Progreso na investigación en tecnoloxías de pulido para substratos cerámicos

Nos últimos anos, observouse un desenvolvemento a alta velocidade en campos como os vehículos eléctricos, as locomotoras eléctricas, a iluminación de semicondutores, a industria aeroespacial e a comunicación por satélite. Os compoñentes electrónicos destas aplicacións funcionan con correntes elevadas, a altas temperaturas e a altas frecuencias. Para garantir a estabilidade destes compoñentes e circuítos, impónselles maiores esixencias aos portachips. Os substratos cerámicos, que contan con excelentes propiedades térmicas, rendemento en microondas, propiedades mecánicas e alta fiabilidade, atopan un uso xeneralizado nestas áreas.

En termos xerais, os materiais sólidos non metálicos e inorgánicos pódense denominar cerámicas. Son compostos de elementos metálicos e non metálicos, unidos principalmente por enlaces iónicos, enlaces covalentes ou unha combinación de ambos. Poden ser cristalinos, non cristalinos ou policristalinos. En consecuencia, os materiais cerámicos caracterízanse por unha baixa ductilidade e tenacidade, pero tamén presentan puntos de fusión elevados, excelentes propiedades de illamento e un rendemento químico estable debido aos seus fortes enlaces atómicos e electróns libres limitados. Os substratos cerámicos fabricados con estes materiais herdan características como a resistencia a altas temperaturas, un excelente illamento e estabilidade química. Ademais, os substratos cerámicos presentan unha alta hermeticidade, bloqueando eficazmente a humidade, o osíxeno e o po, proporcionando así un ambiente operativo estable para compoñentes e circuítos electrónicos e garantindo a súa vida útil. Algúns substratos cerámicos tamén son resistentes á radiación, o que mostra amplas perspectivas de aplicación na industria aeroespacial e nuclear. Os materiais cerámicos que se usan actualmente para substratos inclúen principalmente óxido de berilio (BeO), alúmina (Al₂O₃), nitruro de aluminio (AlN), nitruro de silicio (Si₃N₄) e carburo de silicio (SiC).

Tecnoloxías comúns de pulido de substratos cerámicos [5]

Os substratos cerámicos caracterízanse por unha alta dureza, unha fraxilidade significativa, unha propensión á xeración de gretas e un procesamento superficial complexo. Polo tanto, impónse requisitos rigorosos para o mecanizado superficial dos substratos cerámicos. Normalmente, a esmerilaxe e o pulido utilízanse para eliminar contaminantes superficiais, mellorar a planitude, reducir a rugosidade da superficie e mellorar a precisión dimensional e a calidade da superficie para cumprir cos requisitos de perfís finos. Dadas as diferentes propiedades e estruturas dos diferentes materiais cerámicos, a selección da tecnoloxía de pulido axeitada é crucial para acadar resultados óptimos.

Para mellorar a planitude e obter substratos cerámicos con alta precisión superficial e baixa rugosidade superficial, o paso inicial implica un proceso de moenda para eliminar defectos superficiais, a capa superficial alterada e rabuñaduras do substrato. Posteriormente, utilízanse técnicas de pulido para eliminar aínda máis os danos superficiais ou subsuperficiais causados ​​durante a moenda, o que resulta nunha superficie máis plana con aínda menor rugosidade. As tecnoloxías de pulido comúns para substratos cerámicos inclúen o pulido químico-mecánico (CMP), o pulido por fluxo abrasivo, o pulido por fluxo abrasivo asistido por vibración ultrasónica, o pulido electroforético, o pulido electrolítico e o pulido magnetorreolóxico.

2.1 Pulido químico-mecánico (CMP)

O pulido químico-mecánico (CMP) é recoñecido como a única tecnoloxía actualmente capaz de lograr a planarización global das superficies das obleas na fabricación de circuítos integrados (CI). A eficacia do CMP inflúe directamente na calidade final e no rendemento dos chips.

A CMP utiliza o acoplamento sinérxico da corrosión química dos axentes químicos na pasta de pulido e a abrasión mecánica para eliminar defectos superficiais a nivel atómico, conseguindo unha planarización global. Por exemplo, ao pulir substratos de Al₂O₃ usando unha pasta a base de sol de sílice, prodúcese unha reacción química como se mostra na ecuación (1) e os produtos resultantes elimínanse durante o proceso de pulido mecánico. Isto implica que o proceso CMP é máis axeitado para materiais cerámicos onde poden producirse reaccións interfaciais, producindo subprodutos máis brandos.

2.1.1 Lodo de pulido

A pasta de pulido químico-mecánico é un factor crítico que inflúe na calidade e a eficiencia do pulido. Os compoñentes da pasta de pulido CMP xeralmente inclúen partículas abrasivas, axentes oxidantes e outros aditivos. Os aditivos normalmente comprenden axentes complexantes, axentes quelantes, inhibidores da corrosión, surfactantes e reguladores do pH. A composición específica selecciónase en función das propiedades físicas e químicas do material que se está pulindo e dos requisitos de rendemento de pulido desexados.

As partículas abrasivas actúan sobre a superficie do material durante o pulido a través de mecanismos como microcorte, microrañazos e rodadura, o que afecta á eliminación mecánica do material. O tamaño das partículas abrasivas afecta directamente á eficiencia do pulido e á calidade da superficie. As partículas excesivamente grandes aumentan o risco de rañazos e outros danos superficiais, mentres que as partículas excesivamente pequenas, aínda que potencialmente proporcionan unha mellor suavidade superficial, reducen significativamente a taxa de eliminación de material (MRR). A dureza do abrasivo tamén debe coincidir co material que se está pulindo. Os abrasivos excesivamente duros poden causar rañazos superficiais ou máis defectos, mentres que os abrasivos excesivamente brandos provocan baixas taxas de eliminación de material.

Os reguladores de pH optimizan as condicións da reacción química axustando a acidez ou alcalinidade da pasta de pulido, garantindo que as reaccións se desenvolvan segundo o previsto. Os axentes oxidantes reaccionan coa superficie da peza para formar unha capa abrandada que se elimina facilmente mecanicamente, o que permite unha eliminación eficiente e uniforme do material. Os inhibidores utilízanse para controlar o grao de erosión química, facendo que todo o proceso de pulido sexa máis controlable e estable [1]. Ademais, a selección de surfactantes axeitados pode conseguir simultaneamente efectos como a dispersión abrasiva, a humectación da superficie, a limpeza e a inhibición da corrosión, o que indica un potencial de aplicación significativo.

2.1.2 Almofada de pulido

A almofada de pulido xoga un papel vital á hora de determinar os parámetros de rendemento da CMP, como a taxa de eliminación de material e a calidade da superficie. Debido ás forzas de fricción e á presión normal aplicada pola oblea, a almofada de pulido sofre desgaste superficial e compresión volumétrica, o que leva á degradación da microestrutura superficial, ao cizallamento das asperezas e á obstrución dos poros. O desgaste superficial da almofada de pulido provoca unha diminución do seu rendemento da CMP.

2.2 Pulido asistido por plasma (PAP)

O pulido asistido por plasma (PAP) é un proceso que oxida o material superficial nunha capa de óxido máis branda mediante plasma, ao tempo que se basea na fricción abrasiva para a eliminación do material, o que axuda ao pulido químico-mecánico. O principio básico implica o uso dun xerador de radiofrecuencia (RF) para crear plasma a partir de gases reactivos (como vapor de auga, O₂, etc.), xerando radicais (como radicais OH, radicais O). Estes radicais altamente oxidantes oxidan e modifican a superficie do material, formando unha capa de óxido branda, que logo se pule mediante abrasivos brandos (por exemplo, CeO₂, Al₂O₃), o que resulta nunha superficie atomicamente lisa.

2.3 Pulido electroforético

O pulido electroforético é un dos métodos de pulido sen contacto máis prometedores. Esta tecnoloxía utiliza as velocidades de migración diferenciais das partículas cargadas nun campo eléctrico para lograr a separación. Este método practicamente non induce danos asociados habitualmente co procesamento mecánico na superficie mecanizada, o que o fai máis axeitado para o mecanizado de ultraprecisión de Cerámica funcional.

Figura 3: Diagrama esquemático do pulido electroforético

2.4 Pulido electrolítico

O pulido electrolítico é unha tecnoloxía de acabado superficial que consegue o aplanamento da superficie mediante reaccións electroquímicas selectivas na superficie da peza. Combina corrente eléctrica e reaccións químicas. Nun electrolito, a peza metálica actúa como ánodo e un metal insoluble serve como cátodo. A aplicación dunha voltaxe entre os dous eléctrodos provoca a disolución selectiva das microprotuberancias do ánodo, o que reduce a rugosidade da superficie e produce unha superficie lisa.

O método de pulido electrolítico ofrece vantaxes como un equipo sinxelo e económico, un funcionamento sinxelo e rápido, unha alta eficiencia de produción, a capacidade de rectificar zonas rebaixadas inaccesibles ao pulido mecánico e unha maior resistencia á corrosión da peza.

2.5 Pulido por fluxo abrasivo asistido por vibración ultrasónica

Do mesmo xeito que a descarga eléctrica, o plasma e os láseres, a vibración ultrasónica pode liberar unha enerxía substancial nun tempo moi curto e úsase amplamente para procesar materiais duros e fráxiles. O pulido de fluxo abrasivo asistido por vibración ultrasónica combina a tecnoloxía de vibración ultrasónica co pulido de fluxo abrasivo. Aplica vibración ultrasónica ao fluxo abrasivo a través dun sistema de vibración ultrasónica, aproveitando a enerxía cinética de ambos para o pulido, formando un novo método de pulido composto. A introdución de ultrasóns facilita a formación e o colapso de microburbullas, e o colapso destas microburbullas preto da superficie da peza axuda á eliminación de material, o que resulta nunha superficie pulida máis precisa. Esta característica fai que esta técnica de pulido sexa especialmente axeitada para o pulido superficial de compoñentes ópticos de precisión.

2.6 Puído magnetorreolóxico (MRP)

A tecnoloxía de pulido magnetorreolóxico utiliza fluído magnetorreolóxico, que sofre cambios reolóxicos nun campo magnético de gradiente, formando unha "ferramenta de pulido subapertura" flexible con comportamento viscoplástico. Mantense unha alta velocidade relativa entre esta ferramenta flexible e a peza de traballo, sometendo a superficie da peza a unha tensión de cizallamento significativa, eliminando así material superficial.

Conclusión

A medida que os dispositivos de alimentación, os dispositivos de microondas, os dispositivos fotoeléctricos, etc., continúan a evolucionar cara á miniaturización, a integración e a multifuncionalidade, impónselles maiores esixencias aos substratos cerámicos para manter un rendemento óptimo de transmisión de sinal e disipación de calor.

Como material de substrato para circuítos integrados e laminados revestidos de cobre, a calidade superficial dos substratos cerámicos inflúe directamente na vida útil e na fiabilidade operativa dos dispositivos finais. Para cumprir cos requisitos de desenvolvemento da integración de dispositivos, a miniaturización e a alta fiabilidade, as demandas futuras de calidade superficial dos substratos cerámicos serán cada vez máis estritas. En consecuencia, as tecnoloxías de tratamento superficial aplicadas aos substratos cerámicos enfrontaranse a desafíos cada vez máis rigorosos.