在半導(dǎo)體工藝中，封裝是最重要的環(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必不可少的，就是陶瓷劈刀。

陶瓷劈刀的工作過程

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。

下圖就是引線鍵合（WireBonding）的過程，通過使用細金屬線（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，具體可看下表。

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，且鍵合頭尺寸不要超過焊盤尺寸的3/4，球尺寸一般是絲線直徑的2到3倍，細間距約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，性能不達標一切都空談。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)中的可靠性遠遠比金線差，而且還比金線、合金線更硬，因此在引線鍵合的時候需要用更大的超聲波和更大粘接力，這就要求基板和陶瓷劈刀都需要具有更高的強度、更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；碳化鈦比碳化鎢更柔韌，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)可達到100萬次。

而為了進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)更加緊湊，硬度更高，更耐磨損，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尖端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)量分數(shù)），屬于三方晶系、復(fù)三方偏方面體晶類，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)鍵尺寸包括尖端直徑、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）無疑是最適合的了——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)今國際上發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的陶瓷零部件精密制造技術(shù)，陶瓷劈刀就是最經(jīng)典的CIM件之一。

CIM工藝過程

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尖端被金線堵塞的陶瓷劈刀，在經(jīng)過焊線之后，尖端殘金不均，就會導(dǎo)致下壓深度不一樣，造成斷線和翹線。

被堵塞的陶瓷劈刀清洗前后對比

具有長壽命的陶瓷劈刀在附著殘金等雜質(zhì)之后，進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，在鍵合過程中連接更加可靠，并且能夠降低用戶成本，完美解決了陶瓷劈刀殘金污染問題。

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當(dāng)然，除了以上提及的三點外，像陶瓷劈刀燒結(jié)技術(shù)、燒結(jié)過程中需添加的助劑及使用方法、燒結(jié)之后的脫脂技術(shù)、陶瓷劈刀研磨技術(shù)等也同樣重要，這些都需要長時間反復(fù)的加工測試及調(diào)整，才能得出最佳結(jié)果。因此陶瓷劈刀具有很高的技術(shù)壁壘，想要實現(xiàn)以上提到的所有技術(shù)難點的全部攻破，金錢、時間和運氣，三種因素缺一不可。

根據(jù)市場調(diào)研，目前陶瓷劈刀全球市場需求約為4200萬只/年，其中國內(nèi)市場占比70%，主要廠商有瑞士SPT、美國K&S和GAISER、韓國PECO和KOSMA，它們在全球市場占有率合計約90%。雖然國內(nèi)廠商在這塊還有很長的路要走，但也已經(jīng)初見曙光，比如說國內(nèi)優(yōu)秀的電子陶瓷企業(yè)三環(huán)集團就已完成配方研制，多個規(guī)格、類型的劈刀結(jié)構(gòu)設(shè)計及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝開發(fā)等工作，產(chǎn)品性能方面也已達到行業(yè)平均水平，因此未來還是相當(dāng)可期的！

資料來源：

微電子領(lǐng)域中陶瓷劈刀研究與應(yīng)用進展，宮在磊，王秀峰，王莉麗。

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