IC封裝的重要耗材--陶瓷劈刀

在半導體工藝中，封裝是較重要的環節之一，其中“引線鍵合”則是用來實現芯片和基板的電路連接的主要方式。而在這個工序中有一種工具是**的，就是陶瓷劈刀。
陶瓷劈刀(ceramicbonding tool)，又名瓷嘴，是一種具有垂直方向孔的軸對稱的陶瓷工具，屬于精密微結構陶瓷部件。應用上，陶瓷劈刀是作為引線鍵合過程的焊線工具使用的，可用于可控硅、聲表面波、led、二極管、三極管、ic芯片等線路的鍵合封裝。
陶瓷劈刀作為鍵合機中的焊接針頭，就像縫紉機中的那根用于穿針引線的“縫衣針”一樣，金屬線需要經過它才能將一塊芯片縫到另一芯片或襯底上。由于一臺鍵合機在滿荷載的工作狀態下每天需要鍵合幾百萬個焊點，而每個陶瓷劈刀都有其固定的使用壽命，一旦達到額定次數就需要更換新的劈刀。因此可想而知，陶瓷劈刀的需求體量有多龐大。
陶瓷劈刀的分類及制備
由于陶瓷劈刀的使用能夠影響芯片的質量和生產的穩定性，因此在微電子領域中對于陶瓷劈刀的選擇是非常重要的。
目前可用的陶瓷劈刀，除了球形鍵合過程中使用的毛細管劈刀外，還有楔形鍵合中使用的楔形劈刀。
類型不同，鍵合方式自然也不同。球形鍵合的一般弧度高度是150μm，弧度長度要小于100倍的絲線直徑，且鍵合頭尺寸不要**過焊盤尺寸的3/4，球尺寸一般是絲線直徑的2到3倍，細間距約1.5倍；楔形鍵合，焊盤尺寸必須支持廠的鍵合點和尾端，焊盤長軸必須在絲線的走線方向，焊盤間距因適合于固定的鍵合間距。
但無論使用哪種類型的陶瓷劈刀，性能不達標一切都空談。而在半導體封裝成本日益降低要求下，低成本的鍵合線勢在必行，因此銅線勢必會取代金線會成為未來替代金線的主要鍵合線。但是，銅線在熱循環中的可靠性遠遠比金線差，而且還比金線、合金線較硬，因此在引線鍵合的時候需要用較大的超聲波和較大粘接力，這就要求基板和陶瓷劈刀都需要具有較高的強度、較好的耐磨損性能以及可靠性，以避免封裝效果變差。對于鍵合劈刀來說，改善陶瓷材料的制備及使用方法都是可行之道，重點如下：
①原料選擇
劈刀材質的選擇有碳化鎢、碳化鈦和氧化鋁。但碳化鎢的機加工困難，不易獲得致密無孔隙的加工面，且熱導率高，鍵合時的熱量易被劈刀帶走；碳化鈦比碳化鎢較柔韌，但在超聲波時刀頭的振動振幅比碳化鎢劈刀大。
因此目前陶瓷劈刀的主要制造材料是氧化鋁，高密度細顆粒的氧化鋁陶瓷具有很強的耐磨損和抗氧化能力，并且導熱率低，易于清潔，添加其它成分后在氣氛爐中燒至1600℃以上，再經過精加工后就能形成用于微電子領域中的高壽命耗材，在自動鍵合設備上使用時焊接次數可達到100萬次。
而為了進一步增強陶瓷劈刀使用性能，現有陶瓷劈刀會在原來氧化鋁的基礎上添加了諸如氧化鋯、氧化鉻等，使陶瓷劈刀的分子結構較加緊湊，硬度較高，較耐磨損，壽命延長。鋯摻雜陶瓷劈刀的主要成分是氧化鋯增強氧化鋁，其微觀結構均勻而致密，密度提高到4.3g/cm3。四方相氧化鋯的含量和均勻致密的微觀結構促使鋯摻雜的陶瓷劈刀具有非常優異的力學性能，減少焊線過程中陶瓷劈刀**的磨損和更換的次數。
鉻摻雜的陶瓷劈刀顏色呈現出紅色，紅色來源于鉻，主要為cr2o3，含量一般為0.5%~2.0%（質量分數），屬于三方晶系、復三方方子面體晶類，密度提高到3.99~4.00g/cm3，晶體形態多呈現出板狀、短柱狀，集合體多呈現出粒狀或致密塊狀，依據cr2o3含量的不同具有透明或者半透明的性質，具有亮玻璃光澤，cr2o3的摻入會使陶瓷劈刀的密度增大、晶粒尺寸變小、脆性減小，從而賦予陶瓷劈刀出色的抗壓、抗彎、抗錘擊等性能，除此之外，還會影響陶瓷劈刀的硬度、彈性模量和斷裂韌性等性能參數。
②成型工藝
很明顯，陶瓷劈刀的結構十分精密復雜，它的關鍵尺寸對引線鍵合效果有很大影響，因此對精度的要求很高，還不能存在太多微裂紋影響其使用性能。關鍵尺寸包括**直徑、內孔徑、內切角直徑、內切斜面角度、錐芯角度、外倒圓半徑、工作面角度等。
對于這種“麻煩”的零件，陶瓷粉末注射成型技術（cim）無疑是較適合的了——既可大批量的生產小型的、精密、三維形狀復雜的特種陶瓷制件，又具備尺寸精度高，機加工量少，表面光潔，制備成本成本低等優點，因而是當今**上發展較快、應用較廣的陶瓷零部件精密制造技術，陶瓷劈刀就是較經典的cim件之一。
蘇州蘇森源電子材料有限公司專注于陶瓷劈刀,陶瓷瓷嘴,半導體封裝劈刀等