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鄒小姐：13326633089 -
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在半導(dǎo)體工藝中，封裝是最重要的環(huán)節(jié)之一，其中“引線鍵合”則是用來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片和基板的電路連接的主要方式。而在這個(gè)工序中有一種工具是必不可少的，就是陶瓷劈刀。
陶瓷劈刀的工作過(guò)程
陶瓷劈刀(Ceramicbonding tool)，又名瓷嘴，是一種具有垂直方向孔的軸對(duì)稱的陶瓷工具，屬于精密微結(jié)構(gòu)陶瓷部件。應(yīng)用上，陶瓷劈刀是作為引線鍵合過(guò)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。
下圖就是引線鍵合（WireBonding）的過(guò)程，通過(guò)使用細(xì)金屬線（銅、金等）以及熱、壓力、超聲波能量，能使金屬引線與基板焊盤緊密焊合，從而實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的電氣互連和芯片間的信息互通。
陶瓷劈刀作為鍵合機(jī)中的焊接針頭，就像縫紉機(jī)中的那根用于穿針引線的“縫衣針”一樣，金屬線需要經(jīng)過(guò)它才能將一塊芯片縫到另一芯片或襯底上。由于一臺(tái)鍵合機(jī)在滿荷載的工作狀態(tài)下每天需要鍵合幾百萬(wàn)個(gè)焊點(diǎn)，而每個(gè)陶瓷劈刀都有其固定的使用壽命，一旦達(dá)到額定次數(shù)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(zhì)量和生產(chǎn)的穩(wěn)定性，因此在微電子領(lǐng)域中對(duì)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(guò)程中使用的毛細(xì)管劈刀外，還有楔形鍵合中使用的楔形劈刀。兩種陶瓷劈刀有原則性的區(qū)別，具體可看下表。
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(zhǎng)度要小于100倍的絲線直徑，且鍵合頭尺寸不要超過(guò)焊盤尺寸的3/4，球尺寸一般是絲線直徑的2到3倍，細(xì)間距約1.5倍；楔形鍵合，焊盤尺寸必須支持廠的鍵合點(diǎn)和尾端，焊盤長(zhǎng)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(wú)論使用哪種類型的陶瓷劈刀，性能不達(dá)標(biāo)一切都空談。而在半導(dǎo)體封裝成本日益降低要求下，低成本的鍵合線勢(shì)在必行，因此銅線勢(shì)必會(huì)取代金線會(huì)成為未來(lái)替代金線的主要鍵合線。但是，銅線在熱循環(huán)中的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)比金線差，而且還比金線、合金線更硬，因此在引線鍵合的時(shí)候需要用更大的超聲波和更大粘接力，這就要求基板和陶瓷劈刀都需要具有更高的強(qiáng)度、更好的耐磨損性能以及可靠性，以避免封裝效果變差。對(duì)于鍵合劈刀來(lái)說(shuō)，改善陶瓷材料的制備及使用方法都是可行之道，重點(diǎn)如下：
①原料選擇
劈刀材質(zhì)的選擇有碳化鎢、碳化鈦和氧化鋁。但碳化鎢的機(jī)加工困難，不易獲得致密無(wú)孔隙的加工面，且熱導(dǎo)率高，鍵合時(shí)的熱量易被劈刀帶走；碳化鈦比碳化鎢更柔韌，但在超聲波時(shí)刀頭的振動(dòng)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(xì)顆粒的氧化鋁陶瓷具有很強(qiáng)的耐磨損和抗氧化能力，并且導(dǎo)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(jīng)過(guò)精加工后就能形成用于微電子領(lǐng)域中的高壽命耗材，在自動(dòng)鍵合設(shè)備上使用時(shí)焊接次數(shù)可達(dá)到100萬(wàn)次。
而為了進(jìn)一步增強(qiáng)陶瓷劈刀使用性能，現(xiàn)有陶瓷劈刀會(huì)在原來(lái)氧化鋁的基礎(chǔ)上添加了諸如氧化鋯、氧化鉻等，使陶瓷劈刀的分子結(jié)構(gòu)更加緊湊，硬度更高，更耐磨損，壽命延長(zhǎng)。鋯摻雜陶瓷劈刀的主要成分是氧化鋯增強(qiáng)氧化鋁，其微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)促使鋯摻雜的陶瓷劈刀具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，減少焊線過(guò)程中陶瓷劈刀尖端的磨損和更換的次數(shù)。
鉻摻雜的陶瓷劈刀顏色呈現(xiàn)出紅色，紅色來(lái)源于鉻，主要為Cr2O3，含量一般為0.5%~2.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），屬于三方晶系、復(fù)三方偏方面體晶類，密度提高到3.99~4.00g/cm3，晶體形態(tài)多呈現(xiàn)出板狀、短柱狀，集合體多呈現(xiàn)出粒狀或致密塊狀，依據(jù)Cr2O3含量的不同具有透明或者半透明的性質(zhì)，具有亮玻璃光澤，Cr2O3的摻入會(huì)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(huì)影響陶瓷劈刀的硬度、彈性模量和斷裂韌性等性能參數(shù)。
②成型工藝
很明顯，陶瓷劈刀的結(jié)構(gòu)十分精密復(fù)雜，它的關(guān)鍵尺寸對(duì)引線鍵合效果有很大影響，因此對(duì)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(guān)鍵尺寸包括尖端直徑、內(nèi)孔徑、內(nèi)切角直徑、內(nèi)切斜面角度、錐芯角度、外倒圓半徑、工作面角度等。
對(duì)于這種“麻煩”的零件，陶瓷粉末注射成型技術(shù)（CIM）無(wú)疑是最適合的了——既可大批量的生產(chǎn)小型的、精密、三維形狀復(fù)雜的特種陶瓷制件，又具備尺寸精度高，機(jī)加工量少，表面光潔，制備成本成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而是當(dāng)今國(guó)際上發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的陶瓷零部件精密制造技術(shù)，陶瓷劈刀就是最經(jīng)典的CIM件之一。
CIM工藝過(guò)程
③陶瓷劈刀的清洗
當(dāng)陶瓷劈刀不能滿足引線鍵合的焊線要求時(shí)，稱之為陶瓷劈刀的失效。造成失效的主要原因之一，就是陶瓷劈刀在多次的焊線過(guò)程中被殘留的金屬線殘?jiān)氯?。下圖就是宮在磊等利用高倍顯微鏡觀測(cè)到的尖端被金線堵塞的陶瓷劈刀，在經(jīng)過(guò)焊線之后，尖端殘金不均，就會(huì)導(dǎo)致下壓深度不一樣，造成斷線和翹線。
被堵塞的陶瓷劈刀清洗前后對(duì)比
具有長(zhǎng)壽命的陶瓷劈刀在附著殘金等雜質(zhì)之后，進(jìn)行清洗往往可以降低生產(chǎn)成本，由于陶瓷劈刀本體成分氧化鋁不與王水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，傳統(tǒng)的清洗方式為王水清洗，但是技術(shù)的進(jìn)步發(fā)現(xiàn)這種清洗方式會(huì)造成陶瓷劈刀含大量絡(luò)合物，影響焊接效果。Shinkawa介紹了一種鍵合機(jī)臺(tái)陶瓷劈刀清洗系統(tǒng)，采用無(wú)硝基常壓等離子體自動(dòng)清洗，可以使陶瓷劈刀的使用次數(shù)達(dá)到2~3次或者更多次，使用時(shí)間和強(qiáng)度大大降低，由陶瓷劈刀所引起的鍵合失效概率也降低，在鍵合過(guò)程中連接更加可靠，并且能夠降低用戶成本，完美解決了陶瓷劈刀殘金污染問(wèn)題。
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當(dāng)然，除了以上提及的三點(diǎn)外，像陶瓷劈刀燒結(jié)技術(shù)、燒結(jié)過(guò)程中需添加的助劑及使用方法、燒結(jié)之后的脫脂技術(shù)、陶瓷劈刀研磨技術(shù)等也同樣重要，這些都需要長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)的加工測(cè)試及調(diào)整，才能得出最佳結(jié)果。因此陶瓷劈刀具有很高的技術(shù)壁壘，想要實(shí)現(xiàn)以上提到的所有技術(shù)難點(diǎn)的全部攻破，金錢、時(shí)間和運(yùn)氣，三種因素缺一不可。
根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，目前陶瓷劈刀全球市場(chǎng)需求約為4200萬(wàn)只/年，其中國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占比70%，主要廠商有瑞士SPT、美國(guó)K&S和GAISER、韓國(guó)PECO和KOSMA，它們?cè)谌蚴袌?chǎng)占有率合計(jì)約90%。雖然國(guó)內(nèi)廠商在這塊還有很長(zhǎng)的路要走，但也已經(jīng)初見(jiàn)曙光，比如說(shuō)國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的電子陶瓷企業(yè)三環(huán)集團(tuán)就已完成配方研制，多個(gè)規(guī)格、類型的劈刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝開(kāi)發(fā)等工作，產(chǎn)品性能方面也已達(dá)到行業(yè)平均水平，因此未來(lái)還是相當(dāng)可期的！
資料來(lái)源：
微電子領(lǐng)域中陶瓷劈刀研究與應(yīng)用進(jìn)展，宮在磊，王秀峰，王莉麗。
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