时,磨削区磨粒的分压较小,同时对加工工件表面的切削深度也较小,因此材料去除率和表面粗糙度较小。相反,研磨压力越大,材料去除率和表面粗糙度越高。

  但是,当磨削压力继续增加超过一定程度时,较粗磨粒的雅鲁藏布江磨盘深度较大,变成了双体磨削行为,这将导致表面微切削过程中更明显的划痕宽度和深度,使加工工件表面质量变差。

  5、研磨速度

  磨削速度对磨削过程中磨粒轨迹的稀疏性和均匀性有重要影响。一般来说,随着磨削速度的增加,单位时间内作用在工件上的磨粒轨迹增加,单位时间内工件上磨粒的去除率增加。但是,随着磨削速度的增加,磨盘的振动程度会增加,这将使磨粒在工件上的作用不均匀,增加工件的表面粗糙度。

  6、磨削液流量

  根据实验结果,发现随着磨削液流量的增加,材料去除率和加工表面粗糙度先增大后减小。

  这是因为随着研磨液流量的增加,研磨区域中的磨粒数量同时增加,并且材料去除率增加。当研磨液流量增加到一定程度时,研磨区域中磨粒的积聚使得磨粒之间的间隙变小,磨粒更容易滚动,且一部分颗粒失去去除作用并逸出,剩下另一部分颗粒进行去除作用,因此材料去除率下降,同时对陶瓷表面产生的损伤减小,表面粗糙度减小。

氧化铝陶瓷

  7、磨削液的磨料浓度

  磨削液的磨料浓度是指磨粒的含量,它对磨削效率和效果有很大的影响。通常,随着磨料浓度的增加,单位时间内工件单位表面积上参与研磨的磨粒越多。此时,磨粒主要具有双体摩擦行为,材料去除率也会增加。

  然而,当磨料浓度达到一定水平时,磨粒将逐渐转变为三体摩擦行为,这将使材料去除率逐渐达到饱和。如果磨料浓度继续增加,磨粒之间的距离将变小,然后会发生团聚,导致研磨质量差。因此,选择合适浓度的磨料溶液至关重要。

  8、抛光

  在磨削的基础上,分别采用双面抛光和单面抛光的加工方式,用粒度为W1和W0.5的碳化硅磨料对磨削后的氧化铝陶瓷板进行抛光。

  显然,无论使用W1还是W0.5碳化硅磨料,单面抛光的效率都远远高于双面抛光,并且氧化铝陶瓷片的表面粗糙度可以在更短的时间内降低到非常低的水平。根据分析,单面抛光工作效率更高的原因可以考虑如下:

  首先,研磨颗粒可能在进入工件的抛光区域之前聚集,这使得研磨颗粒更大,从而对工件造成更大的损害。在单面抛光过程中,磨粒需要在进入抛光区域之前通过修整环。修整环不仅定位陶瓷安装板,而且通过其自身的压力分离和破碎团聚的磨料,使得磨料保持均匀的粒度以抛光工件。

  其次,单面抛光是通过抛光盘和圆形陶瓷盘的旋转来完成的,工件跳动小,磨料对工件的去除效率高,表面损伤小;双面抛光意味着工件被夹紧在行星齿轮架中,并且通过中心轴齿轮和外环齿的啮合在上、下抛光盘之间进行行星运动。由于齿轮啮合导致工件跳动较大,磨料对工件的去除效率较低,造成更多的表面损伤。

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