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在半(ban)导体(ti)工艺中(zhong)，封装是(shi)最重要的(de)环节之一(yi)，其(qi)中(zhong)“引线(xian)键(jian)合”则是(shi)用来实现芯(xin)片(pian)和基板的(de)电路(lu)连接的(de)主(zhu)要方式。而在这个(ge)工序中(zhong)有一(yi)种工具(ju)是(shi)必不(bu)可少的(de)，就是(shi)陶(tao)瓷劈刀。

陶瓷劈刀的(de)工作过程

陶(tao)瓷劈刀(Ceramicbonding tool)，又名瓷嘴，是一种具(ju)(ju)有垂直方向孔(kong)的(de)轴对称的(de)陶瓷工具(ju)(ju)，属(shu)于精密微结构陶瓷部件。应用(yong)上，陶瓷劈刀是作(zuo)为引线(xian)(xian)键(jian)(jian)合(he)过程的(de)焊线(xian)(xian)工具(ju)(ju)使用(yong)的(de)，可用(yong)于可控硅(gui)、声表面波、LED、二极管、三极管、IC芯片等线(xian)(xian)路(lu)的(de)键(jian)(jian)合(he)封(feng)装(zhuang)。

下图就是引线键合(he)（WireBonding）的(de)过程，通过使用细金属(shu)线（铜、金等）以(yi)及热、压(ya)力、超声波能量，能使金属(shu)引线与(yu)基(ji)板(ban)焊盘紧密焊合(he)，从而实现芯片与(yu)基(ji)板(ban)间(jian)的(de)电气(qi)互连和(he)芯片间(jian)的(de)信息互通。

陶(tao)瓷劈(pi)刀作为键(jian)合机中的(de)(de)(de)焊接针(zhen)头，就像缝(feng)(feng)纫机中的(de)(de)(de)那根用于(yu)(yu)穿针(zhen)引(yin)线(xian)的(de)(de)(de)“缝(feng)(feng)衣(yi)针(zhen)”一样，金属线(xian)需(xu)(xu)要经(jing)过(guo)它才能(neng)将一块(kuai)芯片缝(feng)(feng)到(dao)另一芯片或衬底上。由(you)于(yu)(yu)一台(tai)键(jian)合机在满荷载的(de)(de)(de)工作状态下每天需(xu)(xu)要键(jian)合几百万个焊点，而每个陶(tao)瓷劈(pi)刀都(dou)有其固定的(de)(de)(de)使用寿命，一旦达到(dao)额定次数就需(xu)(xu)要更(geng)换(huan)新的(de)(de)(de)劈(pi)刀。因此可想而知，陶(tao)瓷劈(pi)刀的(de)(de)(de)需(xu)(xu)求体(ti)量有多(duo)庞大。

陶瓷劈(pi)刀的分类(lei)及(ji)制备(bei)

由于陶(tao)瓷劈(pi)刀的(de)使用能够影响(xiang)芯片的(de)质(zhi)量和(he)生产的(de)稳定性，因此在微电(dian)子(zi)领域(yu)中对(dui)于陶(tao)瓷劈(pi)刀的(de)选择(ze)是(shi)非常重要的(de)。

目(mu)前可(ke)用的(de)陶瓷劈(pi)刀，除了球形键合过(guo)程中使(shi)用的(de)毛细管劈(pi)刀外，还有楔形键合中使(shi)用的(de)楔形劈(pi)刀。两种陶瓷劈(pi)刀有原则性的(de)区别，具体可(ke)看下表。

类型(xing)不(bu)同，键(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)方(fang)式自然也不(bu)同。球(qiu)形键(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)的(de)一般弧度(du)高度(du)是150μm，弧度(du)长度(du)要小于(yu)100倍(bei)(bei)的(de)丝(si)线直(zhi)径，且键(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)头尺(chi)寸不(bu)要超过焊(han)盘(pan)尺(chi)寸的(de)3/4，球(qiu)尺(chi)寸一般是丝(si)线直(zhi)径的(de)2到(dao)3倍(bei)(bei)，细间(jian)(jian)距约1.5倍(bei)(bei)；楔(xie)形键(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)，焊(han)盘(pan)尺(chi)寸必(bi)须(xu)支持厂的(de)键(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)点和尾端，焊(han)盘(pan)长轴必(bi)须(xu)在丝(si)线的(de)走线方(fang)向，焊(han)盘(pan)间(jian)(jian)距因(yin)适合(he)于(yu)固定的(de)键(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)间(jian)(jian)距。

但无论使(shi)用哪种类型的陶瓷劈刀，性能不达(da)标一切(qie)都空谈。而在(zai)(zai)半导体封装成(cheng)本(ben)日益(yi)降低(di)要(yao)(yao)求下(xia)，低(di)成(cheng)本(ben)的键合(he)线(xian)(xian)(xian)(xian)势在(zai)(zai)必行(xing)，因(yin)此(ci)铜线(xian)(xian)(xian)(xian)势必会取代金线(xian)(xian)(xian)(xian)会成(cheng)为(wei)未(wei)来替代金线(xian)(xian)(xian)(xian)的主(zhu)要(yao)(yao)键合(he)线(xian)(xian)(xian)(xian)。但是(shi)，铜线(xian)(xian)(xian)(xian)在(zai)(zai)热循环中的可靠性远(yuan)远(yuan)比金线(xian)(xian)(xian)(xian)差(cha)，而且(qie)还比金线(xian)(xian)(xian)(xian)、合(he)金线(xian)(xian)(xian)(xian)更硬(ying)，因(yin)此(ci)在(zai)(zai)引线(xian)(xian)(xian)(xian)键合(he)的时候需要(yao)(yao)用更大的超声波和(he)更大粘接力，这就要(yao)(yao)求基板和(he)陶瓷劈(pi)刀(dao)都需要(yao)(yao)具有更高的强度(du)、更好的耐磨损性能以(yi)及可靠性，以(yi)避免封装效果变差(cha)。对于(yu)键合(he)劈(pi)刀(dao)来说，改善(shan)陶瓷材(cai)料(liao)的制(zhi)备及使用方法都是(shi)可行(xing)之道，重点如下(xia)：

①原料选(xuan)择

劈(pi)(pi)刀材质的选择(ze)有碳(tan)化(hua)(hua)钨(wu)、碳(tan)化(hua)(hua)钛(tai)和氧化(hua)(hua)铝。但碳(tan)化(hua)(hua)钨(wu)的机加工困难，不易获得(de)致(zhi)密(mi)无孔隙的加工面，且热导率高，键合时的热量易被劈(pi)(pi)刀带走(zou)；碳(tan)化(hua)(hua)钛(tai)比(bi)碳(tan)化(hua)(hua)钨(wu)更柔韧，但在超声波(bo)时刀头的振动(dong)振幅比(bi)碳(tan)化(hua)(hua)钨(wu)劈(pi)(pi)刀大。

因此目(mu)前陶瓷劈刀的主(zhu)要制造材料是氧化铝，高密度(du)细颗粒的氧化铝陶瓷具有很强的耐磨损和抗氧化能(neng)力，并且(qie)导热率低，易于清洁，添加其(qi)它成分后在气氛炉(lu)中(zhong)(zhong)烧至(zhi)1600℃以上，再经过(guo)精加工(gong)后就能(neng)形(xing)成用(yong)于微电子领域中(zhong)(zhong)的高寿命耗材，在自动键合设备上使(shi)用(yong)时焊接次(ci)数可达到100万(wan)次(ci)。

而为了(le)进一(yi)步增(zeng)强陶(tao)瓷劈刀使用性能，现有(you)陶(tao)瓷劈刀会在原来氧化(hua)铝的基础上添加了(le)诸(zhu)如氧化(hua)锆、氧化(hua)铬(ge)等，使(shi)陶(tao)瓷(ci)劈刀(dao)的(de)(de)分子结(jie)构更加(jia)紧(jin)凑，硬度更高，更耐磨损(sun)，寿命(ming)延长。锆(gao)掺(chan)杂陶(tao)瓷(ci)劈刀(dao)的(de)(de)主要(yao)成分是氧(yang)化锆(gao)增强氧(yang)化铝(lv)，其微观结(jie)构均匀而(er)致密(mi)，密(mi)度提高到4.3g/cm3。四方相氧(yang)化锆(gao)的(de)(de)含(han)量和(he)均匀致密(mi)的(de)(de)微观结(jie)构促使(shi)锆(gao)掺(chan)杂的(de)(de)陶(tao)瓷(ci)劈刀(dao)具(ju)有非常(chang)优异的(de)(de)力学性能，减(jian)少焊线(xian)过程中陶(tao)瓷(ci)劈刀(dao)尖端的(de)(de)磨损(sun)和(he)更换的(de)(de)次数。

铬(ge)掺杂的(de)陶瓷劈(pi)刀(dao)(dao)(dao)颜色(se)(se)呈现出(chu)(chu)红(hong)色(se)(se)，红(hong)色(se)(se)来源于铬(ge)，主要为Cr2O3，含量一般为0.5%~2.0%（质量分数(shu)），属于三(san)方(fang)晶(jing)系、复三(san)方(fang)偏方(fang)面体(ti)(ti)晶(jing)类，密(mi)(mi)度(du)提高到3.99~4.00g/cm3，晶(jing)体(ti)(ti)形态多(duo)呈现出(chu)(chu)板状(zhuang)、短柱状(zhuang)，集合体(ti)(ti)多(duo)呈现出(chu)(chu)粒(li)状(zhuang)或(huo)(huo)致(zhi)密(mi)(mi)块状(zhuang)，依(yi)据Cr2O3含量的(de)不同(tong)具有透(tou)明或(huo)(huo)者(zhe)半透(tou)明的(de)性(xing)质，具有亮玻璃(li)光泽，Cr2O3的(de)掺入(ru)会使陶瓷劈(pi)刀(dao)(dao)(dao)的(de)密(mi)(mi)度(du)增大、晶(jing)粒(li)尺寸变小(xiao)、脆性(xing)减小(xiao)，从而赋予陶瓷劈(pi)刀(dao)(dao)(dao)出(chu)(chu)色(se)(se)的(de)抗压、抗弯、抗锤击(ji)等性(xing)能，除此之外，还(hai)会影响陶瓷劈(pi)刀(dao)(dao)(dao)的(de)硬度(du)、弹性(xing)模(mo)量和断裂韧性(xing)等性(xing)能参数(shu)。

②成型工艺

很明(ming)显(xian)，陶瓷劈刀的结(jie)构(gou)十(shi)分精(jing)密复杂(za)，它(ta)的关键(jian)尺寸(cun)对引线键(jian)合效果有很大影响，因此对精(jing)度(du)的要求很高，还(hai)不能(neng)存在太多(duo)微裂纹影响其使(shi)用(yong)性能(neng)。关键(jian)尺寸(cun)包(bao)括(kuo)尖端直径(jing)、内孔径(jing)、内切角(jiao)直径(jing)、内切斜面(mian)角(jiao)度(du)、锥(zhui)芯角(jiao)度(du)、外(wai)倒圆(yuan)半(ban)径(jing)、工作(zuo)面(mian)角(jiao)度(du)等。

对于这种“麻烦”的(de)零件，陶瓷粉末注射成型技(ji)术（CIM）无(wu)疑是最(zui)适合的了(le)——既可大批量(liang)的生产小(xiao)型(xing)的、精密、三维形状(zhuang)复杂的特种陶(tao)瓷(ci)制(zhi)件，又具备(bei)尺寸精度高，机加工(gong)量(liang)少，表面光洁(jie)，制(zhi)备(bei)成本成本低等优点，因而是当今国际上发展最(zui)快、应(ying)用(yong)最(zui)广的陶(tao)瓷(ci)零部件精密制(zhi)造技术，陶(tao)瓷(ci)劈刀就(jiu)是最(zui)经典的CIM件之一。

CIM工艺过程

③陶(tao)瓷(ci)劈刀的清洗

当陶(tao)瓷(ci)(ci)劈(pi)刀(dao)不能满(man)足引线(xian)(xian)(xian)(xian)键(jian)合(he)的(de)(de)焊线(xian)(xian)(xian)(xian)要(yao)求(qiu)时，称(cheng)之为(wei)陶(tao)瓷(ci)(ci)劈(pi)刀(dao)的(de)(de)失效。造成失效的(de)(de)主要(yao)原因(yin)之一(yi)，就是陶(tao)瓷(ci)(ci)劈(pi)刀(dao)在多次的(de)(de)焊线(xian)(xian)(xian)(xian)过程中被残留的(de)(de)金(jin)属线(xian)(xian)(xian)(xian)残渣堵塞(sai)。下(xia)图就是宫在磊等利用高倍显微(wei)镜观测到的(de)(de)尖端被金(jin)线(xian)(xian)(xian)(xian)堵塞(sai)的(de)(de)陶(tao)瓷(ci)(ci)劈(pi)刀(dao)，在经过焊线(xian)(xian)(xian)(xian)之后(hou)，尖端残金(jin)不均，就会导致下(xia)压深度不一(yi)样，造成断(duan)线(xian)(xian)(xian)(xian)和翘线(xian)(xian)(xian)(xian)。

被(bei)堵塞的(de)陶瓷劈(pi)刀清(qing)洗前(qian)后对(dui)比

具有长寿命的陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)劈(pi)刀(dao)在附着残(can)金(jin)等(deng)杂(za)质之后，进行清(qing)(qing)洗往(wang)往(wang)可以(yi)降(jiang)(jiang)低(di)生产成(cheng)本，由于(yu)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)劈(pi)刀(dao)本体成(cheng)分氧化(hua)铝不与王水发生化(hua)学反应，传统(tong)的清(qing)(qing)洗方式(shi)(shi)为王水清(qing)(qing)洗，但是技术的进步发现这种清(qing)(qing)洗方式(shi)(shi)会(hui)造(zao)成(cheng)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)劈(pi)刀(dao)含(han)大量(liang)络合(he)物(wu)，影响焊接效果。Shinkawa介绍了(le)一种键合(he)机(ji)台陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)劈(pi)刀(dao)清(qing)(qing)洗系统(tong)，采用(yong)无硝(xiao)基(ji)常压等(deng)离(li)子(zi)体自动清(qing)(qing)洗，可以(yi)使(shi)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)劈(pi)刀(dao)的使(shi)用(yong)次(ci)数达到(dao)2~3次(ci)或者更多次(ci)，使(shi)用(yong)时间和强度大大降(jiang)(jiang)低(di)，由陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)劈(pi)刀(dao)所引起的键合(he)失效概率(lv)也(ye)降(jiang)(jiang)低(di)，在键合(he)过(guo)程中连接更加可靠，并且能够降(jiang)(jiang)低(di)用(yong)户成(cheng)本，完美(mei)解决了(le)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)劈(pi)刀(dao)残(can)金(jin)污(wu)染问题。

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当(dang)然，除了以(yi)上提(ti)(ti)及(ji)的(de)(de)(de)三点(dian)外，像(xiang)陶瓷(ci)劈刀(dao)烧(shao)(shao)结(jie)(jie)技(ji)术(shu)(shu)、烧(shao)(shao)结(jie)(jie)过程中需(xu)添加的(de)(de)(de)助剂(ji)及(ji)使用方法、烧(shao)(shao)结(jie)(jie)之后的(de)(de)(de)脱(tuo)脂技(ji)术(shu)(shu)、陶瓷(ci)劈刀(dao)研磨技(ji)术(shu)(shu)等也同(tong)样重要，这些都需(xu)要长时间反复的(de)(de)(de)加工测(ce)试及(ji)调整，才能(neng)得出最佳结(jie)(jie)果。因(yin)此陶瓷(ci)劈刀(dao)具有(you)很高的(de)(de)(de)技(ji)术(shu)(shu)壁垒，想要实现以(yi)上提(ti)(ti)到的(de)(de)(de)所有(you)技(ji)术(shu)(shu)难点(dian)的(de)(de)(de)全部攻破，金钱、时间和运气，三种因(yin)素缺一不(bu)可(ke)。

根据市场调研(yan)，目(mu)前(qian)陶瓷劈(pi)刀(dao)全(quan)球(qiu)市场需求约为(wei)4200万只/年(nian)，其中(zhong)国(guo)内(nei)市场占(zhan)比70%，主要厂商(shang)有瑞(rui)士SPT、美(mei)国(guo)K&S和(he)GAISER、韩(han)国(guo)PECO和(he)KOSMA，它们(men)在全(quan)球(qiu)市场占(zhan)有率合计约90%。虽然国(guo)内(nei)厂商(shang)在这块(kuai)还(hai)有很长(zhang)的路要走，但(dan)也已(yi)经初见曙光，比如说(shuo)国(guo)内(nei)优秀的电子陶瓷企业(ye)三环集团就已(yi)完成配(pei)方(fang)研(yan)制，多个规格、类型的劈(pi)刀(dao)结构设计及产业(ye)化生产工艺开发等工作，产品性能方(fang)面也已(yi)达到(dao)行(xing)业(ye)平(ping)均水平(ping)，因此未来还(hai)是相当(dang)可期(qi)的！

资料来源：

微(wei)电子领域中(zhong)陶瓷劈刀研究与(yu)应用(yong)进展，宫在(zai)磊(lei)，王(wang)秀峰，王(wang)莉(li)丽。

粉体圈NANA整(zheng)理