在电子封装领域，氮化铝陶瓷与其他封装材料相比，具有更高击穿电场、更短吸收截止边和更好散热性等，因而成为新一代理想的封装材料。目前，氮化铝陶瓷基片广泛应用于集成电路芯片载体、光电子集成电路功能模块、IGBT模块、高功率无线通信、传感器、微模块等领域。

而实际应用中，氮化铝陶瓷材料的表面质量和加工精度对器件的性能和使用寿命具有重要影响，例如：在电子封装中，氮化铝陶瓷基片的轻量化和超光滑表面能够减小体积，还能降低内阻，有利于芯片的散热。其应用中通常要求表面超光滑，表面粗糙度 Ra ≤ 8 nm，损伤深度达到纳米级别；在集成电路芯片应用中，氮化铝陶瓷基片经过抛光后的表面精度需要满足RMS < 2 nm。而氮化铝陶瓷的高硬度、高脆性和低断裂韧性，使之在加工过程中容易产生表面缺陷和亚表面损伤。如何获得高质量的平坦化加工表面，提高加工效率，减少加工中出现的缺陷和损伤，一直都是超精密加工领域的研究热点。

氮化铝陶瓷加工方法

氮化铝陶瓷作为脆硬材料在加工过程中容易产生脆性断裂引起加工表面产生破碎层、脆性裂纹、残余应力、塑性变形区等一系列表面缺陷。陶瓷基板在LED器件等应用中主要面对热力学环境的工作条件，因而上述缺陷会极大地影响基板的性能，降低器件的使用稳定性和寿命。因此，实现氮化铝陶瓷基板表面的近无损伤加工是十分必要的。

目前，氮化铝陶瓷基片的加工方法主要以抛光磨削为主，以其他超精密加工方法为辅，来确保成品基片的高度完整性。为了获得表面质量较高的氮化铝陶瓷基板，主要采用化学机械抛光、磁流变抛光、ELID 磨削、激光加工、等离子辅助抛光以及复合抛光等超精密加工方法。

1.化学机械抛光工艺

化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)是目前半导体行业使用最广泛的全局平坦化技术，目前氮化铝陶瓷的CMP研究已经取得了一系列的进展。

在化学机械抛光中，材料的去除是通过化学和机械综合作用，加工后的氮化铝表面容易出现微裂纹，产生亚表面损伤。此外，在抛光工艺中，研磨液易造成污染，需要专门工艺处理，并且磨料容易对抛光垫造成磨损，需要定期对抛光垫修正。目前，用于氮化铝的磨料、抛光垫种类、抛光工艺不如碳化硅成熟，有待进一步深入研究。

化学机械抛光原理示意图

2.电解内修整ELID磨削工艺

电解内修整(Electrolytic Inprocess Dressing, ELID)辅助磨削是用砂轮通过电刷接电源正极，根据砂轮的形状制造一个导电性能良好的电极接电源的负极，电极与砂轮表面之间有一定的间隙，从喷嘴中喷出的具有电解作用的磨削液进入间隙后，在电流的作用下，砂轮的金属基体作为阳极被电解，使砂轮中的磨粒露出表面，形成一定的出刀距离和容屑空间。随着电解过程的进行，在砂轮表面逐渐形成一层钝化膜，阻止电解过程的继续进行，使砂轮损耗不致太快，当砂轮表面的磨粒磨损后，钝化膜被工件材料刮擦去除继续进行，以对砂轮表面进一步修整。

ELID磨削原理工作图

ELID磨削技术是将传统磨削、研磨、抛光结合为一体的复合镜面加工技术，具有高效性、工艺简单、磨削质量高等特点，并且使用的磨削液为弱电解质的水溶液，对机床和工件没有腐蚀作用，装置简单，适合推广。但在磨削过程中由于修正电流的变化容易导致氧化层不连续，工件表面容易不平整，磨削工件容易产生烧伤、残余应力、裂纹等缺陷。

3.激光加工

激光加工是一种无接触加工、无刀具磨损、高精度以及灵活性强的先进加工技术，是适合脆硬型陶瓷材料的一种加工方法。其工作原理是光能通过透镜聚焦后达到极高的能量密度，使材料在高温下分解。激光加工方法成本低、效率高，但是难以控制产品的精度和表面质量。

激光加工原理工作图

4.磁流变抛光工艺

磁流变抛光(Magnetorheological Finishing, MRF)是给工件与运动盘之间施加高强度的梯度磁场。运动盘内有大量磁流变液，抛光开始时，磁极发生强大磁场致使磁流变液从牛顿流体变成黏度较大的Bingham流体。在这个过程中，磁流变抛光液中的磁性粉粒会沿着磁场分布线形成链状结构，抛光中的磨料会依附在铁粉链状结构表面，从而具有强剪切力，在工件运动过程中，通过流体动压剪切实现工件表面的材料去除。

磁流变抛光工作原理示意图

磁流变抛光技术是介于接触式抛光与非接触式抛光的一种抛光方法。其与传统抛光方法相比，具有抛光精度高，无刀具磨损、堵塞现象，去除率高且不引入亚表面损伤等优点。但是磁流变液在使用过程中由于导磁粒子因相互摩擦存在磨损，磁流变液在使用期间需要密封，导致制备过程复杂、成本高昂，不利于大规模产业化使用，一般该方法用于光学零件加工的最后一道工序。

5.等离子辅助抛光工艺

等离子辅助抛光(Plasma Assisted Polishing, PAP)是一种干式抛光技术。由于其结合了等离子体辐照对表面进行改性，可通过超低压或者使用软磨料去除改性层，因而常被用于加工难处理材料。

目前，等离子体辅助抛光由于受磨石的影响，材料的去除率相对于其他加工工艺较低，并且PAP的加工设备昂贵，不适用于大规模加工。

等离子辅助抛光原理图

6.复合抛光工艺

对于典型的硬脆性材料，非接触式的加工方法，如化学腐蚀和激光抛光等，往往存在环境污染、加工成本高、加工效率低等问题。与之相比，接触式的磨粒加工方法包括金刚石磨削和游离磨粒抛光，虽然加工效率高，工件形状精度好，但会引入严重的表面和亚表面损伤，只适合粗加工，必须搭配刻蚀或抛光工序来实现损伤层的去除和应力释放。

从上述分析可以看出，单一的加工方法无法同时具有各种优势，为提高氮化铝陶瓷基板加工表面质量和加工效率，国内外学者也采用多种加工手段进行复合抛光技术研究，常见的复合抛光工艺有超声振动辅助磨削、超声波磨料水射流抛光以及超声辅助固结磨粒化学机械抛光等。

总结

目前，化学机械抛光仍是氮化铝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为辅。由于氮化铝陶瓷属于典型脆硬型材料，现阶段精密加工技术仍存在一些问题，例如目前加工工艺难以实现大批量生产，加工成本居高不下；化学机械抛光中的研磨液、磨料、抛光垫种类较少，加工效率偏低；在表面质量和加工效率约束下，加工工艺参数选择尚未明确，需进行深入的研究，为实现氮化铝陶瓷高效低损伤精密加工提供技术支撑。

参考来源：

1.氮化铝陶瓷的超精密加工研究现状与发展趋势，潘飞、王建彬、徐慧敏、姚金结、王巧玉（陶瓷学报）；

2.SiO₂抛光液对AlN基片抛光性能的影响，尹青、张国玲、唐会明（微纳电子技 术）；

3. 氮化铝基片的集群磁流变抛光加工，白振伟、阎秋生、路家斌（金刚石与磨料磨具工程）；

4. ELID磨削硬脆材料精密和超精密加工的新技术，张飞虎、朱波、栾殿荣（宇航材料工艺）。

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