李庚卓，吳勇波，汪 強

（南方科技大學，深圳 518055）

近年來，科學技術(shù)的快速發(fā)展以及新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)對集成電路芯片的集成度提出了越來越高的要求[1]。而集成度的提高又使得芯片單位面積內(nèi)的發(fā)熱量急劇增加，嚴重影響芯片的電學性能，因此采用散熱性能優(yōu)良的芯片載板對芯片進行有效的散熱顯得尤為關(guān)鍵。作為芯片載板，相較于傳統(tǒng)的有機樹脂載板和金屬基覆銅板，陶瓷覆銅板憑借其良好的機械和熱學性能脫穎而出。目前常用的載板用陶瓷包括氧化鋁陶瓷、氧化鈹陶瓷和氮化鋁（AlN）陶瓷[2]。其中氧化鋁陶瓷較低的熱導率已經(jīng)不能滿足大功率器件散熱的需求；導熱性能優(yōu)異的氧化鈹陶瓷也因為其毒性和致癌特性被限制大規(guī)模使用；相比之下，AlN 陶瓷展示出了優(yōu)異的力學、熱學及電學綜合特性，擁有高的熱導率、較低的熱膨脹系數(shù)、可靠的電絕緣性、高的擊穿場強、低的介電常數(shù)和介電損耗以及良好的機械強度，同時無毒無環(huán)境問題，被視為最理想的高集成、大功率封裝載板材料[3]。

目前，AlN 陶瓷載板多為燒結(jié)而成，而燒結(jié)工藝無法滿足芯片封裝對載板尺寸精度和表面質(zhì)量的要求，后續(xù)需要進行研磨和拋光。Takahashi等[4]用Al2O3和Cr2O3磨粒對AlN 陶瓷載板進行濕式拋光得到了粗糙度Ra100nm 的平坦表面。Filatov 等[5]用金剛石磨粒對AlN 陶瓷進行機械拋光，為避免產(chǎn)生過大的損傷層使用了較低的拋光壓力，導致加工速率極低，只有3.2μm/h。Zhou 等[6]發(fā)現(xiàn)，先用Al2O3磨料研磨再用SiO2磨漿對AlN 基片進行化學機械拋光可以得到Ra6nm 的超光滑表面。尹青等[7]用pH10.5～11.5 的SiO2磨漿對AlN基片進行CMP 拋光，獲得了粗糙度Ra28nm、無劃痕的表面。Lü 等[8]使用超聲輔助磨粒水射流加工AlN 陶瓷，證明超聲振動的存在可以明顯提高材料去除率，表面粗糙度的收斂速度也明顯加快。白振偉等[9]利用集群磁流變的方法對AlN 載板進行拋光，發(fā)現(xiàn)拋光1h 可以讓Ra從1.7302μm 下降到0.0378μm。呂小斌[10]采用半固著磨料的溶膠凝膠拋光膜對AlN 陶瓷進行了干法和濕法拋光，證明干式條件下表面粗糙度可以達到Ra140nm，濕式條件下可以達到Ra77nm。除了這些傳統(tǒng)的游離磨粒研磨拋光，Katahira 等[11]和德山公司嘗試了AlN 陶瓷的ELID（Electrolytic in-process dressing）磨削，試圖進一步提高加工效率，發(fā)現(xiàn)利用粒度30000#的金剛石砂輪可獲得Ra8nm 的鏡面。Sun 等[12]更是創(chuàng)造性地提出了一種干式等離子體輔助拋光的方法用于AlN 陶瓷的表面拋光，然而盡管使用金剛石固結(jié)磨粒可以將表面拋光至Sa33nm，但較低的拋光壓力使得材料去除速率僅為500nm/h。

綜上所述可知，傳統(tǒng)的研磨拋光方法雖然普遍可以獲得較為不錯的表面質(zhì)量，但其游離磨料的特性決定了材料去除率仍然偏低，并且增加了清洗和廢液處理相關(guān)成本，特別是CMP 磨漿中復雜的化學成分更是會帶來嚴重的環(huán)保問題；而ELID 磨削雖然能以較高材料去除率獲得納米精度表面，但電解液和電解電源等的使用提高了廢液處理和設備投資方面的成本。在此背景下，開發(fā)出一種不依賴游離磨粒，也不需要電解液等環(huán)境不友好加工液的新型AlN 陶瓷載板加工技術(shù)成為當前亟待解決的課題。針對此目的，干式或半干式固結(jié)磨粒拋光的方法被認為非常適合AlN 陶瓷的平坦化加工，其兼具拋光和磨削的特點，采用磨削運動學，通過挑選合適粒度和種類的磨粒制成固結(jié)磨粒磨塊來開展恒壓拋光加工，可以有效解決游離磨粒加工和ELID磨削的一系列問題。

鑒于此，本文提出了一種橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒拋光的方法并開展試驗研究。本方法采取先進行橢圓超聲輔助固結(jié)金剛石磨粒粗拋，隨后進行橢圓超聲輔助固結(jié)氧化鋁磨粒精拋的逐次加工方式。

1 加工原理及試驗方法

1.1 加工原理

圖1所示為本研究提出的橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒拋光加工原理示意圖。在繞軸線做旋轉(zhuǎn)運動的工件，即AlN 陶瓷片上方放置一個橢圓超聲振子充當拋光頭，振子下端面粘接固定一個固結(jié)磨粒磨塊。當在拋光頭上施加一個拋光正壓力后，磨粒與工件接觸產(chǎn)生了相互作用力并切入工件一定深度，隨后在工件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的相對運動作用下在AlN 陶瓷表面反復劃擦和犁削，通過磨粒的微切削和工件材料的脆性破碎來實現(xiàn)材料去除。此外，為了實現(xiàn)大面積整體加工，還對拋光頭施加一個沿AlN 陶瓷片徑向的往復進給運動。加工中，對固結(jié)磨粒磨塊施加一個由縱向振動和切向振動合成得到的順時針方向的橢圓超聲運動，磨塊將會產(chǎn)生一個從右向左的踢踏作用，及時將加工區(qū)域的磨屑排除出去。橢圓超聲的方向和振幅可以通過改變超聲電源驅(qū)動信號的相位和電壓來控制。

圖1 橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒拋光加工原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of processing principle for elliptical ultrasonic assisted fixed-abrasive polishing

1.2 試驗方法

試驗選用日本MARUWA 公司生產(chǎn)的純度99.6%的4.5inch （1inch=3.81cm）燒結(jié)AlN 陶瓷板作為工件，其表面的原始粗糙度Ra約為200nm。為了研究磨粒的種類和粒度對材料去除率和表面粗糙度的影響，選用4 種不同粒度和種類的固結(jié)磨粒磨塊來開展拋光試驗；在此基礎上，引入橢圓超聲振動來探究超聲對固結(jié)磨粒拋光特性的影響，超聲振子的激勵電壓和相位差以及其他拋光參數(shù)包括拋光正壓力、旋轉(zhuǎn)速度和橫向進給速度等始終保持恒定，詳細的試驗參數(shù)如表1所示。拋光過程中每10min 測量一次材料去除深度和加工區(qū)表面形貌及粗糙度，總拋光時間為40min。材料去除深度由接觸式表面輪廓儀 （Tokyo Seimitsu SURFCOM NEX 031）測得，表面形貌及粗糙度則由CCI 白光干涉儀（CCI HD，Taylor Hobson）和激光共聚焦顯微鏡 （VK–X1000，KEYENCE）測得，每次測量前工件都會在超聲清洗機中進行清洗。本研究所有試驗在拋光過程中無任何液體介質(zhì)參與，均在干式環(huán)境下進行。

表1 AlN 陶瓷拋光試驗參數(shù)Table 1 Test parameters of AlN ceramics polishing

2 結(jié)果與討論

2.1 無超聲作用下的基本加工特性

固結(jié)磨粒拋光過程中，材料的有效去除主要依靠磨粒對工件表面的劃擦和犁削，因此磨粒種類和大小的變化會明顯影響拋光效率和質(zhì)量。本節(jié)首先開展無超聲作用下的固結(jié)磨粒拋光試驗，研究不同粒度的金剛石固結(jié)磨粒磨塊和氧化鋁固結(jié)磨粒磨塊拋光后的材料去除率及表面粗糙度。試驗結(jié)果如圖2所示。

從圖2（a）可以看出，使用3000#的金剛石固結(jié)磨粒磨塊時的材料去除率高達400nm/min 左右，但其表面粗糙度Ra僅為40nm 左右（圖2（b）），因此適合于AlN 陶瓷的粗拋過程，承擔主要的材料去除任務。而對于氧化鋁磨粒，隨著磨粒粒徑的增大，材料去除率增加，而對應的表面質(zhì)量也隨之變差。但相較于金剛石磨粒，使用氧化鋁磨粒時的總體材料去除率過低，特別是粒度2000#的氧化鋁磨粒，40min 的材料去除深度不超過2μm。這主要是因為氧化鋁與氮化鋁擁有接近的硬度，除此之外，氧化鋁磨粒微觀形狀為圓形，缺少刃角也可能是造成材料去除率低的原因。但值得注意的是，對于2000#氧化鋁磨粒，經(jīng)過40min的拋光后表面粗糙度Ra可以降低到29nm，因此非常適宜用于AlN 陶瓷的精加工。此外，從Li 等[13]的研究還可知，由于AlN 陶瓷內(nèi)部晶粒間的相互作用比較弱，因此無論使用何種粒度的金剛石磨粒，其加工后的表面都無可避免地出現(xiàn)局部的缺陷和損傷，必須緊跟一個精加工工序用于損傷層的去除。綜合考慮，先選用3000#金剛石磨粒進行表面粗拋，隨后用2000#氧化鋁磨粒進行精拋，這種逐次加工的方式既可以保證一定的材料去除率，又能充分降低粗拋后的表面粗糙度，同時還可以有效地避免金剛石加工后的缺陷殘留在AlN陶瓷表面，做到表面質(zhì)量和加工效率的兼顧。

圖2 磨粒粒度和種類對材料去除深度和表面粗糙度的影響Fig.2 Effect of abrasive size and type on material removal depth and surface roughness

2.2 橢圓超聲作用下的基本加工特性

在2.1 節(jié)的基礎上開展橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒拋光試驗，每組試驗都統(tǒng)一采用前10min 金剛石磨粒（3000#）粗拋，后3min 氧化鋁磨粒（2000#）精拋的逐次加工方式，試驗結(jié)果如圖3所示。從圖3（a）可以看出，無論是金剛石磨粒粗拋還是氧化鋁磨粒精拋，橢圓超聲的引入都大大提高了AlN 陶瓷拋光過程中的材料去除率，整個過程材料去除速率達到了240nm/min，相較于無超聲存在的拋光過程提高了約42%，遠遠高于傳統(tǒng)的游離磨粒拋光[5]或等離子體輔助拋光[12]的加工效率。而圖3（b）中表面粗糙度在超聲作用下的變化情況反映了橢圓超聲可以帶來表面粗糙度收斂速度的提升，與此同時，表面粗糙度Ra進一步降低至28nm，這種粗糙度的降低主要來自于橢圓超聲帶來的排屑作用 （圖4）的增強使得工件表面的缺陷明顯減少。

圖3 有/無橢圓超聲作用下材料去除深度和表面粗糙度隨時間的變化規(guī)律Fig.3 Variation of material removal depth and surface roughness with time in case of presence or absence of ultrasonic vibration

圖4 橢圓超聲振動在固結(jié)磨粒拋光過程中的排屑效果Fig.4 Chip removal effect of elliptical ultrasonic vibration in fixed-abrasive polishing

拋光前和有無超聲作用下金剛石磨粒粗拋10min 后的工件表面如圖5所示，可以看出，橢圓超聲輔助金剛石固結(jié)磨粒拋光后的工件表面呈現(xiàn)較高的表面完整性 （圖5（c）），原始未加工表面 （圖5（a））的微小凸起幾乎全部被去除，同時其表面劃痕也遠少于無超聲作用下的拋光表面（圖5（b））。橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒逐次拋光40min（3000#金剛石磨粒10min+2000# 氧化鋁磨粒30min）后的表面形貌和實物照片如圖6所示，從圖6（b）的實物照片可以看出，逐次拋光40min 后，AlN 陶瓷被加工出接近鏡面的光滑表面。

圖5 橢圓超聲輔助3000#金剛石固結(jié)磨粒拋光后的氮化鋁陶瓷表面形貌Fig.5 Surface morphology of AlN ceramic after elliptical ultrasonic assisted fixed-abrasive polishing by 3000# diamond abrasives

圖6 橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒逐次拋光后的氮化鋁陶瓷表面Fig.6 AlN ceramic surface after elliptical ultrasonic assisted fixed-abrasive polishing

2.3 單顆磨粒運動軌跡分析

為了研究橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒拋光明顯提高拋光質(zhì)量和效率的原因，對超聲作用下的單顆磨粒運動軌跡進行了系統(tǒng)的分析和研究。從圖1可得到圖7（a）所示的橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒拋光加工的俯視示意圖。工件以角速度ω繞自身對稱軸旋轉(zhuǎn)，附著超聲振子下端面上的固結(jié)磨粒磨塊一邊在YOZ平面內(nèi)做橢圓超聲運動，一邊以速度Vf向Y軸負方向進給。設工件半徑為R，固結(jié)磨粒磨塊距工件邊緣偏移量為e，超聲振動頻率為f，橢圓超聲運動沿Y方向的振幅為a，沿Z方向的振幅為b。則距離磨塊中心距離為r，偏角為θ的點P處的磨粒在時間t的空間位置滿足式 （1）。

由于XYZ坐標系始終隨工件以速度ω繞Z軸旋轉(zhuǎn)，其坐標變換矩陣如式 （2）所示。

即磨粒相對于工件的實際位置X′、Y′、Z′滿足

將各參數(shù)帶入式 （3）可以計算并繪制出橢圓超聲振動和無超聲振動作用下各自的單顆磨粒運動軌跡，如圖7（b）所示，其滿足條件R=50mm，e=5mm，Vf=6mm/s，r=1mm，θ=45°，ω=20π，而有超聲存在的情況下，取超聲頻率f為24000Hz，橢圓超聲振動的振幅為a=b=4μm。

圖7 橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒拋光過程中的磨粒運動軌跡Fig.7 Abrasive trajectories during elliptical ultrasonic assisted fixed-abrasive polishing

從圖7（b）可以看出，無超聲作用下的固結(jié)磨粒拋光中磨粒軌跡為一條XY平面內(nèi)的二維弧線，磨粒和工件保持恒定的接觸來實現(xiàn)材料去除。而橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒拋光的磨粒運動軌跡為一條獨特的三維空間螺旋線，特殊的運動軌跡賦予了橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒拋光一系列獨有的優(yōu)勢。一方面，在垂直工件的平面內(nèi)，磨粒運動軌跡呈現(xiàn)周期性變化，反映在加工過程中表現(xiàn)為磨粒和工件的一個高頻率周期性的間歇性接觸，這既有利于切屑的排出，減少磨塊堵塞，也會帶來磨粒切入深度的增加，大大提高拋光效率。另一方面，橢圓運動軌跡在工件表面內(nèi)的分量會帶來磨粒與工件在平面內(nèi)的滑動距離增加，這種重復研磨的過程有利于消除磨痕，提高拋光的表面質(zhì)量。更為重要的是，三維螺旋線軌跡帶來的磨塊踢踏作用更是起到了主動排屑的效果，可以防止磨屑殘留在已加工區(qū)域而導致劃傷已拋光表面，有利于表面質(zhì)量的進一步提高，實際的排屑效果如圖4所示。

3 結(jié)論

本文提出了一種全新的橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒拋光方法來實現(xiàn)AlN 陶瓷的高效和優(yōu)質(zhì)平坦化加工。研究了磨粒種類和粒度以及橢圓超聲的引入對材料去除和表面質(zhì)量的影響，得出以下結(jié)論。

（1）3000#金剛石固結(jié)磨?？梢詫崿F(xiàn)400nm/min 的高效材料去除，適用于粗拋過程；而2000#氧化鋁固結(jié)磨?？梢约庸こ鯮a30nm 左右的光滑表面，十分適用于AlN 陶瓷的精拋加工。

（2）橢圓超聲的存在會造成磨粒切入深度及擦劃距離的增加；因此相較于無超聲存在的拋光過程，橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒拋光的材料去除速率提高了約42%。

（3）橢圓超聲帶來的排屑效果可以有效提高拋光的表面質(zhì)量，避免殘留磨屑對已加工表面的劃傷，橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒逐次拋光后的表面粗糙度進一步降低至Ra28nm。