Negli ultimi anni la ceramica al nitruro di alluminio (AlN), in quanto materiale con eccellente conduttività termica, proprietà meccaniche ed elettriche, è stata ampiamente utilizzata nei circuiti integrati e nei pacchetti elettronici su larga scala. Le sue eccellenti proprietà lo rendono un substrato di raffreddamento e un materiale di imballaggio ideale. Tuttavia, a causa dell'elevata durezza, dell'elevata fragilità e della bassa resistenza alla frattura della ceramica al nitruro di alluminio, durante la lavorazione è facile che si verifichino difetti superficiali e danni al sottosuolo. Per soddisfare la richiesta di una superficie ultraliscia dei circuiti integrati, la superficie lucida del substrato di nitruro di alluminio deve raggiungere una planarità estremamente elevata e una bassa ruvidità superficiale. Ciò fa sì che anche il modo in cui ridurre efficacemente i difetti e i danni durante la lavorazione sia diventato un importante argomento di ricerca nel campo della lavorazione ultraprecisa. Negli ultimi anni, la tecnologia di lucidatura assistita da plasma (PAP) è gradualmente diventata un mezzo importante per lucidare le ceramiche di nitruro di alluminio grazie al suo trattamento efficace di materiali difficili da lavorare.
Caratteristiche e sfide di lavorazione delle ceramiche al nitruro di alluminio
Le ceramiche al nitruro di alluminio non solo hanno un'eccellente conduttività termica, ma hanno anche resistenza alla corrosione e buone proprietà elettriche. Queste caratteristiche lo rendono ampiamente utilizzato nei componenti elettronici ad alte prestazioni, in particolare nel confezionamento di dispositivi elettronici dove è richiesta un'efficiente dissipazione del calore. Il design leggero del substrato in nitruro di alluminio può ridurre efficacemente il volume dei dispositivi elettronici, riducendo al contempo la resistenza interna del pacchetto, favorendo la dissipazione del calore del chip. La durezza e la fragilità della ceramica al nitruro di alluminio, tuttavia, rendono molto facile la produzione di danni meccanici durante il processo di lavorazione, causando microfessure superficiali, cavità e difetti superficiali. Questi difetti non solo influiscono sulla resistenza meccanica del materiale, ma possono anche ridurre le prestazioni di dissipazione del calore e le proprietà elettriche, che influiscono sulla stabilità del dispositivo elettronico e sulla durata. Pertanto, nella lavorazione della ceramica al nitruro di alluminio, come ottenere una superficie ultra liscia, ridurre la ruvidità superficiale e ridurre la profondità del danno è sempre al centro dell'attenzione delle imprese manifatturiere e degli istituti di ricerca.
Sebbene il tradizionale metodo di lucidatura meccanica possa raggiungere una certa planarità della superficie, è facile causare molti danni meccanici ed è difficile soddisfare efficacemente la richiesta di alta precisione degli attuali circuiti integrati. Al contrario, la tecnologia di lucidatura assistita dal plasma fornisce una soluzione efficace per la lavorazione di substrati di nitruro di alluminio.
Panoramica sulla tecnologia di lucidatura assistita al plasma (PAP)
La lucidatura assistita al plasma (PAP) è una combinazione di modificazione del plasma e abrasivo morbido per rimuovere la tecnologia di lucidatura a secco. Il principio è quello di modificare la superficie della ceramica al nitruro di alluminio mediante irradiazione al plasma, in modo che le proprietà chimiche della superficie vengano modificate, quindi l'abrasivo morbido viene utilizzato per rimuovere il materiale sotto la successiva bassa pressione. Rispetto alla lucidatura meccanica tradizionale, la lucidatura assistita dal plasma può ridurre efficacemente la concentrazione dello stress superficiale e ridurre i danni meccanici nel processo di lucidatura. Il plasma nella tecnologia PAP stimola principalmente la superficie della ceramica al nitruro di alluminio a formare uno strato modificato, che è più facile da rimuovere mediante abrasivo, riducendo così notevolmente le crepe superficiali e i difetti microscopici causati dall'azione meccanica. Inoltre, il metodo di lavorazione senza contatto del plasma riduce il contatto diretto tra l'utensile abrasivo e il pezzo in lavorazione, riducendo la forza di attrito e riducendo ulteriormente i danni sotto la superficie.
Tecnica PAP nell'applicazione della lucidatura ceramica al nitruro di alluminio e vantaggi
1. Ridurre i difetti superficiali: poiché la tecnologia PAP modifica le proprietà superficiali dei materiali attraverso l'irradiazione al plasma, la rimozione dei materiali superficiali dipende principalmente dall'azione congiunta di effetti chimici e fisici, quindi può ridurre efficacemente micro-fessure e ammaccature generate nella parte meccanica processo di lucidatura. Nelle applicazioni di chip per circuiti integrati, la rugosità superficiale Ra ≤ 8 nm è un requisito comune e la tecnologia PAP può raggiungere meglio questo obiettivo mantenendo la profondità del danno a livello nanometrico. Ciò è di grande importanza per migliorare la qualità complessiva della lavorazione del substrato di nitruro di alluminio.
2. Ridurre i danni al sottosuolo: i metodi di lucidatura tradizionali spesso causano una concentrazione di stress all'interno del materiale durante la rimozione del materiale, con conseguenti danni invisibili al sottosuolo. Questo danno è spesso difficile da rilevare mediante l'osservazione della superficie, ma può influenzare in modo significativo le proprietà meccaniche e termiche del materiale. La tecnologia di lucidatura assistita al plasma riduce significativamente la formazione di difetti sotto la superficie riducendo il contatto meccanico e le forze di macinazione, garantendo l'integrità del materiale.
3. Migliorare la precisione dell'elaborazione: la tecnologia PAP può controllare accuratamente l'energia e il tempo di irradiazione del plasma, regolare la velocità di rimozione del materiale e lo spessore dello strato di modifica superficiale e quindi ottenere un effetto di lucidatura di maggiore precisione. Per i substrati ceramici in nitruro di alluminio che richiedono una precisione superficiale estremamente elevata, la tecnologia PAP può raggiungere una levigatezza superficiale di RMS < 2 nm, il che è particolarmente importante per l'industria dei semiconduttori e degli imballaggi elettronici.
4. Protezione ambientale della lavorazione a secco: la tecnologia PAP, come processo di lucidatura a secco, non necessita dell'utilizzo di una grande quantità di liquido lucidante, riducendo i rifiuti chimici generati nel processo di lucidatura, in linea con i requisiti della moderna industria manifatturiera per l'ambiente protezione e sviluppo sostenibile. Inoltre, si riduce l'uso di prodotti chimici, il che riduce anche i costi e l'inquinamento ambientale.
Limiti e sviluppo futuro della tecnologia PAP
Sebbene la lucidatura assistita da plasma nel processo di lavorazione della ceramica al nitruro di alluminio presenti molti vantaggi, presenta anche alcune limitazioni. Innanzitutto, la tecnologia PAP rispetto alla lucidatura meccanica tradizionale ha un costo dell'attrezzatura più elevato e una velocità di rimozione del materiale relativamente bassa, il che ne limita l'applicazione nella lavorazione su larga scala. Inoltre, a causa del ridotto intervallo di irradiazione del plasma, l'area di lavorazione è limitata, il che in una certa misura limita l'applicazione del PAP nella lavorazione di substrati di grandi dimensioni.
In futuro, l’obiettivo della ricerca sulla tecnologia PAP dovrebbe concentrarsi sul miglioramento del tasso di rimozione del materiale e del rapporto costi-benefici delle apparecchiature. Allo stesso tempo, combinato con altre tecnologie avanzate di lavorazione ultraprecisa, come la lucidatura assistita da laser o la lucidatura con raggio ionico, sarà un modo efficace per migliorare l'efficienza e la qualità della lucidatura della ceramica al nitruro di alluminio.
Conclusione
La tecnologia di lucidatura assistita al plasma, con la sua significativa riduzione dei difetti superficiali di lavorazione della ceramica in nitruro di alluminio e il vantaggio del danno superficiale, è diventata gradualmente una delle tecnologie più importanti nel campo della lavorazione ultraprecisa. Sebbene il costo delle attrezzature sia elevato e il tasso di rimozione del materiale sia basso, con il continuo progresso della tecnologia e l'espansione delle applicazioni, si prevede che la tecnologia PAP diventerà in futuro uno dei mezzi di lavorazione principali per gestire materiali ad alta durezza e fragilità elevata . Nel campo dei semiconduttori e dell'imballaggio elettronico, la tecnologia PAP ha un'ampia prospettiva di applicazione e merita ulteriore ricerca e promozione.
