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陶瓷劈刀又稱瓷嘴,用陶瓷作為劈刀具有硬度大、比重高、晶粒細(xì)小、產(chǎn)品的表面光潔度高等優(yōu)點(diǎn),陶瓷劈刀是微電子加工領(lǐng)域引線鍵合過程中使用的焊線工具,在封裝技術(shù)中發(fā)揮了及其重要的作用。陶瓷劈刀的運(yùn)用使現(xiàn)代微電子行業(yè)向大規(guī)集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向發(fā)展。
圖源Orbray

1、陶瓷劈刀的制備工藝技術(shù)

陶瓷劈刀內(nèi)孔尺寸小,加工精度更高,且劈刀尖端有較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。陶瓷劈刀的制備關(guān)鍵工藝技術(shù)包括:陶瓷粉體配方設(shè)計(jì)、高精度的注射成型工藝、超精密精細(xì)加工、多種表面粗糙化的處理技術(shù)等。

1)陶瓷劈刀的成分組成

陶瓷劈刀的主要制造材料是氧化鋁,高密度細(xì)顆粒的氧化鋁陶瓷具有很強(qiáng)的耐磨損和抗氧化能力,并且易于清潔,添加其它成分后在氣氛爐中燒至1600℃以上,再經(jīng)過精加工后形成用于微電子領(lǐng)域中的高壽命耗材。
①氧化鋁
標(biāo)準(zhǔn)純氧化鋁陶瓷劈刀中Al2O3含量達(dá)99.9%,密度為3.8g/cm3。氧化鋁具有多種晶型結(jié)構(gòu),最為常見的是α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O3三種。但是β-Al2O3和γ-Al2O3以及其他的晶型結(jié)構(gòu)是不完整的,在高溫下不穩(wěn)定,最后都轉(zhuǎn)變成α-Al2O3。α-Al2O3Al2O3的高溫晶型,結(jié)構(gòu)最緊密,活性低,化學(xué)穩(wěn)定性好,強(qiáng)度硬度較大,具有良好的力學(xué)性能。
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(zhǎng)。
②氧化鋯摻雜氧化鋁
鋯摻雜陶瓷劈刀的主要成分是氧化鋯增強(qiáng)氧化鋁(Zirconia toughened alumina,ZTA),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)。
③鉻摻雜氧化鋁(紅寶石)
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?jǐn)?shù)),屬于三方晶系、復(fù)三方偏方面體晶體類,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(huì)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彎、抗壓、抗錘擊等性能。此外還會(huì)影響陶瓷劈刀硬度、彈性模量和斷裂韌性等性能參數(shù)。

圖 紅寶石劈刀,圖源Orbray

2)陶瓷劈刀的制備工藝

陶瓷劈刀是一種具有垂直方向孔的軸對(duì)稱的陶瓷工具,屬于精密微結(jié)構(gòu)陶瓷部件。陶瓷劈刀通常采用高精度注射成型技術(shù)制造,也有采用壓機(jī)壓制成型,現(xiàn)有的陶瓷劈刀的制備工藝步驟為:
1)將陶瓷粉末和粘結(jié)劑進(jìn)行混合制備得到喂料;
2)將喂料注射成型/壓制成型為劈刀生坯;
3)將劈刀生坯燒結(jié)致密;
4)最后將致密化的劈刀研磨得到成品劈刀。

圖 ?陶瓷劈刀主要生產(chǎn)工藝流程
陶瓷劈刀的結(jié)構(gòu)十分精密復(fù)雜,是一種典型的精密細(xì)微難加工產(chǎn)品,材料硬度高,尺寸微小,對(duì)其關(guān)鍵尺寸的形狀精度、表面粗糙度等要求十分嚴(yán)格,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(duì)于陶瓷劈刀的質(zhì)量要求極高。

2、陶瓷劈刀在封裝中的應(yīng)用

鍵合是微電子領(lǐng)域中的關(guān)鍵工藝之一,引線鍵合是一種固相鍵合技術(shù)。陶瓷劈刀作為鍵合機(jī)的一種焊接針頭,將焊盤和引腳通過穿過陶瓷劈刀的銅線、銀線、金線等導(dǎo)電線材形成很好的電子互連,從而阻止外界中的雜質(zhì)對(duì)芯片等造成腐蝕,適用于二極管、三極管、可控硅、LED、聲表面波、芯片等線路的焊接。

圖??陶瓷劈刀在引線鍵合中的應(yīng)用,圖源華泰聯(lián)合證券研究所
陶瓷劈刀的工作過程為:采用熱壓鍵合或超聲鍵合或熱超聲鍵合的方式對(duì)焊線進(jìn)行焊接,焊線與第一焊接工位鍵合形成第一鍵合點(diǎn),然后劈刀按設(shè)定的軌跡離開第一鍵合點(diǎn),焊線在過線孔中相對(duì)劈刀滑動(dòng),使得劈刀的下端與第一鍵合點(diǎn)之間拉出一段焊線,當(dāng)劈刀運(yùn)動(dòng)至第二焊接工位的上方時(shí),劈刀下降并使焊線的另一部分與第二焊接工位鍵合形成第二鍵合點(diǎn),最后劈刀第二鍵合點(diǎn)處剪斷焊線,這樣焊線連接在第一焊接工位和第二焊接工位之間。
陶瓷劈刀是芯片鍵合工藝的核心材料之一,隨著我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展,鍵合材料市場(chǎng)需求日益旺盛。全球主要的陶瓷劈刀生產(chǎn)企業(yè)有美國(guó)K&S、瑞士SPT、韓國(guó)PECO公司等,我國(guó)的陶瓷劈刀生產(chǎn)企業(yè)三環(huán)集團(tuán)、申玥半導(dǎo)體、商德先進(jìn)陶瓷。蘇州芯合等。(推薦閱讀:半導(dǎo)體陶瓷劈刀10強(qiáng)企業(yè)

半導(dǎo)體設(shè)備需要大量的精密陶瓷部件,在半導(dǎo)體設(shè)備中,精密陶瓷的價(jià)值約占16%左右。半導(dǎo)體陶瓷有氧化鋁、氮化硅、氮化鋁、碳化硅等,可用作硅片拋光機(jī)、外延/氧化/擴(kuò)散等熱處理設(shè)備、光刻機(jī)、沉積設(shè)備,半導(dǎo)體刻蝕設(shè)備,離子注入機(jī)等設(shè)備的關(guān)鍵零部件。艾邦建有半導(dǎo)體陶瓷交流群,誠(chéng)邀半導(dǎo)體陶瓷零部件廠商、半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)、半導(dǎo)體加工企業(yè)加入,掃描下方二維碼,添加管理員微信,即可加入:

推薦活動(dòng):【邀請(qǐng)函】 2024年第六屆精密陶瓷暨功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈展覽會(huì)(深圳·8月28日-30日)

第六屆精密陶瓷暨功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈展覽會(huì)

同期舉辦:熱管理材料展

2024年8月28日-30日

深圳國(guó)際會(huì)展中心7號(hào)館(寶安新館)
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01展會(huì)規(guī)模

展出2萬平米、1,000個(gè)攤位、500多家展商、50,000名專業(yè)觀眾;匯聚IGBT/SiC功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈;熱管理材料產(chǎn)業(yè)鏈,精密陶瓷、電子陶瓷、陶瓷基板、薄膜/厚膜陶瓷電路板、陶瓷封裝管殼、LTCC/HTCC/MLCC加工產(chǎn)業(yè)鏈等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)!

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02展覽范圍

一、精密陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈:

 

 

1、陶瓷器件及材料:MLCC、LTCC、HTCC、微波介質(zhì)陶瓷、壓電陶瓷、鈦酸鋇、碳酸鋇、氧化鈦、氧化鋁、氧化鋯、玻璃粉、氮化鋁、LTCC介質(zhì)陶瓷粉體、稀土氧化物、生瓷帶等;

 

2、精密陶瓷:氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、碳化硅、氧化釔、結(jié)構(gòu)陶瓷、高溫陶瓷、透明陶瓷、陶瓷微珠、新能源陶瓷、陶瓷軸承、陶瓷球、半導(dǎo)體陶瓷(搬運(yùn)臂、陶瓷劈刀、靜電卡盤、蝕刻環(huán)……)、3D打印陶瓷、燃料電池(SOFC)隔膜片、穿戴陶瓷、光纖陶瓷插芯、陶瓷套筒、CIM、生物陶瓷等。

 

3、陶瓷基板及封裝外殼:陶瓷封裝外殼、DPC、DBC、AMB、HTCC基板、LTCC基板、薄膜電路板、厚膜電路板、陶瓷封裝基座、熱沉、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹、莫來石粉體及基板等;

 

4、金屬材料:銀粉、金粉、銅粉、鎳粉、焊料(焊片、焊膏)、MLCC用內(nèi)/外電極漿料、LTCC銀漿、金漿、鎢鉬漿料、銅漿、靶材、無氧銅帶、可伐合金、金屬?zèng)_壓件等;

 

5、助劑:陶瓷和導(dǎo)電漿料用分散劑、黏合劑、增塑劑、絮凝劑、礦化劑、消泡劑、潤(rùn)滑劑、燒結(jié)助劑等;

 

6、設(shè)備:

 

陶瓷加工設(shè)備:砂磨機(jī)、球磨機(jī)、真空脫泡機(jī)、三輥機(jī)、噴霧造粒機(jī)、干壓機(jī)、流延機(jī)、注塑機(jī)、3D打印機(jī)、模具、干燥設(shè)備、研磨機(jī)、精雕機(jī)、裁片機(jī)、激光設(shè)備、打孔機(jī)、填孔機(jī)、絲網(wǎng)印刷機(jī)、疊層機(jī)、層壓機(jī)、等靜壓機(jī)、熱切機(jī)、整平機(jī)、排膠爐、燒結(jié)爐、釬焊設(shè)備、電鍍?cè)O(shè)備、化學(xué)鍍、噴銀機(jī)、浸銀機(jī)、端銀機(jī)、真空鍍膜設(shè)備、顯影設(shè)備、去膜設(shè)備、蝕刻機(jī)、濕制程設(shè)備、等離子清洗、超聲波清洗、自動(dòng)化設(shè)備、剝離強(qiáng)度測(cè)試儀、AOI檢測(cè)設(shè)備、打標(biāo)機(jī);

 

封裝測(cè)試設(shè)備:貼片機(jī)、引線鍵合機(jī)、封蓋機(jī)、平行縫焊封帽、切筋機(jī)、釬焊設(shè)備、激光調(diào)阻機(jī)、網(wǎng)絡(luò)分析儀、熱循環(huán)測(cè)試設(shè)備、測(cè)厚儀、氦氣檢漏儀、老化設(shè)備、外觀檢測(cè)、超聲波掃描顯微鏡、X-光檢測(cè)、激光打標(biāo)、分選設(shè)備、測(cè)包編帶機(jī)等;

 

7、耗材:離型膜、載帶(塑料和紙質(zhì))、耐火材料、承燒板/匣缽(氧化鋁、剛玉莫來石、氮化硼等)、承燒網(wǎng)、發(fā)泡膠、研磨耗材(金剛石微粉、研磨液)、精密網(wǎng)版、清洗劑、電鍍藥水等。

 

二、熱管理產(chǎn)業(yè)鏈:

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1、熱管理材料:氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、石墨烯、石墨、碳納米管、空心玻璃微珠、導(dǎo)熱粉體、散熱基板、熱沉(鎢銅、鉬銅、氮化鋁、金剛石等)、鋁碳化硅AlSiC、相變材料、導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱界面材料、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱膠帶、灌封膠、熱管/均熱板;

 

2、散熱器件:半導(dǎo)體制冷片(TEC)、IGBT散熱器(銅、鋁)、大功率晶體管散熱器、通信基站散熱殼體、液態(tài)金屬散熱器、插針式散熱器等;

 

3、設(shè)備:壓延機(jī)、涂布機(jī)、分條機(jī)、模切機(jī)、復(fù)卷機(jī)、切片機(jī),CNC設(shè)備、壓鑄/沖壓設(shè)備、熱分析儀器、激光導(dǎo)熱儀、導(dǎo)熱系數(shù)儀、強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)、檢測(cè)設(shè)備、自動(dòng)化等。

 

三、功率半導(dǎo)體器件封裝產(chǎn)業(yè)鏈:

 

1、材料:碳化硅,陶瓷襯板(DBC、AMB)、封裝管殼、鍵合絲、散熱基板(銅、鋁碳化硅AlSiC)、導(dǎo)熱硅凝膠、環(huán)氧灌封膠、焊料(預(yù)制焊片)、銀膜/銀膏、散熱器(銅、鋁)、功率引出端子(銅端子)、外殼(工程塑料PPS、PBT、高溫尼龍)、清洗劑等;

2、設(shè)備及配件:真空焊接爐、貼片機(jī)、固晶機(jī)、引線鍵合機(jī)、X-ray、推拉力測(cè)試機(jī)、等離子清洗設(shè)備、點(diǎn)膠機(jī)、絲網(wǎng)印刷機(jī)、超聲波掃描設(shè)備、動(dòng)靜態(tài)測(cè)試機(jī)、點(diǎn)/灌膠機(jī)、銀燒結(jié)設(shè)備、垂直固化爐、甲酸真空共晶爐、自動(dòng)封蓋設(shè)備、高速插針機(jī)、彎折設(shè)備、超聲波焊接機(jī)、視覺檢測(cè)設(shè)備、推拉力測(cè)試機(jī)、高低溫沖擊設(shè)備、功率循環(huán)測(cè)試設(shè)備、打標(biāo)機(jī)、檢驗(yàn)平臺(tái)、治具等;

 

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作者 ab

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