氧化鋁陶瓷不一定是特種陶瓷中最大咖的一個(gè)，但絕對(duì)是存在感最高的一個(gè)，在機(jī)械、工業(yè)、電子、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，都有著大量的應(yīng)用。但是它有一項(xiàng)應(yīng)用卻稱得上是不為人知，那就是在半導(dǎo)體封裝行業(yè)中的主力操刀手——陶瓷劈刀。

陶瓷劈刀具體是做什么用的？

在了解陶瓷劈刀從事的是什么工作前，首先要了解一下半導(dǎo)體的封裝技術(shù)。在IC封裝中，芯片和引線框架（基板）的連接為電源和信號(hào)的分配提供了電路連接。有三種方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)部連接：倒裝焊、載帶自動(dòng)焊和引線鍵合。

雖然倒裝焊的應(yīng)用增長很快，能大幅度提升封裝的性能，但是過于昂貴的成本使得倒裝焊僅僅用于一些高端的產(chǎn)品上，目前90%以上的連接方式仍是引線鍵合。例如，全球最大的封測(cè)代工廠“臺(tái)灣日月光半導(dǎo)體制造公司（ASE）”，它能生產(chǎn)多種封裝類型，引線鍵合就是其中的主力。

“引線鍵合”類似于高科技縫紉機(jī)，能夠利用極細(xì)的線將一塊芯片縫到另一芯片或襯底上。引線鍵合技術(shù)主要用于低成本的傳統(tǒng)封裝，中檔封裝，內(nèi)存芯片堆疊等，具體操作可見下方視頻。

這些在引線鍵合中所使用的鍵合線材須具有以下條件：良好的力學(xué)性能、優(yōu)異的導(dǎo)電性、高的熱傳導(dǎo)性、低的線性熱膨脹系數(shù)、化學(xué)性能穩(wěn)定、較低的材料硬度等。在金屬材料中，金（Au）、銀（Ag）和銅（Cu）都能滿足以上條件，而陶瓷劈刀，正是視頻中負(fù)責(zé)將金屬材料排出并“拉絲”的器件。

不同類型的陶瓷劈刀

陶瓷劈刀的演變史

陶瓷劈刀，又名瓷嘴，毛細(xì)管，早期時(shí)劈刀的主要材質(zhì)是碳化鎢、碳化鈦和氧化鋁陶瓷等，但碳化鎢的機(jī)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(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；而高純氧化鋁，由于具有很強(qiáng)的耐磨損性能和化學(xué)穩(wěn)定性，而且導(dǎo)熱率低，因此不需要加熱劈刀本身，在自動(dòng)鍵合設(shè)備上使用時(shí)焊接次數(shù)可達(dá)到100萬次。

陶瓷劈刀的演變，很大程度上取決于鍵合線材的變化。雖然金線、銅線、銀線都是可靠的鍵合線材，但隨著黃金價(jià)格的飆升，具有比金線更好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度，且更便宜的銅線被公認(rèn)為是最有希望取代金線的線材。同時(shí)，銅的金屬間化合物生長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比金慢，因此不會(huì)產(chǎn)生柯肯德爾空洞，使得銅線鍵合的接頭性能優(yōu)于金絲鍵合。

表：常用線材金屬材料性能對(duì)比

但是，銅線在熱循環(huán)中的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)比金線差，由于銅線比金線、合金線更硬，在引線鍵合的時(shí)候需要用更大的超聲波和更大粘接力，這些因素都會(huì)影響焊接點(diǎn)一側(cè)基片的力學(xué)性能（開裂，變形）和劈刀的使用的。目前，基板和銅鍵合線的制造商都在通過提高基板和銅線的性能來減輕或避免這些問題的產(chǎn)生。

目前，對(duì)于替代較細(xì)和超細(xì)的金線的銅線，還需要解決配套的一些問題，如鍵合劈刀的設(shè)計(jì)及其材料的改進(jìn)。由于銅的硬度是金的2倍，要求陶瓷劈刀需要具有更高的耐磨損性能及可靠性，可行的一些措施有：在氧化鋁材料中加入氧化鋯（ZrO₂）增加劈刀材料的韌性和耐磨性，即增韌氧化鋁（ZTA）；另外，在經(jīng)過鋯增韌的材料中增加鉻（Cr）也可提高硬度，形成全新材料發(fā)展方向（ZTA-Cr），其燒結(jié)后形成的紅色材料顏色也使得劈刀材料在肉眼上可加于區(qū)分。

此外，還需要提高劈刀頭部維持表面粗糙度的能力，因?yàn)椴捎煤玫谋砻娲植诙戎圃旆椒軌虮ＷC劈刀在鍵合焊接的時(shí)候不容易磨損劈刀表面的粗糙度，保證劈刀的鍵合抓線力。同時(shí)，還需盡可能在保證表面粗糙度的前提下（Ra≤1，Rz≤1.5），盡可能增加表面突出的波峰的數(shù)量，從而增加劈刀和硬鍵合線的接觸面積，從而增加劈刀的使用壽命。

總結(jié)

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)成為未來替代金線的主要鍵合線。而這對(duì)于鍵合劈刀來說，陶瓷材料的改進(jìn)和端部的表面粗糙度的制作方法將成為其中關(guān)鍵，但真金不怕火煉，對(duì)于有實(shí)力的特陶企業(yè)來說，這必定將是一個(gè)極大的機(jī)遇。

資料來源：

深圳市商德先進(jìn)陶瓷股份有限公司，譚毅成——《引線鍵合中的鍵合線和陶瓷劈刀發(fā)展方向和應(yīng)對(duì)措施》

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