陶瓷劈刀-半導(dǎo)體封裝離不開的耗材

時間：2022-08-26作者：蘇州蘇森源電子材料有限公司瀏覽：133

陶瓷劈刀，又名瓷嘴，毛細(xì)管，它作為邦定機的一個焊接針頭，適用于LED，IC芯片,二極管，三極管，可控硅,聲表面波等線路的焊接上。用陶瓷作為劈刀，硬度大，比重高，晶粒細(xì)小，產(chǎn)品的外表
光潔度高，尺寸精度高。


陶瓷劈刀廣泛用于半導(dǎo)體IC封裝，LED封裝，是封裝制程中關(guān)鍵的工具。主要產(chǎn)品為提供芯片與外部系統(tǒng)的電器連接，提供芯片穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境，對集成電路芯片起到機械和環(huán)境保護(hù)作用，提供熱能通路，保證芯片正常散熱。公司產(chǎn)品瞄準(zhǔn)市場，我們凸顯材料、工藝、加工技術(shù)的全面優(yōu)勢，聚焦高精密陶瓷行業(yè)，致力于成為國內(nèi)半導(dǎo)體鍵合工具行業(yè)的者。
在半導(dǎo)體工藝中，封裝是較重要的環(huán)節(jié)之一，其中“引線鍵合”則是用來實現(xiàn)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(jié)構(gòu)陶瓷部件。應(yīng)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。


引線鍵合（WireBonding）通過使用細(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(jīng)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(tài)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(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(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


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(xì)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(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(huán)中的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhì)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(dǎo)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(xì)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(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，在自動鍵合設(shè)備上使用時焊接次數(shù)可達(dá)到100萬次。


而為了進(jìn)一步增強陶瓷劈刀使用性能，現(xiàn)有陶瓷劈刀會在原來氧化鋁的基礎(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)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(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，減少焊線過程中陶瓷劈刀**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)三方方子面體晶類，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(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(guān)鍵尺寸包括**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。


對于這種“麻煩”的零件，陶瓷粉末注射成型技術(shù)（CIM）無疑是較適合的了——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，機加工量少，表面光潔，制備成本成本低等優(yōu)點，因而是當(dāng)今**上發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的陶瓷零部件精密制造技術(shù)，陶瓷劈刀就是較經(jīng)典的CIM件之一。


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，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程中被殘留的金屬線殘渣堵塞。下圖就是宮在磊等利用高倍顯微鏡觀測到的**被金線堵塞的陶瓷劈刀，在經(jīng)過焊線之后，**殘金不均，就會導(dǎo)致下壓深度不一樣，造成斷線和翹線。


具有**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介紹了一種鍵合機臺陶瓷劈刀清洗系統(tǒng)，采用無硝基常壓等離子體自動清洗，可以使陶瓷劈刀的使用次數(shù)達(dá)到2~3次或者更多次，使用時間和強度大大降低，由陶瓷劈刀所引起的鍵合失效概率也降低，在鍵合過程中連接較加可靠，并且能夠降低用戶成本，**解決了陶瓷劈刀殘金污染問題。

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(dǎo)體封裝劈刀等

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