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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、晶粒細小、產品的表面光潔度高等優點,陶瓷劈刀是微電子加工領域引線鍵合過程中使用的焊線工具,在封裝技術中發揮了及其重要的作用。陶瓷劈刀的運用使現代微電子行業向大規集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向發展。
圖源Orbray

1、陶瓷劈刀的制備工藝技術

陶瓷劈刀內孔尺寸小,加工精度更高,且劈刀尖端有較復雜的結構。陶瓷劈刀的制備關鍵工藝技術包括:陶瓷粉體配方設計、高精度的注射成型工藝、超精密精細加工、多種表面粗糙化的處理技術等。

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,高密度細顆粒的氧化鋁陶瓷具有很強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,再經過精加工后形成用于微電子領域中的高壽命耗材。
①氧化鋁
標準純氧化鋁陶瓷劈刀中Al2O3含量達99.9%,密度為3.8g/cm3。氧化鋁具有多種晶型結構,最為常見的是α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O3三種。但是β-Al2O3和γ-Al2O3以及其他的晶型結構是不完整的,在高溫下不穩定,最后都轉變成α-Al2O3。α-Al2O3Al2O3的高溫晶型,結構最緊密,活性低,化學穩定性好,強度硬度較大,具有良好的力學性能。
在原來氧化鋁的基礎上添加了諸如氧化鋯、氧化鉻等,使陶瓷劈刀的分子結構更加緊湊,硬度更高,更耐磨損,壽命延長。
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氧化鋁(Zirconia toughened alumina,ZTA),其微觀結構均勻而致密,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構促使鋯摻雜的陶瓷劈刀具有非常優異的力學性能,減少焊線過程中陶瓷劈刀尖端的磨損和更換的次數。
③鉻摻雜氧化鋁(紅寶石)
鉻摻雜的陶瓷劈刀顏色呈現出紅色,紅色來源于鉻,主要為Cr2O3,含量一般為0.5%~2.0%(質量分數),屬于三方晶系、復三方偏方面體晶體類,密度提高到3.99~4.00g/cm3,晶體形態多呈現出板狀、短柱狀,集合體多呈現出粒狀或致密塊狀,依據Cr2O3含量的不同具有透明或者半透明的性質,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彎、抗壓、抗錘擊等性能。此外還會影響陶瓷劈刀硬度、彈性模量和斷裂韌性等性能參數。

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稱的陶瓷工具,屬于精密微結構陶瓷部件。陶瓷劈刀通常采用高精度注射成型技術制造,也有采用壓機壓制成型,現有的陶瓷劈刀的制備工藝步驟為:
1)將陶瓷粉末和粘結劑進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 ?陶瓷劈刀主要生產工藝流程
陶瓷劈刀的結構十分精密復雜,是一種典型的精密細微難加工產品,材料硬度高,尺寸微小,對其關鍵尺寸的形狀精度、表面粗糙度等要求十分嚴格,能夠影響芯片的質量和生產的穩定性,因此在微電子領域中對于陶瓷劈刀的質量要求極高。

2、陶瓷劈刀在封裝中的應用

鍵合是微電子領域中的關鍵工藝之一,引線鍵合是一種固相鍵合技術。陶瓷劈刀作為鍵合機的一種焊接針頭,將焊盤和引腳通過穿過陶瓷劈刀的銅線、銀線、金線等導電線材形成很好的電子互連,從而阻止外界中的雜質對芯片等造成腐蝕,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用,圖源華泰聯合證券研究所
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焊線進行焊接,焊線與第一焊接工位鍵合形成第一鍵合點,然后劈刀按設定的軌跡離開第一鍵合點,焊線在過線孔中相對劈刀滑動,使得劈刀的下端與第一鍵合點之間拉出一段焊線,當劈刀運動至第二焊接工位的上方時,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,最后劈刀第二鍵合點處剪斷焊線,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,隨著我國半導體行業快速發展,鍵合材料市場需求日益旺盛。全球主要的陶瓷劈刀生產企業有美國K&S、瑞士SPT、韓國PECO公司等,我國的陶瓷劈刀生產企業三環集團、申玥半導體、商德先進陶瓷。蘇州芯合等。(推薦閱讀:半導體陶瓷劈刀10強企業

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

推薦活動:【邀請函】 2024年第六屆精密陶瓷暨功率半導體產業鏈展覽會(深圳·8月28日-30日)

第六屆精密陶瓷暨功率半導體產業鏈展覽會

同期舉辦:熱管理材料展

2024年8月28日-30日

深圳國際會展中心7號館(寶安新館)
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01展會規模

展出2萬平米、1,000個攤位、500多家展商、50,000名專業觀眾;匯聚IGBT/SiC功率半導體產業鏈;熱管理材料產業鏈,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加工產業鏈等產業鏈上下游企業!

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02展覽范圍

一、精密陶瓷產業鏈:

 

 

1、陶瓷器件及材料:MLCC、LTCC、HTCC、微波介質陶瓷、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、結構陶瓷、高溫陶瓷、透明陶瓷、陶瓷微珠、新能源陶瓷、陶瓷軸承、陶瓷球、半導體陶瓷(搬運臂、陶瓷劈刀、靜電卡盤、蝕刻環……)、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/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、金屬沖壓件等;

 

5、助劑:陶瓷和導電漿料用分散劑、黏合劑、增塑劑、絮凝劑、礦化劑、消泡劑、潤滑劑、燒結助劑等;

 

6、設備:

 

陶瓷加工設備:砂磨機、球磨機、真空脫泡機、三輥機、噴霧造粒機、干壓機、流延機、注塑機、3D打印機、模具、干燥設備、研磨機、精雕機、裁片機、激光設備、打孔機、填孔機、絲網印刷機、疊層機、層壓機、等靜壓機、熱切機、整平機、排膠爐、燒結爐、釬焊設備、電鍍設備、化學鍍、噴銀機、浸銀機、端銀機、真空鍍膜設備、顯影設備、去膜設備、蝕刻機、濕制程設備、等離子清洗、超聲波清洗、自動化設備、剝離強度測試儀、AOI檢測設備、打標機;

 

封裝測試設備:貼片機、引線鍵合機、封蓋機、平行縫焊封帽、切筋機、釬焊設備、激光調阻機、網絡分析儀、熱循環測試設備、測厚儀、氦氣檢漏儀、老化設備、外觀檢測、超聲波掃描顯微鏡、X-光檢測、激光打標、分選設備、測包編帶機等;

 

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

 

二、熱管理產業鏈:

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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、導熱凝膠、導熱界面材料、導熱墊片、導熱膠帶、灌封膠、熱管/均熱板;

 

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

 

3、設備:壓延機、涂布機、分條機、模切機、復卷機、切片機,CNC設備、壓鑄/沖壓設備、熱分析儀器、激光導熱儀、導熱系數儀、強度試驗機、檢測設備、自動化等。

 

三、功率半導體器件封裝產業鏈:

 

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)、導熱硅凝膠、環氧灌封膠、焊料(預制焊片)、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、設備及配件:真空焊接爐、貼片機、固晶機、引線鍵合機、X-ray、推拉力測試機、等離子清洗設備、點膠機、絲網印刷機、超聲波掃描設備、動靜態測試機、點/灌膠機、銀燒結設備、垂直固化爐、甲酸真空共晶爐、自動封蓋設備、高速插針機、彎折設備、超聲波焊接機、視覺檢測設備、推拉力測試機、高低溫沖擊設備、功率循環測試設備、打標機、檢驗平臺、治具等;

 

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作者 ab

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