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不磨何以“平”基片禽︰論氧化鋁陶瓷基片的表面加工技術
2019年04月25日 發布 分類理侯︰粉體應用技術 點擊量鞠戈︰226
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由于電子行業的一系列特殊技術要求皆,電子陶瓷在微觀結構搬窪、化學成分以及電學性能上亥涎,與一般的工程陶瓷有著極大的不同藉登。譬如說拿試,高的機械強度闌、耐高溫耐高濕楓籃保、抗輻射冠、抗電強度和絕緣電阻高興撾,介質能在足夠寬的範圍內變化等龐,這些都是與電子陶瓷密不可分的標簽茶勾。

 

在電子陶瓷種類中理帥,具備以上這些特征的基礎上擄,氧化鋁電子陶瓷基片還具有成本較低的優勢嚏瘁,因此是目前最為常用的基片種類之一陶。氧化鋁陶瓷基片的制造技術主要包括兩個部分耗改郊︰基片的制備與分切粹,以及表面加工技術潰。雖說兩者同樣重要惠鉚髓,但後者是電子元器件生產的基礎和保證——畢竟“坑坑窪窪”的表面魂霜尸,難以保證沉積在上面的電路能有良好的精度隆。

一般情況下拿咎槐,人們會采用“粗研磨+精拋光”的方式使得氧化鋁電子基片變得“光潔順滑”副爸寢,但不同的加工方式及磨料選擇婆灘,都會對其表面加工的效果產生影響飽策。下方將對氧化鋁陶瓷基片的制備及對其研磨拋光產生影響的因素進行總結裴案。

一行、氧化鋁陶瓷基片的制備

氧化鋁電子陶瓷基片是通過在96%~99%氧化鋁陶瓷材料中蠱,添加適量的礦物原料燒結而成的電子陶瓷基片砷。目前常用的成型方法有柿亢︰流延成型痘拓辣、干壓成型酷、注漿成型腹航膿、擠出成型等俺妙蝸。其中畔灣儈,流延法與傳統陶瓷成型法相比技術上較新窪舞,是薄片陶瓷材料的一種重要成型工藝鬼頌。

 

流延成型法制造的陶瓷生坯片

接著送尉薪,流延坯片在經過沖裁後鞭,按照適當的排膠釘驕、燒成工藝便可以獲得表面較為光滑的氧化鋁基片效炒稅,常用的燒結方法有琶︰1)熱壓燒結;2)熱等靜壓燒結法;3)微波加熱燒結法;4)微波等離子體燒結法;5)放電等離子燒結法等敦皮恰。

二味粟、氧化鋁陶瓷基片的表面處理

作為襯底的電子陶瓷基片鹿疤,其厚度和表面質量均是十分重要的指標敝,但因為燒結通常會帶來變形和收縮惱,所以一般都需要進一步對氧化鋁基片進行精加工劫胸。由于氧化鋁陶瓷基片高效減薄和超光滑拋光的作用機理較復雜課塑,因此影響其加工效果的因素也較多田,譬如說加工方式溺遞、磨料和工藝參數等灸肚鞭。就此議題懂尚,陳建新等研究人員曾做過較多相關研究售,下文便對幾個主要的影響因素進行總結分析城潮雹。

1.加工方式

常用的加工方式有兩種騰崔悍,一是單面研磨;二是雙面研磨夸。

 

前者是高精度的平面加工設備池,機械構造強度高且具有穩定的精度幕景聯。由于溝槽采用的是細密的環形結構玲,因此能夠較大程度地使研磨液保留于研磨盤面上冬,在相同的研磨液流量下則有更多的磨料顆粒作用于研磨工件貫,使得研磨後表面材料去除率較高讕。

後者主要用于兩面平行的晶體或其他機械零件進行雙面研磨翰杜膊。由于溝槽采用的是寬大的十字結構風膏泰,使得大部分磨料填充于溝槽內部並隨研磨盤的轉動而逸出研磨作用區域戒,只有少部分磨料作用于研磨盤面與研磨工件之間赦,因此研磨後表面材料去除率較低棘暖謂。總的來說瞥,單面研磨的加工方式更適合對氧化鋁陶瓷基片進行快速減薄加工亨。

 

不同加工方式下鑄鐵研磨盤面溝槽結構

2.磨料種類

為了對加工工件進行機械去除狼仕,需要選取硬度大于加工工件的材料作為研磨加工的磨料稀轄糜。與固著磨料加工不同慮,研磨液中的磨料顆粒是以游離形式存在計貝吃,加工工件是通過游離磨料進行加工的京眯。

另外孿,磨料顆粒與研磨盤的相對硬度和磨料顆粒的形態及物理機械性能對研磨效果影響很大虹擾,硬度較大的磨料對加工工件的材料去除率較高壞,但在加工過程中造成的損傷也較大;而硬度較小的磨料的去除率較低咖毆,但在工件表面產生的損傷區域較星質搿,因此表面質量較好成。下方是幾種常用磨料的對比獨精闊。

常用磨料的性能對比

 

3.磨料粒度

磨料的粒徑在研磨加工過程中會影響其切入加工工件表面的深度以及承擔的壓力弗刑辱。在研磨液中磨料濃度相同時室局電,若粒徑越大斤檄,則同一時間內在研磨區域的磨料顆粒越少餡扛弧,並且由于磨料的均勻性問題量,必然存在部分小顆粒墓躊惺,大小顆粒存在研磨區域內使得部分小顆粒不受力長,那麼在相同總壓力下每個受力顆粒的分壓越大蕪,對氧化鋁陶瓷表面的切深也越大肛,因此加工過程中對表面進行微切削獲得較大的材料去除量拘睫扇。但同時力道,加工工件研磨後的表面容易產生劃痕韭摩、坑洞及亞表面損傷等質量缺陷

 

大小顆粒並存會導致受力顆粒的分壓更大

當磨料粒徑越小時穗巾摩,同一時間內在研磨區域內的磨料顆粒數量越多便寂顆,且大小顆粒較為不明顯使得均勻性相對較好眯耽,在相同總壓力下每個受力顆粒的分壓則越瀉恰,對陶瓷表面的切深也越心嘸謾,甚至僅去除表面的原始凸起角耍靜,因此材料去除率較低但表面質量較好還募衫。

4.研磨壓力

研磨壓力決定研磨過程中磨料顆粒對工件表面的作用狀態掀詫,是研磨加工中的重要參數之一藐負孿。當研磨壓力較小時券川,同一時間內研磨區域內的磨料顆粒的分壓較懈氡熱摺,對加工工件表面的切深較猩怠,因而材料去除率和表面粗糙度均較小苔炊乏。反之則研磨壓力越大握擄泉,材料去除率和表面粗糙度也會增大募逼渭。

但當研磨壓力繼續增加超過一定程度時掏融兔,較粗的磨料顆粒雅茹研磨盤的深度較大而轉變為二體研磨行為同鏈,會導致在表面微切削過程中產生的劃痕寬度和深度更明顯前霉孺,使得加工工件表面質量更差鞋檔。

5.研磨速度

研磨速度對磨料顆粒在研磨過程中的運動軌跡稀疏程度和均勻性有重要影響朝鹿。一般情況下世比,隨著研磨速度的提高卑萎鉤,單位時間內磨料顆粒作用于工件的軌跡變多境,則單位時間內磨粒對工件的去除量增加姓孝,去除率就提高普氯觸。不過隨著研磨速度的提高棟,研磨盤的振動程度會加大尼乖,這會使得磨料顆粒對加工工件作用不均勻揩穗,工件的表面粗糙度也會增大蠟踢布。

6.研磨液流量

根據陳建新等人的實驗研究結果(如下圖)傘無,發現隨著研磨液流量的增加暖獻,材料去除率和加工表面粗糙度均先升高後降低歲江。

 

這是因為研磨液流量的增加使得同一時間內進入研磨區域的磨料顆粒數量增加第憚,材料去除率增加蕊痢旦,當研磨液流量增加至一定程度後敢沸,磨料顆粒在研磨區域內的堆積使得磨粒間隙更忻蓯」 ,磨粒更容易發生滾動瓦鮑,且一部分顆粒失去去除作用並逸出辭時,剩下另一部分顆粒進行去除作用艦爬緝,因此材料去除率下降陛算虛,同時對陶瓷表面產生的損傷減惺 ,表面粗糙度減小乳療。

7.研磨液磨料濃度

研磨液磨料濃度是指磨料顆粒的含量眉謂崎,它對研磨效率及效果有很大的影響從灤顱。通常隨著磨料濃度的提高媒稍泵,單位時間內在加工工件單位表面積上參與研磨的磨料顆粒越多臨豹溺,此時磨料顆粒主要發生二體摩擦行為徊貪碳,材料去除率也會升高李疙翠。

但當磨料濃度高到一定地步時姬位何,磨料顆粒會逐漸轉變為三體摩擦行為綸傾,會使得材料去除率逐漸趨于飽和濤。若磨料濃度繼續增大平旅侵,則會使得磨料顆粒間距離更鋅迅傘,進而產生團聚現象讓婦,導致研磨質量變差蛇干,因此選擇合適的研磨液磨料濃度很關鍵.

8.拋光

在研磨基礎上魄答,實驗人員分別在雙面拋光和單面拋光的加工方式下罕混,通過粒度W1和W0.5的SiC磨料對研磨後的氧化鋁陶瓷片進行拋光加工斥,其結果如下圖所示畝。

 

不同拋光方式對拋光效率和表面粗糙度的影響

顯然鈴壬,無論是采用W1還是W0.5的SiC磨料孔乾售,單面拋光加工的效率比雙面拋光加工高出不少鉗,能夠在更短的時間內將陶瓷片表面粗糙度降至很低的水平劍。據分析耽拿吃,單面拋光方式之所以能更高效率地進行工作溜,其原因可以認為是馮售價︰

一虜沒,磨料顆粒在進入工件拋光區域前夾鮑伶,可能會發生團聚使磨粒變大騾橙啊,進而對工件產生更大的損傷誹。而在單面拋光過程中貉,磨料顆粒在進入拋光區域前需要經過修整環半儡祿,修整環除了對陶瓷貼盤進行定位哦郊,還通過自身壓力對產生團聚的磨料進行分離破碎錨,使磨料保持均勻粒徑對工件進行拋光概施蜜。

二瘸前腥,單面拋光是通過拋光盤和圓形陶瓷盤轉動完成加工運動的強稿,產生的工件跳動較懈瓤睢,磨料對工件的去除效率較高撓,產生的表面損傷較少;而雙面拋光是工件裝夾在游星輪保持架內恆瑰,通過中心軸齒輪和外圈齒的嚙合在上下拋光盤間做游星運動搔,由于齒輪嚙合產生的工件跳動較大澇,磨料對工件的去除效率較低狸雀掄,產生的表面損傷較多揮阜。

結語

不過由于氧化鋁陶瓷本身存在晶粒較大懂、多孔性茂隧,機械拋光並不能從根本上改變陶瓷表面的微米級空洞或缺陷鬼墮惜,而這些空洞和缺陷的存在也會限制了氧化鋁陶瓷基片作為薄膜基片的一些應用孿。因此也有研究人員通過在基片表面制備一層玻璃釉涂層的方法途耍,來對氧化鋁陶瓷基片進行表面處理起線。

但無論如何逞,隨著市場對電子陶瓷的需求的進一步增加蕪娘侖,具備高的尺寸精度滅、形狀精度犀乃、表面粗糙度低的氧化鋁陶瓷電子基片將持續受到重用壘檬,因此實現氧化鋁陶瓷基片表面超光滑平坦化是基片襯底材料制備技術的關鍵和發展趨勢滌淋。

資料來源枷︰

1.氧化鋁陶瓷基片高效減薄和超光滑拋光加工研究厘那,陳建新醬,閻秋生奔幌,潘繼生葷苟。

2.氧化鋁陶瓷基片研磨拋光研究詫屎觸,陳建新浚軟淨。

 

粉體圈 小榆


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