單層陶瓷電容器基片研磨工藝研究與應用

楊國興　焦圣智　劉云志　孫飛　吳繼偉

摘? 要：單層陶瓷電容器的基片決定了產(chǎn)品外觀、結合力、容值及其一致性，研磨是為了保證基片表面狀態(tài)均勻一致，去除坑洞、凸起、變形等缺陷，并保證基片厚度的一致性，該文對4種研磨工藝進行原理分析，并確認實際加工效果，掌握不同研磨工藝的優(yōu)缺點及加工效果，從而更好地進行應用。

關鍵詞：雙面研磨;單面研磨;減薄;拋光

中圖分類號：TM534.1? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

單層陶瓷電容器具有體積小、結構緊固、頻率特性優(yōu)異、電氣性能穩(wěn)定、可靠性高等特點，工作頻率可達100 GHz。該產(chǎn)品應用于微波通信及抗EMI器件，與MLCC相比具有等效串聯(lián)電阻低、介質(zhì)損耗小（高品質(zhì)因數(shù)）、可靠性高等優(yōu)點，能滿足高頻率電子線路的苛刻要求。上下兩面電極采用純金材料，便于焊接和防止氧化。該產(chǎn)品目前主要在美國、日本生產(chǎn)，基本形成壟斷[1]。雖然國內(nèi)已經(jīng)開始研究生產(chǎn)，但是都屬于小批量生產(chǎn)，產(chǎn)品型號也較少，在當前的國際形勢下，單層電容國產(chǎn)化發(fā)展顯得尤為重要，研發(fā)單層電容器首先從基片開始，基片研制分為基片制作和研磨，該文主要針對基片的研磨進行研究。

1 研磨工藝介紹

目前陶瓷基片的研磨方式主要分為雙面研磨、單面研磨、減薄，各自具有其功能和特點，該文針對這3個工藝的原理及加工效果進行研究，并應用于實際生產(chǎn)。

1.1 雙面研磨

1.1.1 雙面研磨原理

雙面研磨過程中瓷體去除分為脆性斷裂和塑性變形2種方式。脆性斷裂的去除方式是通過在加工過程中，工件形成裂紋以及裂紋的擴展來完成的。產(chǎn)生裂紋的臨界載荷值與材料的硬度及斷裂韌性有關，當載荷低于這一臨界值時，裂紋就不會出現(xiàn)，基片表面材料將以塑性去除方式去除，類似于金屬的切削過程。研磨過程中磨料具有滾軋作用或微切削作用，磨料作用機理的模型如圖1所示。隨著研磨加工的進行，一部分磨粒由于研磨壓力的作用，嵌入研磨盤中，用露出的尖端劃擦工件表面，這種方式稱為二體磨損，二體磨損將產(chǎn)生類似刻劃現(xiàn)象的連續(xù)溝槽，溝槽中的材料是否產(chǎn)生碎片取決于磨料的尖角和磨料侵入工件的深度。另一部分磨粒則在工件與研磨盤之間發(fā)生滾動，產(chǎn)生滾軋效果，達到表面去除的目的，這種方式稱為三體磨損，三體磨損中磨料的尖角和棱邊，將在工件表面產(chǎn)生壓印作用，當磨粒對工件表面的壓力小于材料的斷裂韌性時，工件表面只產(chǎn)生塑性壓痕，當壓力大于材料的斷裂韌性時，工件表面還將產(chǎn)生裂紋，導致表面的破裂。圖2為磨料加工示意圖[2]。

1.1.2 設備型號、加工參數(shù)及效果

1.1.2.1 設備信息

設備信息見表1。

1.1.2.2 加工參數(shù)及速率

關于研磨參數(shù)，《鈦酸鋇陶瓷基片雙面研拋加工特性研究》及《超薄鈦酸鍶電瓷基片研磨加工工藝優(yōu)化》[3]等文章中已經(jīng)非常詳細地進行了理論及實踐的闡述，該公司產(chǎn)品的加工參數(shù)見表2。

1.1.2.3 研磨均勻性

整盤研磨后數(shù)據(jù)整理如圖3所示，極差在12 um左右，COV（標準偏差與總體平均值比值）<10%。

1.1.2.4 極限厚度加工能力

鑒于設備構造及工裝強度，雙面研磨機可以加工的極限厚度為0.15 mm。

1.2 單面研磨

1.2.1 單面研磨原理

工件黏在氧化鋁工裝面，配重后放在研磨盤上隨動。

單面研磨過程中瓷體去除也分為脆性斷裂和塑性變形2種方式。原理同雙面研磨，詳見“1.1.1雙面研磨原理”，磨料作用機理的模型如圖4所示。圖5為游離磨料加工示意圖。

由單面研磨原理可知，研磨過程是從所有工件中最凸點開始，逐步向下增加減薄面積至最大，由于水平基準是由整個工件的平均高度決定的，因此當工件一致性不好時，加工后的產(chǎn)品會出現(xiàn)厚度不均勻的問題，甚至同一片產(chǎn)品會出現(xiàn)不同位置厚度不同的現(xiàn)象。

1.2.2 設備信息

設備信息見表3。

1.2.3 加工參數(shù)及速率

加工參數(shù)及速率見表4。

1.2.4 研磨均勻性

整盤研磨后數(shù)據(jù)如圖6所示（單面研磨前經(jīng)減薄平行處理），極差在3 um左右，COV（標準偏差與總體平均值比值）<2%。

1.2.5 極限厚度加工能力

經(jīng)實際確認，單面研磨機可以加工的極限厚度為0.065 mm。

1.3 減薄工藝

1.3.1 減薄工藝原理

減薄過程中瓷體去除同樣分為脆性斷裂和塑性變形2種方式，具體內(nèi)容同雙面及單面研磨原理。減薄磨料作用機理與雙面和單面不同。由于砂輪表面的磨料是鑲嵌在砂輪主體上面的，因此減薄過程是用磨料露出的尖端劃擦工件表面進行二體磨損，而沒有三體磨損，二體磨損將產(chǎn)生類似刻劃現(xiàn)象的連續(xù)溝槽，溝槽中材料是否產(chǎn)生碎片取決于磨料的尖角和磨料侵入工件的深度，因此減薄工藝加工后的產(chǎn)品表面有很明顯且有規(guī)律的溝狀劃痕，粗糙度可達300 nm左右。

從上述原理可知，減薄過程是從所有工件中的最高點開始，逐步向下增加減薄面積至最大，并不會因為基片不平整而改變整體的平行度走勢，平整度取決于減薄設備的加工能力，如圖7和圖8所示。

1.3.1.1 設備信息

設備信息見表5。

1.3.1.2 加工參數(shù)及減薄速率

減薄原理不同于雙面及單面研磨，減薄過程無配重，而是通過伺服電機動作控制切削速率，但是切削速率取決于砂輪材質(zhì)與基片材質(zhì)是否匹配，經(jīng)過對該公司常用的材料經(jīng)過載盤轉數(shù)、砂輪轉數(shù)和伺服步進速度等參數(shù)的交叉試驗，并使用碎片率（<5%）來進行驗證，形成了適合該公司產(chǎn)品的加工參數(shù)，具體見表6。

1.3.1.3 減薄均勻性

整盤研磨后數(shù)據(jù)如圖9所示（雙面分別減薄后），極差在2 um左右，COV（標準偏差與總體平均值比值）<1.5%。

1.3.1.4 極限厚度加工能力

經(jīng)過實際確認，減薄工藝可以加工的極限厚度為0.075 mm。

2 不同研磨方式對比

不同研磨方式對比見表7。

3 研磨方式的應用

3.1 研磨應用原則

精度要求不高、厚度>0.15 mm時，可選用雙面研磨工藝，設備投入少，效率給高。

厚度低于0.15 mm的產(chǎn)品，需要選擇減薄或者單面研磨工藝或二者組合工藝。

高精度產(chǎn)品研磨前厚度一致性差、平整度不良，可以先使用雙面研磨或減薄進行處理。

單面拋光工藝視產(chǎn)品外觀及結合力情況，確定是否采用該工藝及加工參數(shù)。

3.2 實際應用

研磨工藝的制定，需要考慮產(chǎn)品的特性和要求及加工設備的能力和設備成本，并且需要對研磨液、拋光液、加工參數(shù)與基片進行匹配，目前該公司高精度基片研磨工藝為：雙面研磨→粘蠟→減薄1→單面研磨1→拋光1→解蠟→粘蠟→減薄2→單面研磨2→拋光2→解蠟。

4 研磨工藝發(fā)展趨勢

上述各設備只是各自工藝的一種代表，目前雙面研磨的設計構造已經(jīng)有更先進的機型，例如加工壓力可以從0至最大壓力區(qū)間進行無極調(diào)整，上下盤轉數(shù)可以分別控制，研磨方向也可隨意設定，加工精度有很大提高，單面研磨機也可以對工裝進行壓力無級調(diào)整，對運轉方向、速度進行控制，減薄機也有更高精度的設備型號，但是設備的選用需根據(jù)實際產(chǎn)品精度及設備成本綜合考慮。目前該公司采用的各設備完全可以滿足產(chǎn)品的工藝要求，而采購的進口研磨設備，只占設備投資的1/3左右，避免了質(zhì)量過剩、研磨成本過高的問題。

參考文獻

[1]吳曉東.單層陶瓷電容器制備技術研究[D].成都：電子科技大學，2011.

[2]李國明.鈦酸鋇陶瓷基片雙面研拋加工特性研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學， 2015.

[3]王威.超薄鈦酸鍶電瓷基片研磨加工工藝優(yōu)化[J].現(xiàn)代制造工程，2014（12）：1-4.