中國粉體網訊 隨著電子產品集成化、微型化、多功能化的發展，器件內部聚集著大量的熱量，難以在短時間內散去，高溫嚴重損害著器件的使用壽命，散熱成為影響電路高效運行的關鍵問題。
一、氮化鋁是重要的散熱材料
電子陶瓷是解決散熱問題的重要材料。氮化鋁熱導率高達320W/mK，是除金剛石、氮化硼、碳化硅和氧化鈹外具有高熱導率的一種無機非金屬材料，且其具有優異的介電性能、穩定的化學性能、無毒無害以及與硅和碳化硅相接近的熱膨脹系數，非常適用于對發熱和散熱要求高的大功率設備。
表1 氮化鋁的主要性能參數
二、加工精度影響散熱效率
氮化鋁陶瓷具有高硬度、高脆性和低斷裂韌度的特點，是一種脆硬材料，在加工過程中容易發生脆性斷裂，導致加工表面出現破碎層、裂紋、殘余應力等表面缺陷和亞表面缺陷，而這些缺陷會極大地影響氮化鋁陶瓷的導熱能力，比如，氮化鋁熱導率可高達320W/mK，但是表面缺陷的存在可能造成實際產品的熱導率還不到200W/mK。而超光滑的表面能夠降低內阻，有利于提高散熱能力。因此，氮化鋁陶瓷的表面質量和加工精度很大程度上會影響著散熱效率，獲得高質量的加工表面、實現氮化鋁陶瓷表面的超低損傷是十分必要的。
三、超精密加工技術
氮化鋁陶瓷是一種多晶材料，由大量氮化鋁晶粒液相燒結而成，后續需經研磨拋光等過程才能得到高質量的加工表面。目前，氮化鋁陶瓷的表面平整化加工方法主要以拋光磨削為主，其他超精密加工方法為輔。常用的超精密加工方法有化學機械拋光、磁流變拋光、電解內修整磨削、激光加工、等離子輔助拋光以及復合拋光等。
1.化學機械拋光工藝（CMP）
化學機械拋光屬于全局平坦化技術，是可以提供整體平面化的表面精加工技術，工作原理圖如圖1所示。工藝裝置主要由拋光盤、工件夾具及拋光液輸送裝置三部分構成。化學機械拋光工藝是化學和機械綜合作用的過程。拋光盤上粘貼有拋光墊，并且可以自旋轉，通過承載器給氮化鋁陶瓷施加正壓力，使其與拋光墊兩者之間有合適的正壓力，能夠產生相對運動。拋光液通過蠕動泵不斷的流到拋光墊上，使之在氮化鋁陶瓷和拋光墊之間持續流動，陶瓷表面與拋光液不斷發生反應，通過拋光頭的高速運動將反應物去除，達到表面平整光滑的效果。
圖1 化學機械拋光原理（圖源：創力研磨）
化學機械拋光工藝拋光效果較好但也存在缺點，一是經過化學和機械綜合作用后，氮化鋁表面容易出現微裂紋。二是研磨液會造成污染，需要進行專門處理，且拋光墊加工過程中會磨損，需要定期進行修正。目前，受制于磨料、拋光墊種類、拋光工藝等限制，用于氮化鋁陶瓷的化學機械拋光工藝尚不如用于碳化硅等的技術成熟，需要進一步的完善。
2.磁流變拋光工藝(MRF)
磁流變拋光技術是利用磁流變拋光液在磁場中的流變性進行拋光的一種超精密加工方法。其工作原理如圖2所示。拋光盤位于磁極的上方，加工的氮化鋁陶瓷位于拋光盤上方，且與拋光盤之間有一定的距離，施加磁場時，在這個間隙內會形成高強度的梯度磁場。磁極的強大磁場致使磁流變液的流變特性發生急劇轉變，磁性粉粒會沿著磁場分布線形成鏈狀結構，磨料依附在鐵粉結構表面，從而具有強剪切力，得以實現氮化鋁陶瓷表面的材料去除。
圖2 磁流變拋光裝置原理圖與實物圖（圖源：金剛石與磨料磨具工程）
磁流變拋光技術是介于接觸式拋光與非接觸式拋光的一種拋光方法，具有精度高、無磨損、無堵塞的優點，其缺點在于磁流變液的制備技術復雜、制備成本高昂，不適用于規模化使用。
3.電解內修整工藝（ELID）
電解內修整磨削技術是將傳統磨削、研磨、拋光結合為一體的復合鏡面加工技術，適用于對硬脆材料進行超精密鏡面磨削，其工作原理如圖3所示。砂輪與電源正極相接做陽極，工具電極做陰極，電解磨削液進入砂輪和電極的間隙，在電解過程中，砂輪表層的金屬基體被電解，逐漸露出嶄新鋒利的磨粒，形成對砂輪的修整作用；同時，砂輪表面會附著一層鈍化膜，抑制砂輪的過度電解，從而使砂輪始終以最佳磨削狀態連續進行磨削加工。
圖3 電解內修整磨削原理（圖源：北京工業大學學報）
電解內修整磨削技術具有高效性、工藝裝置簡單、磨削質量高、腐蝕性小的特點，但在磨削過程中容易產生殘余應力、裂紋等缺陷。
4.激光加工工藝
激光加工是一種非接觸式的先進加工技術，是適合脆硬型陶瓷材料的一種加工方法。其工作原理是將光通過透鏡聚集成一個極小的光斑，使光斑達到極高的能量密度和溫度，從而使被加工物質熔化或汽化，如圖4所示。激光加工工藝具有成本低、效率高以及靈活性強的優點，其缺點在于難以控制產品的精度和表面質量。
圖4 激光加工工藝原理（圖源：自動控制網）
5.等離子體輔助拋光工藝（PAP）
等離子體輔助拋光是一種非接觸式的干法刻蝕工藝。其工作原理如圖5所示，該裝置由上下金屬電極、密封圈、等離子體構成的磨石以及上下旋轉裝置構成。將加工工件置于拋光液中，施加一定的電壓，使其周圍的拋光液汽化，形成一個包圍氣層，通過在氣層的不同位置形成放電通道，將表面材料有選擇地去除，實現表面拋光。
圖5 等離子輔助拋光原理圖（圖源：陶瓷學報）
等離子體輔助拋光對形狀復雜的工件能夠達到很好的拋光效果，但材料的去除率較低，并且加工設備昂貴，不適用于大規模使用。
6.復合拋光工藝
對于氮化陶瓷這類硬脆性材料，非接觸式的加工方法，往往存在成本高、效率低、環境污染等問題。而接觸式加工方法雖然效率高、精度好，但會存在表面損傷，因此單一的加工方式難以同時滿足效率、精度、成本等多方面要求。為提高表面質量和加工效率，可以采用多種加工手段進行復合拋光，復合拋光技術對控制損傷、提高表面質量、增大材料去除率有很大幫助，可以獲得更加平整光滑的表面。常見的復合拋光工藝有超聲振動輔助磨削、超聲波磨料水射流拋光以及超聲輔助固結磨粒化學機械拋光等。
參考來源：
[1]關佳亮等，基于ELID精密鏡面磨削技術的外圓精加工工藝
[2]白振偉等，氮化鋁基片的集群磁流變拋光加工
[3]潘飛等，氮化鋁陶瓷的超精密加工研究現狀與發展趨勢
[4]劉海華，熱壓燒結氮化鋁陶瓷制備工藝的研究
[5]呂帥帥等，高導熱氮化鋁陶瓷制備技術的研究現狀及發展趨勢
（中國粉體網編輯整理/梧桐）
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