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这些技术让精密陶瓷“嗨起来”
2024-07-09 08:23:05
前言
集成电路制造关键技术及装备主要包括光刻技术及光刻设备、薄膜生长技术及装备、化学机械抛光技术及装备、高密度后封装技术及装备等，均涉及高效率、高精度、高稳定性的运动控制技术和驱动技术，对结构件的精度和结构材料的性能提出了极高的要求[1]。先进陶瓷部件的强度、硬度很高，对高温、高磨损、高腐蚀等环境下具有强大的抵抗能力，在某些工况下比金属或者高分子材料具有不可替代的优势。
随着现代工业技术的发展，对精密陶瓷部件的需求量越来越高，除了集成电路制造，在激光技术、传感领域、超导技术、生物医疗等领域也具有广泛的发展前景。虽然先进陶瓷材料有着难以取代的优势，但是其高硬脆的特点，使其机械加工困难、加工周期长，且在加工过程容易出现裂纹而影响成品使用性能，也增加了制作成本，这些缺陷都限制着它的发展。
精密陶瓷部件的制备技术
精密陶瓷结构件的制备首先根据产品特点选择符合一定化学和粒度的粉料，再根据产品形状使用一定的成型方法制备出坯体，通过烧结获得致密化的瓷坯，最后对瓷坯进行加工获得精密的陶瓷部件。
2.1 注塑成型
陶瓷注塑成型技术（CIM）又称陶瓷粉末注射成型，是粉末注射成型（PIM）的一个分支，它是将高分子聚合物注射成型方法与陶瓷制备工艺相结合发展起来的一种制备陶瓷结构件的新工艺。
注塑成型技术相较传统成型工艺具有独特的技术优势：可制备体积小、形状复杂、尺寸精度高的异形件，由于流动充模，坯体密度均一，烧结产品性能优异；另外近净成型，制备的零件几乎不需要再进行机加工后处理，大大降低了加工对陶瓷材料带来的残余应力，既能够大幅缩减加工成本，又能够保证材料的稳定性和可靠性。注塑成型作为一种净成型技术，因其克服了粉末压制的成型能力、等静压的生产效率、机加工的成本，已成为精密陶瓷产业最具潜力的成型技术[2-3]。
2.2 注凝成型（凝胶注模成型）
注凝成型也被称为凝胶注模成型，该工艺是将传统陶瓷成型工艺与有机聚合方法相结合，可制备出准净近尺寸、强度高的陶瓷坯体。
注凝成型对粉体无特殊要求，可制备出大尺寸和复杂形状及壁厚的部件，模具可选用多种材料，成型周期短，湿坯和干坯强度高，可进行机械加工，坯体有机物含量低，坯体和烧结体性能均匀性好，工艺过程易控制，工艺过程和操作较为简便，设备简易，成本低廉，与其他成型技术相对比，凝胶注模成型工艺有许多传统的成型工艺达不到的优势。近年来，人们对注凝成型工艺进行了大量的研究，并利用注凝成型方法制备了多种陶瓷材料，如SiC、Si3N4、Al2O3和ZrO2等[5-6]。
2.3 3D打印成型
3D打印成型技术可以加工复杂程度更高且无需使用特定于复杂零件的专用工具，也减少了制造时间。3D打印成型技术也称为增材制造技术，这种成型技术不同于传统的去除材料制造技术，它集成计算机辅助设计和计算机辅助制造，高度融合数字化三维模型技术，借助激光、数控等手段，通过将线材、浆料或粉末等离散原料层层堆积的成型方式，无需采用任何模具，直接实现有机高分子、金属、陶瓷等材料的快读成型。
图3 基于DLP的SL技术制备的AlN坯体[7]
对于制备复杂形状的精密陶瓷部件，3D打印具有成本以及加工容易的特点引起越来越多的研究者的关注。在多种3D打印技术中，SLA是目前使用最多的工艺生产技术，而更为常见的FFF技术则受限于高性能陶瓷线材的开发的纳米级工艺标准，目前全球仅有德国BASF和法国创新企业Nanoe有相关产品，且价格较高，因此熔融堆积技术在陶瓷3D打印中所占的市场规模较小，主要被应用在5G精密制造和航空航天两个方向，用户包括航空发动机制造商赛峰公司（Safran）和精密陶瓷芯生产商Avignon Ceramic等。
精密陶瓷部件的加工技术
陶瓷材料的表面质量和加工精度对器件的性能和使用寿命具有重要影响，如在集成电路芯片应用中，陶瓷材料的高硬度、高脆性和低断裂韧性，使之在加工过程中容易产生表面缺陷和亚表面损伤。如何获得高质量的平坦化加工表面，提高加工效率，减少加工中出现的缺陷和损伤，一直是超精密加工领域的研究热点。
精密/超精密制造技术对于先进陶瓷在航空航天以及半导体领域等高端领域的应用具有重要意义。以半导体领域为例，将先进陶瓷件加工至规定精度，那这些精加工制品能应用于精密设备上替代昂贵的合金，包括陶瓷手臂、陶瓷劈刀、陶瓷真空吸盘、陶瓷喷嘴、陶瓷光纤接管等。
精密陶瓷表面精加工根据加工手段可分为两大类。一类是切削加工原理为主的单纯机械作用精密陶瓷光整加工方法，被称为传统精密陶瓷光整加工技术，主要分为镜面磨削、珩磨、超精研、研磨以及抛光等；另一类高能加工以及多种加工原理复合的精密陶瓷光整加工方法，称为非传统精密陶瓷光整加工技术，其内容主要包括化学机械抛光、电化学抛光、脉冲电化学精密陶瓷光整加工、电化学机械精密陶瓷光整加工以及超声波加工等[8-9]。
3.1 化学机械抛光工艺
化学机械抛光（CMP）是目前半导体行业使用最为广泛的全局平坦化技术。目前该技术广泛应用于各种工程陶瓷、功能陶瓷和金属材料的超精密加工。化学机械抛光时，悬浮于液态介质中的纳米级软质磨粒，在与工件的接触点上因摩擦而产生高温高压，并在极短的时间内，发生化学反应，生成比工件材料软、更容易去除的新物质。反应产物以0.1nm的微小单位，由工件与后续磨料及抛光盘之间的机械摩擦作用去除，从而获得超光滑表面。
3.2 磁流变抛光工艺
磁流变抛光技术最早由Kordonski等提出并用来加工石英凸球面工件和玻璃元件，得到的样品表面粗度R分别为0.8nm、1.0nm，从此该便在精密加工领域获得广泛应用。
图5 磁流变抛光工作原理
磁流变抛光技术是介于接触式抛光与非接触式抛光的一种抛光方法。其与传统抛光方法相比，具有抛光精度高，无刀具磨损、堵塞现象，去除率高且不引入亚表面损伤等优点。但是磁流变液在使用过程中由于导磁粒子因相互摩擦存在磨损，磁流变液在使用期间需要密封，导致制备过程复杂、成本高昂，不利于大规模产业化使用，一般该方法用于光学零件加工的最后一道工序[10]。
3.3 ELID磨削工艺
ELID磨削技术是将传统削、研、抛光结合为一体的复合镜面加工技术，具有高效性、工艺简单、磨削质量高等特点，并且使用的磨削液为弱电解质的水溶液，对机床和工件没有腐蚀作用，装置简单，适合推广。但在磨削过程中由于修正电流的变化容易导致氧化层不连续，工件表面容易不平整，磨削工件容易产生烧伤、残余应力、裂纹等缺陷。
3.4 激光加工工艺
激光加工是一种无接触加工、无刀具磨损、高精度以及灵活性强的先进加工技术，是适合脆硬型陶瓷材料的一种加工方法。其工作原理是光能通过透镜聚焦后达到极高的能量密度，使材料在高温下分解。激光加工方法成本低、效率高，但是难以控制产品的精度和表面质量[11]。
3.5 等离子辅助抛光工艺
等离子辅助抛光是一种干式抛光技术。由于其结合了等离子体辐照对表面进行改性，可通过超低压或者使用软磨料去除改性层，因而常被用于加工难处理材料。
目前，等离子体辅助抛光由于受磨石的影响材料的去除率相对于其他加工工艺较低，并且PAP的加工设备昂贵，不适用于大规模加工。
3.6 复合抛光工艺
接触式的磨粒加工方法包括金刚石磨削和游离磨粒抛光，虽然加工效率高，工件形状精度好，但会引入严重的表面和亚表面损伤，只适合粗加工，必须搭配刻蚀或抛光工序来实现损伤层的去除和应力释放。而单一的加工方式无法同时具有各种优势，为提高陶瓷材料加工表面质量和加工效率，国内外学者也采用多种加工手段进行复合抛光技术研究，常见的复合抛光工艺有超声振动辅助磨削、超声波磨料水射抛光以及超声辅助固结磨粒化学机械抛光等。
小结
精密陶瓷结构件的制备过程中减少机械加工量是一个发展趋势，近净成形技术将新材料、新能源、精密模具技术、计算机技术自动化技术等多种高新技术融入传统的成型技术，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械零部件，使得成型的机械构件具有精确的外形、高的尺寸精度、形位精度和好的表面粗糙度。研究精度高且成本低的精密陶瓷制备技术对精密陶瓷的应用有着重要意义，陶瓷成型技术及后处理的精加工对精密陶瓷结构件的外形、尺寸等起到关键作用。目前对于精密陶瓷制备工艺中仍然存在大尺寸复杂结构成品率低、成型工艺较复杂、加工成本高等问题，还需要进一步研究及推广。
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