在半导体工艺中，封装是最重要的环节之一，其中“引线键合”则是用来实现芯片和基板的电路连接的主要方式。而在这个工序中有一种工具是必不可少的，就是陶瓷劈刀。

陶瓷劈刀的工作过程

陶瓷劈刀(Ceramicbonding tool)，又名瓷嘴，是一种具有垂直方向孔的轴对称的陶瓷工具，属于精密微结构陶瓷部件。应用上，陶瓷劈刀是作为引线键合过程的焊线工具使用的，可用于可控硅、声表面波、LED、二极管、三极管、IC芯片等线路的键合封装。

下图就是引线键合（WireBonding）的过程，通过使用细金属线（铜、金等）以及热、压力、超声波能量，能使金属引线与基板焊盘紧密焊合，从而实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。

陶瓷劈刀作为键合机中的焊接针头，就像缝纫机中的那根用于穿针引线的“缝衣针”一样，金属线需要经过它才能将一块芯片缝到另一芯片或衬底上。由于一台键合机在满荷载的工作状态下每天需要键合几百万个焊点，而每个陶瓷劈刀都有其固定的使用寿命，一旦达到额定次数就需要更换新的劈刀。因此可想而知，陶瓷劈刀的需求体量有多庞大。

陶瓷劈刀的分类及制备

由于陶瓷劈刀的使用能够影响芯片的质量和生产的稳定性，因此在微电子领域中对于陶瓷劈刀的选择是非常重要的。

目前可用的陶瓷劈刀，除了球形键合过程中使用的毛细管劈刀外，还有楔形键合中使用的楔形劈刀。两种陶瓷劈刀有原则性的区别，具体可看下表。

类型不同，键合方式自然也不同。球形键合的一般弧度高度是150μm，弧度长度要小于100倍的丝线直径，且键合头尺寸不要超过焊盘尺寸的3/4，球尺寸一般是丝线直径的2到3倍，细间距约1.5倍；楔形键合，焊盘尺寸必须支持厂的键合点和尾端，焊盘长轴必须在丝线的走线方向，焊盘间距因适合于固定的键合间距。

但无论使用哪种类型的陶瓷劈刀，性能不达标一切都空谈。而在半导体封装成本日益降低要求下，低成本的键合线势在必行，因此铜线势必会取代金线会成为未来替代金线的主要键合线。但是，铜线在热循环中的可靠性远远比金线差，而且还比金线、合金线更硬，因此在引线键合的时候需要用更大的超声波和更大粘接力，这就要求基板和陶瓷劈刀都需要具有更高的强度、更好的耐磨损性能以及可靠性，以避免封装效果变差。对于键合劈刀来说，改善陶瓷材料的制备及使用方法都是可行之道，重点如下：

①原料选择

劈刀材质的选择有碳化钨、碳化钛和氧化铝。但碳化钨的机加工困难，不易获得致密无孔隙的加工面，且热导率高，键合时的热量易被劈刀带走；碳化钛比碳化钨更柔韧，但在超声波时刀头的振动振幅比碳化钨劈刀大。

因此目前陶瓷劈刀的主要制造材料是氧化铝，高密度细颗粒的氧化铝陶瓷具有很强的耐磨损和抗氧化能力，并且导热率低，易于清洁，添加其它成分后在气氛炉中烧至1600℃以上，再经过精加工后就能形成用于微电子领域中的高寿命耗材，在自动键合设备上使用时焊接次数可达到100万次。

而为了进一步增强陶瓷劈刀使用性能，现有陶瓷劈刀会在原来氧化铝的基础上添加了诸如氧化锆、氧化铬等，使陶瓷劈刀的分子结构更加紧凑，硬度更高，更耐磨损，寿命延长。锆掺杂陶瓷劈刀的主要成分是氧化锆增强氧化铝，其微观结构均匀而致密，密度提高到4.3g/cm3。四方相氧化锆的含量和均匀致密的微观结构促使锆掺杂的陶瓷劈刀具有非常优异的力学性能，减少焊线过程中陶瓷劈刀尖端的磨损和更换的次数。

铬掺杂的陶瓷劈刀颜色呈现出红色，红色来源于铬，主要为Cr2O3，含量一般为0.5%~2.0%（质量分数），属于三方晶系、复三方偏方面体晶类，密度提高到3.99~4.00g/cm3，晶体形态多呈现出板状、短柱状，集合体多呈现出粒状或致密块状，依据Cr2O3含量的不同具有透明或者半透明的性质，具有亮玻璃光泽，Cr2O3的掺入会使陶瓷劈刀的密度增大、晶粒尺寸变小、脆性减小，从而赋予陶瓷劈刀出色的抗压、抗弯、抗锤击等性能，除此之外，还会影响陶瓷劈刀的硬度、弹性模量和断裂韧性等性能参数。

②成型工艺

很明显，陶瓷劈刀的结构十分精密复杂，它的关键尺寸对引线键合效果有很大影响，因此对精度的要求很高，还不能存在太多微裂纹影响其使用性能。关键尺寸包括尖端直径、内孔径、内切角直径、内切斜面角度、锥芯角度、外倒圆半径、工作面角度等。

对于这种“麻烦”的零件，陶瓷粉末注射成型技术（CIM）无疑是最适合的了——既可大批量的生产小型的、精密、三维形状复杂的特种陶瓷制件，又具备尺寸精度高，机加工量少，表面光洁，制备成本成本低等优点，因而是当今国际上发展最快、应用最广的陶瓷零部件精密制造技术，陶瓷劈刀就是最经典的CIM件之一。

CIM工艺过程

③陶瓷劈刀的清洗

当陶瓷劈刀不能满足引线键合的焊线要求时，称之为陶瓷劈刀的失效。造成失效的主要原因之一，就是陶瓷劈刀在多次的焊线过程中被残留的金属线残渣堵塞。下图就是宫在磊等利用高倍显微镜观测到的尖端被金线堵塞的陶瓷劈刀，在经过焊线之后，尖端残金不均，就会导致下压深度不一样，造成断线和翘线。

被堵塞的陶瓷劈刀清洗前后对比

具有长寿命的陶瓷劈刀在附着残金等杂质之后，进行清洗往往可以降低生产成本，由于陶瓷劈刀本体成分氧化铝不与王水发生化学反应，传统的清洗方式为王水清洗，但是技术的进步发现这种清洗方式会造成陶瓷劈刀含大量络合物，影响焊接效果。Shinkawa介绍了一种键合机台陶瓷劈刀清洗系统，采用无硝基常压等离子体自动清洗，可以使陶瓷劈刀的使用次数达到2~3次或者更多次，使用时间和强度大大降低，由陶瓷劈刀所引起的键合失效概率也降低，在键合过程中连接更加可靠，并且能够降低用户成本，完美解决了陶瓷劈刀残金污染问题。

——————————————

当然，除了以上提及的三点外，像陶瓷劈刀烧结技术、烧结过程中需添加的助剂及使用方法、烧结之后的脱脂技术、陶瓷劈刀研磨技术等也同样重要，这些都需要长时间反复的加工测试及调整，才能得出最佳结果。因此陶瓷劈刀具有很高的技术壁垒，想要实现以上提到的所有技术难点的全部攻破，金钱、时间和运气，三种因素缺一不可。

根据市场调研，目前陶瓷劈刀全球市场需求约为4200万只/年，其中国内市场占比70%，主要厂商有瑞士SPT、美国K&S和GAISER、韩国PECO和KOSMA，它们在全球市场占有率合计约90%。虽然国内厂商在这块还有很长的路要走，但也已经初见曙光，比如说国内优秀的电子陶瓷企业三环集团就已完成配方研制，多个规格、类型的劈刀结构设计及产业化生产工艺开发等工作，产品性能方面也已达到行业平均水平，因此未来还是相当可期的！

 

资料来源：

微电子领域中陶瓷劈刀研究与应用进展，宫在磊，王秀峰，王莉丽。

 

粉体圈NANA整理

本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。