氧化铝陶瓷基片高效减薄和超光滑抛光加工研究

摘要： 对氧化铝陶瓷基片进行了系统的单面研磨抛光和双面研磨抛光试验，结果表明，单面研磨抛光相对双面研磨抛光具有明显的效率优势，获得单面研磨的优化条件为：研磨压力15.19 kPa，研磨转速40 r/min，研磨液流量10 ml/min，研磨液浓度8wt%；以粒度W40、W20和W5的金刚石磨料在优化工艺条件下进行粗研磨、半精研磨和精研磨，减薄加工获得表面粗糙度Ra 0.12 μm的研磨片，进而采用W0.5的SiC磨料进行单面抛光可以获得平均表面粗糙度Ra10 nm的光滑表面。

关键词： 氧化铝陶瓷基片；研磨；抛光；材料去除率；表面粗糙度

0 前言

        氧化铝陶瓷是一种以氧化铝（Al2O3 ）为主体的陶瓷材料，是氧化物中最稳定的物质，具有机械强度高、硬度大、耐磨、耐高温、耐腐蚀、高的电绝缘性与低的介电损耗等特点，广泛用于机械、化工、生物医学、电子电力、航天航空等领域 [1] 。在机械方面可以制造各种陶瓷刀具、球阀、磨轮、陶瓷钉、轴承等；在电子电力方面可以制成氧化铝陶瓷底板、基片、陶瓷膜以及各种电绝缘瓷件、电子材料、磁性材料等；在化工方面可以制成氧化铝陶瓷化工填料球、无机微滤膜、耐磨蚀涂层等；在医学方面可以制造人工骨、人工关节、人工牙齿等；在建筑卫生陶瓷方面可以制成氧化铝陶瓷衬砖、研磨介质、陶瓷保护管、氧化铝球磨介质等；在航空航天方面通过制备高温耐热纤维，用于航天飞机上的隔热瓦和柔性隔热材料等 [2-4] 。

        氧化铝陶瓷基片，是在96%~99%氧化铝陶瓷材料中添加了适量的矿物原料烧结而成的电子陶瓷基片，对膜电路元件及外贴切元件起支撑底座的作用。由于氧化铝陶瓷基片具有耐高温、电绝缘性能好、介电常数和介质损耗低、热导率大、化学稳定性好、与元件的热膨胀系数相近等优点，并且价格便宜，因而广泛应用于薄膜集成电路、厚/薄膜混合集成电路及各种薄膜元器件（如薄膜电容、PTC电阻等）中 [5] 。作为衬底的电子陶瓷基片，其厚度和表面质量均是十分重要的指标 [6] ，因而需要对氧化铝陶瓷进行机械加工以获得所需厚度及表面粗糙度。

        氧化铝陶瓷基片作为一种最常用的电子陶瓷基片 ， 国 内 外 学 者 做 了 大 量 深 入 的 研 究 。Jeong-Du Kim等人 [7] 通过一种统计设计试验方法分析了精密陶瓷Al2O3 的研磨特性，并确定了最优的工艺变量组合以实现表面粗糙度的最大改善。张昌娟等人 [8] 通过不同振动模式下的Al2O3 普通与超声研磨对比试验，探讨了各研磨参数对工件表面粗糙度影响的主次顺序和规律。郑建新等人 [9] 通过对Al 2 O 3 陶瓷进行蠕动进给超声磨削和机械磨削对比试验研究，探索了各加工参数对磨削表面质量的影响规律。本文为了优选适于氧化铝陶瓷基片进行快速减薄及抛光的加工工艺，系统研究了金刚石、碳化硼、碳化硅和氧化铝等四种磨料，在双面研磨和单面研磨的加工方式下对氧化铝陶瓷加工效果的影响，分析了研磨压力、研磨盘转速、研磨液流量、研磨液浓度和磨料粒度等工艺参数对研磨效果的影响。

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3 结论

（1）对氧化铝陶瓷进行研磨加工时，综合考虑经济性和材料去除率，双面研磨适宜采用碳化硼磨料，而单面研磨适宜采用金刚石磨料；单面研磨可以获得更高的材料去除率，双面研磨可以获得较低的表面粗糙度，同样单面抛光方式能更高效率地使氧化铝研磨片获得更低的表面粗糙度。

（2）单面研磨的最优工艺参数为：研磨压力为15.19 kPa，研磨转速为40 r/min，研磨液流量为10 ml/min，研磨液浓度为8wt%，分别以粒度W40、W20和W5的金刚石磨料进行粗研磨、半精研磨和精研磨，快速减薄获得表面粗糙度

Ra 0.12 μm的研磨片。

（3）单面抛光的抛光效率与表面质量均优于双面抛光，采用W0.5的SiC磨料可以获得平均表面粗糙度Ra10 nm的光滑表面。

* 国家自然科学基金项目（编号：51305082、51375097） ；广东省自然科学基金项目（编号：2015A030311044） ；广东省科技计划项目（编号：2013B010203022）

第一作者简介：陈建新，男，硕士研究生。研究领域：精密加工与制造。