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很多人都不了解的特种陶瓷妙用——陶瓷劈刀
2019年09月18日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:491
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氧化铝陶瓷不一定是特种陶瓷中最大咖的一个,但绝对是存在感最高的一个,在机械、工业、电子、医学等多个领域,都有着大量的应用。但是它有一项应用却称得上是不为人知,那就是在半导体封装行业中的主力操刀手——陶瓷劈刀。

陶瓷劈刀具体是做什么用的?

在了解陶瓷劈刀从事的是什么工作前,首先要了解一下半导体的封装技术。在IC封装中,芯片和引线框架(基板)的连接为电源和信号的分配提供了电路连接。有三种方式实现内部连接:倒装焊、载带自动焊和引线键合

虽然倒装焊的应用增长很快,能大幅度提升封装的性能,但是过于昂贵的成本使得倒装焊仅仅用于一些高端的产品上,目前90%以上的连接方式仍是引线键合。例如,全球最大的封测代工厂“台湾日月光半导体制造公司(ASE)”,它能生产多种封装类型,引线键合就是其中的主力。

“引线键合”类似于高科技缝纫机,能够利用极细的线将一块芯片缝到另一芯片或衬底上。引线键合技术主要用于低成本的传统封装,中档封装,内存芯片堆叠等,具体操作可见下方视频。

这些在引线键合中所使用的键合线材须具有以下条件:良好的力学性能、优异的导电性、高的热传导性、低的线性热膨胀系数、化学性能稳定、较低的材料硬度等。在金属材料中,金(Au)、银(Ag)和铜(Cu)都能满足以上条件,而陶瓷劈刀,正是视频中负责将金属材料排出并“拉丝”的器件。

 

不同类型的陶瓷劈刀

陶瓷劈刀的演变史

陶瓷劈刀,又名瓷嘴,毛细管,早期时劈刀的主要材质是碳化钨、碳化钛和氧化铝陶瓷等,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;而高纯氧化铝,由于具有很强的耐磨损性能和化学稳定性,而且导热率低,因此不需要加热劈刀本身,在自动键合设备上使用时焊接次数可达到100万次。

陶瓷劈刀的演变,很大程度上取决于键合线材的变化。虽然金线、铜线、银线都是可靠的键合线材,但随着黄金价格的飙升,具有比金线更好的导电性、导热性和机械强度,且更便宜的铜线被公认为是最有希望取代金线的线材。同时,铜的金属间化合物生长速度远远比金慢,因此不会产生柯肯德尔空洞,使得铜线键合的接头性能优于金丝键合。

表:常用线材金属材料性能对比

材料

相对导电率(%)

抗拉强度(N/mm2

布氏硬度(HB)

价格

71

130~140

20

100

160~180

25

95

200~220

40

 

但是,铜线在热循环中的可靠性远远比金线差,由于铜线比金线、合金线更硬,在引线键合的时候需要用更大的超声波和更大粘接力,这些因素都会影响焊接点一侧基片的力学性能(开裂,变形)和劈刀的使用的。目前,基板和铜键合线的制造商都在通过提高基板和铜线的性能来减轻或避免这些问题的产生。

目前,对于替代较细和超细的金线的铜线,还需要解决配套的一些问题,如键合劈刀的设计及其材料的改进。由于铜的硬度是金的2倍,要求陶瓷劈刀需要具有更高的耐磨损性能及可靠性,可行的一些措施有:在氧化铝材料中加入氧化锆(ZrO2增加劈刀材料的韧性和耐磨性,即增韧氧化铝(ZTA);另外,在经过锆增韧的材料中增加铬(Cr)也可提高硬度,形成全新材料发展方向(ZTA-Cr),其烧结后形成的红色材料颜色也使得劈刀材料在肉眼上可加于区分。

此外,还需要提高劈刀头部维持表面粗糙度的能力,因为采用好的表面粗糙度制造方法能够保证劈刀在键合焊接的时候不容易磨损劈刀表面的粗糙度,保证劈刀的键合抓线力。同时,还需尽可能在保证表面粗糙度的前提下(Ra≤1,Rz≤1.5),尽可能增加表面突出的波峰的数量,从而增加劈刀和硬键合线的接触面积,从而增加劈刀的使用寿命。

总结

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,因此铜线势必会成为未来替代金线的主要键合线。而这对于键合劈刀来说,陶瓷材料的改进和端部的表面粗糙度的制作方法将成为其中关键,但真金不怕火炼,对于有实力的特陶企业来说,这必定将是一个极大的机遇。

资料来源:

深圳市商德先进陶瓷股份有限公司,谭毅成——《引线键合中的键合线和陶瓷劈刀发展方向和应对措施》

粉体圈 小榆整理


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