超薄钛酸锶电瓷基片精密磨粒加工工艺研究

摘要

钛酸锶电子陶瓷由于独有的高介电常数成为高性能电子元器件和微波电路基板的核心材料，随着应用需求的发展，需要钛酸锶电子陶瓷基片尺寸达到2英寸，厚度小于0.15mm，并具有光滑平坦表面（TTV≤0.1μm和Ra≤0.01μm）。但是钛酸锶电子陶瓷是通过晶体材料或粉末烧结成形的，在烧结毛坯的过程中会产生20％的收缩率，具有“薄”、“软”、“脆”、“翘”等特征，很难通过热压烧结达到上述使用的尺寸精度要求，因而必须进行表面超精密磨粒加工，其最终加工精度、表面加工质量和损伤层深度直接决定了微波电路和微波元器件的性能。本文针对钛酸锶材料的特性，对钛酸锶电子陶瓷基片（电瓷基片）在磨粒加工过程中的材料表面质量、表面完整性、加工效率、材料亚表面损伤和材料表面与内部缺陷等进行了系统性研究，建立了超薄软脆电子陶瓷基片高效研抛磨粒加工技术理论，在“防破碎研磨”方式快速去除薄脆电子陶瓷基片的凹凸不平和翘曲的基础上，针对保护性双面加工难以解决超薄的问题，提出了利用单面真空吸附夹持平面研磨抛光技术，单面交替研磨迅速减薄至0.15mm后再单面交替抛光达到粗糙度Ra0.01μm，获得完整的高质量的超光滑加工表面，从而实现超薄软脆电子陶瓷基片的加工，具体内容如下：
　　首先通过“防破碎研磨”方法对超薄、软脆、大翘曲钛酸锶电瓷基片进行了双面平坦化研磨减薄加工，详细分析了基片的平坦化过程，统计了在不同保持架厚度下研磨压力和研磨盘转速对基片加工完整性的影响，采用有限元方法对保持架进行了受力仿真分析，得出了不同工艺阶段的保持架能够达到的最小厚度均为0.185mm，达不到超薄加工的要求。之后研究了研磨压力、研磨盘转速和磨粒粒径对减薄效果的影响，并对加工效率进行了优化，发现在研磨盘转速45r/min、研磨压力4.922kPa、磨料粒径W28、磨料种类氧化铝（Al2O3）、铸铁研磨盘、研磨液浓度10.45wt%、研磨液流量20ml/min的条件下，可将钛酸锶电瓷基片的平坦化加工时间从150min缩短至20min。
　　然后通过真空吸附夹持方式对平坦化后的基片进行了单面研磨减薄，系统分析了磨料种类、磨粒粒径、研磨压力、研磨盘转速、研磨液浓度、研磨液流量、加工时间和研磨盘种类等工艺参数对加工表面粗糙度、材料去除率和表面形貌的影响规律。结果表明，在转速为45r/min，抛光液流量为20ml/min，抛光液浓度为6wt%，压力为4.298kPa的条件下，依次采用W28、W14和W7的氧化铝在铸铁盘上对钛酸锶电瓷基片进行粗研磨、半粗研磨和半精研磨加工，采用磨粒粒径为W3.5的氧化铝在铜盘上进行精研磨加工，可以将钛酸锶电瓷基片的表面粗糙度从原始的Ra0.945μm降低到 Ra0.102μm，在8min内将厚度为0.185mm的基片减薄到了0.15mm，成功解决了超薄的问题。
　　再次通过对单面研磨减薄完成后的基片进行单面抛光，分析了抛光垫种类、抛光时间、抛光压力、磨料种类、磨料粒径、抛光液浓度、抛光液流量和抛光盘转速等工艺参数对加工表面粗糙度、材料去除率和表面形貌的影响规律。结果表明，采用褐色聚氨酯抛光垫、转速为45r/min、抛光液流量为20ml/min、抛光液浓度为4wt%、压力为15.043kPa的条件下抛光30min后可以得到整体表面粗糙度为Ra0.01μm局部表面粗糙度达到Ra4nm的超光滑表面。
　　最后通过对抛光完成后的基片进行晶体结构分析，从微观角度研究了钛酸锶电瓷基片缺陷生成的机理，并采用白光干涉仪和红外热成像无损检测技术对抛光完成后所获得的超光滑基片进行表面缺陷和内部缺陷检测，证明加工后所观测到的缺陷绝大部分来自钛酸锶基片原有缺陷，这些缺陷在加工过程中无法消除，并会导致基片发生破碎。最后利用角度抛光法和截面显微法对超光滑基片进行了亚表面损伤检测，并对结果进行了分析，证明表面光滑的基片内部存在亚表面损伤，这些损伤是基片发生破碎的潜在威胁。

目录

第一章 绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究内容

第二章 钛酸锶电瓷基片双面平坦化研磨减薄研究

2.1双面平坦化加工原理及试验方法

2.2平坦化过程研究

2.3平坦化研磨减薄过程中保持架受力仿真结果分析

2.4工艺参数对双面平坦化研磨减薄效果的影响及加工效率优化

2.5本章小结

第三章 钛酸锶电瓷基片单面研磨减薄工艺研究

3.1真空吸附夹持单面研磨迅速减薄加工试验装置

3.2试验条件

3.3研磨工艺参数对真空吸附夹持单面研磨迅速减薄的影响

3.4真空吸附夹持单面研磨迅速减薄工艺试验结果分析

3.5本章小结

第四章 钛酸锶电瓷基片单面抛光工艺研究

4.1试验条件和试验方法

4.2试验结果与讨论

4.3本章小结

第五章 钛酸锶抛光片加工质量检测与分析

5.1钛酸锶陶瓷的晶体结构分析

5.2钛酸锶电瓷基片抛光片缺陷检测

5.3钛酸锶电瓷基片亚表面损伤检测方法

5.4钛酸锶电瓷基片亚表面损伤检测结果分析

5.5本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的成果

声明

致谢