IC封裝的重要耗材--陶瓷劈刀

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(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**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(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。
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。
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**過(guò)焊盤(pán)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(pán)尺寸必須支持廠的鍵合點(diǎn)和尾端，焊盤(pán)長(zhǎng)軸必須在絲線的走線方向，焊盤(pán)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、合金線較硬，因此在引線鍵合的時(shí)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(qiáng)度、較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；碳化鈦比碳化鎢較柔韌，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)較加緊湊，硬度較高，較耐磨損，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**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(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**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(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**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。
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