陶瓷劈刀又称瓷嘴,用陶瓷作为劈刀具有硬度大、比重高、晶粒细小、产品的表面光洁度高等优点,陶瓷劈刀是微电子加工领域引线键合过程中使用的焊线工具,在封装技术中发挥了及其重要的作用。陶瓷劈刀的运用使现代微电子行业向大规集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向发展。
图源Orbray

1、陶瓷劈刀的制备工艺技术

陶瓷劈刀内孔尺寸小,加工精度更高,且劈刀尖端有较复杂的结构。陶瓷劈刀的制备关键工艺技术包括:陶瓷粉体配方设计、高精度的注射成型工艺、超精密精细加工、多种表面粗糙化的处理技术等。

1)陶瓷劈刀的成分组成

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,再经过精加工后形成用于微电子领域中的高寿命耗材。
①氧化铝
标准纯氧化铝陶瓷劈刀中Al2O3含量达99.9%,密度为3.8g/cm³。氧化铝具有多种晶型结构,最为常见的是α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O3三种。但是β-Al2O3和γ-Al2O3以及其他的晶型结构是不完整的,在高温下不稳定,最后都转变成α-Al2O3。α-Al2O3Al2O3的高温晶型,结构最紧密,活性低,化学稳定性好,强度硬度较大,具有良好的力学性能。
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。
②氧化锆掺杂氧化铝
锆掺杂陶瓷劈刀的主要成分是氧化锆增强氧化铝(Zirconia toughened alumina,ZTA),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。
③铬掺杂氧化铝(红宝石)
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、复三方偏方面体晶体类,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弯、抗压、抗锤击等性能。此外还会影响陶瓷劈刀硬度、弹性模量和断裂韧性等性能参数。

图 红宝石劈刀,图源Orbray

2)陶瓷劈刀的制备工艺

陶瓷劈刀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。陶瓷劈刀通常采用高精度注射成型技术制造,也有采用压机压制成型,现有的陶瓷劈刀的制备工艺步骤为:
1)将陶瓷粉末和粘结剂进行混合制备得到喂料;
2)将喂料注射成型/压制成型为劈刀生坯;
3)将劈刀生坯烧结致密;
4)最后将致密化的劈刀研磨得到成品劈刀。

图  陶瓷劈刀主要生产工艺流程
陶瓷劈刀的结构十分精密复杂,是一种典型的精密细微难加工产品,材料硬度高,尺寸微小,对其关键尺寸的形状精度、表面粗糙度等要求十分严格,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质量要求极高。

2、陶瓷劈刀在封装中的应用

键合是微电子领域中的关键工艺之一,引线键合是一种固相键合技术。陶瓷劈刀作为键合机的一种焊接针头,将焊盘和引脚通过穿过陶瓷劈刀的铜线、银线、金线等导电线材形成很好的电子互连,从而阻止外界中的杂质对芯片等造成腐蚀,适用于二极管、三极管、可控硅、LED、声表面波、芯片等线路的焊接。

图  陶瓷劈刀在引线键合中的应用,图源华泰联合证券研究所
陶瓷劈刀的工作过程为:采用热压键合或超声键合或热超声键合的方式对焊线进行焊接,焊线与第一焊接工位键合形成第一键合点,然后劈刀按设定的轨迹离开第一键合点,焊线在过线孔中相对劈刀滑动,使得劈刀的下端与第一键合点之间拉出一段焊线,当劈刀运动至第二焊接工位的上方时,劈刀下降并使焊线的另一部分与第二焊接工位键合形成第二键合点,最后劈刀第二键合点处剪断焊线,这样焊线连接在第一焊接工位和第二焊接工位之间。
陶瓷劈刀是芯片键合工艺的核心材料之一,随着我国半导体行业快速发展,键合材料市场需求日益旺盛。全球主要的陶瓷劈刀生产企业有美国K&S、瑞士SPT、韩国PECO公司等,我国的陶瓷劈刀生产企业三环集团、申玥半导体、商德先进陶瓷。苏州芯合等。(推荐阅读:半导体陶瓷劈刀10强企业

半导体设备需要大量的精密陶瓷部件,在半导体设备中,精密陶瓷的价值约占16%左右。半导体陶瓷有氧化铝、氮化硅、氮化铝、碳化硅等,可用作硅片抛光机、外延/氧化/扩散等热处理设备、光刻机、沉积设备,半导体刻蚀设备,离子注入机等设备的关键零部件。艾邦建有半导体陶瓷交流群,诚邀半导体陶瓷零部件厂商、半导体设备企业、半导体加工企业加入,扫描下方二维码,添加管理员微信,即可加入:

推荐活动:【邀请函】 2024年第六届精密陶瓷暨功率半导体产业链展览会(深圳·8月28日-30日)

第六届精密陶瓷暨功率半导体产业链展览会

同期举办:热管理材料展

2024年8月28日-30日

深圳国际会展中心7号馆(宝安新馆)
 
01展会规模

展出2万平米、1,000个摊位、500多家展商、50,000名专业观众;汇聚IGBT/SiC功率半导体产业链;热管理材料产业链,精密陶瓷、电子陶瓷、陶瓷基板、薄膜/厚膜陶瓷电路板、陶瓷封装管壳、LTCC/HTCC/MLCC加工产业链等产业链上下游企业!

 

02展览范围

一、精密陶瓷产业链:

 

 

1、陶瓷器件及材料:MLCC、LTCC、HTCC、微波介质陶瓷、压电陶瓷、钛酸钡、碳酸钡、氧化钛、氧化铝、氧化锆、玻璃粉、氮化铝、LTCC介质陶瓷粉体、稀土氧化物、生瓷带等;

 

2、精密陶瓷:氧化锆、氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化钇、结构陶瓷、高温陶瓷、透明陶瓷、陶瓷微珠、新能源陶瓷、陶瓷轴承、陶瓷球、半导体陶瓷(搬运臂、陶瓷劈刀、静电卡盘、蚀刻环……)、3D打印陶瓷、燃料电池(SOFC)隔膜片、穿戴陶瓷、光纤陶瓷插芯、陶瓷套筒、CIM、生物陶瓷等。

 

3、陶瓷基板及封装外壳:陶瓷封装外壳、DPC、DBC、AMB、HTCC基板、LTCC基板、薄膜电路板、厚膜电路板、陶瓷封装基座、热沉、氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化铍、莫来石粉体及基板等;

 

4、金属材料:银粉、金粉、铜粉、镍粉、焊料(焊片、焊膏)、MLCC用内/外电极浆料、LTCC银浆、金浆、钨钼浆料、铜浆、靶材、无氧铜带、可伐合金、金属冲压件等;

 

5、助剂:陶瓷和导电浆料用分散剂、黏合剂、增塑剂、絮凝剂、矿化剂、消泡剂、润滑剂、烧结助剂等;

 

6、设备:

 

陶瓷加工设备:砂磨机、球磨机、真空脱泡机、三辊机、喷雾造粒机、干压机、流延机、注塑机、3D打印机、模具、干燥设备、研磨机、精雕机、裁片机、激光设备、打孔机、填孔机、丝网印刷机、叠层机、层压机、等静压机、热切机、整平机、排胶炉、烧结炉、钎焊设备、电镀设备、化学镀、喷银机、浸银机、端银机、真空镀膜设备、显影设备、去膜设备、蚀刻机、湿制程设备、等离子清洗、超声波清洗、自动化设备、剥离强度测试仪、AOI检测设备、打标机;

 

封装测试设备:贴片机、引线键合机、封盖机、平行缝焊封帽、切筋机、钎焊设备、激光调阻机、网络分析仪、热循环测试设备、测厚仪、氦气检漏仪、老化设备、外观检测、超声波扫描显微镜、X-光检测、激光打标、分选设备、测包编带机等;

 

7、耗材:离型膜、载带(塑料和纸质)、耐火材料、承烧板/匣钵(氧化铝、刚玉莫来石、氮化硼等)、承烧网、发泡胶、研磨耗材(金刚石微粉、研磨液)、精密网版、清洗剂、电镀药水等。

 

二、热管理产业链:

 

1、热管理材料:氧化铝、氮化铝、氮化硼、石墨烯、石墨、碳纳米管、空心玻璃微珠、导热粉体、散热基板、热沉(钨铜、钼铜、氮化铝、金刚石等)、铝碳化硅AlSiC、相变材料、导热凝胶、导热界面材料、导热垫片、导热胶带、灌封胶、热管/均热板;

 

2、散热器件:半导体制冷片(TEC)、IGBT散热器(铜、铝)、大功率晶体管散热器、通信基站散热壳体、液态金属散热器、插针式散热器等;

 

3、设备:压延机、涂布机、分条机、模切机、复卷机、切片机,CNC设备、压铸/冲压设备、热分析仪器、激光导热仪、导热系数仪、强度试验机、检测设备、自动化等。

 

三、功率半导体器件封装产业链:

 

1、材料:碳化硅,陶瓷衬板(DBC、AMB)、封装管壳、键合丝、散热基板(铜、铝碳化硅AlSiC)、导热硅凝胶、环氧灌封胶、焊料(预制焊片)、银膜/银膏、散热器(铜、铝)、功率引出端子(铜端子)、外壳(工程塑料PPS、PBT、高温尼龙)、清洗剂等;

2、设备及配件:真空焊接炉、贴片机、固晶机、引线键合机、X-ray、推拉力测试机、等离子清洗设备、点胶机、丝网印刷机、超声波扫描设备、动静态测试机、点/灌胶机、银烧结设备、垂直固化炉、甲酸真空共晶炉、自动封盖设备、高速插针机、弯折设备、超声波焊接机、视觉检测设备、推拉力测试机、高低温冲击设备、功率循环测试设备、打标机、检验平台、治具等;

 

先进封装设备类似前道晶圆制造设备,供应商受益先进封测产业增长。随着先进封装的发展,Bumping(凸块)、Flip(倒装) 、TSV 和 RDL(重布线)等新的连接形式所需要用到的设备也越先进。以长球凸点为例,主要的工艺流程为预清洗、UBM、淀积、光刻、焊料 电镀、去胶、刻蚀、清洗、检测等,因此所需要的设备包括清洗机、PVD 设备、光刻机、 刻蚀机、电镀设备、清洗机等,材料需要包括光刻胶、显影剂、刻蚀液、清洗液等。为促进行业发展,互通有无,欢迎芯片设计、晶圆制造、装备、材料等产业链上下游加入艾邦半导体先进封装产业链交流群。

作者 d