中國(guó)粉體網(wǎng)訊 今天我們來(lái)講一下劈刀，它可不是下圖中的這種長(zhǎng)長(zhǎng)的大砍刀，它的用途也不是用來(lái)砍柴的，而是半導(dǎo)體封裝操作中至關(guān)重要的部件。
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劈刀是什么？
在IC封裝中，芯片和引線框架（基板）的連接為電源和信號(hào)的分配提供了電路連接，實(shí)現(xiàn)上述電路連接主要有倒裝焊、載帶自動(dòng)焊和引線鍵合三種方式。
引線鍵合是封裝內(nèi)部連接的主流方式（90%以上），其原理為：使用熱、壓力和超聲波能量將鍵合引線與金屬焊盤緊密焊合（原子量級(jí)鍵合），用于實(shí)現(xiàn)芯片間、芯片與封裝體間的信號(hào)傳輸。常用的引線鍵合方法主要有熱壓焊、超聲波焊和超聲熱壓焊等。劈刀是引線鍵合過(guò)程中的重要工具，其價(jià)值高昂，且屬于易耗品。劈刀的選型與性能決定了鍵合的靈活性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性。
劈刀的分類及材料
1、劈刀的分類
劈刀有球形鍵合過(guò)程中使用的毛細(xì)管劈刀，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。
毛細(xì)管劈刀和楔形劈刀的區(qū)別
2、劈刀的材料
劈刀在工作過(guò)程中，穿過(guò)劈刀的鍵合引線在劈刀刀頭與焊盤金屬間產(chǎn)生壓力與摩擦，因此，通常使用具有高硬度與韌度的材料制作劈刀。結(jié)合劈刀加工與鍵合方法需求，要求劈刀材料具有較高的密度、較高的彎曲強(qiáng)度和可加工光滑的表面。常見的劈刀材料有碳化鎢（硬質(zhì)合金）、碳化鈦和陶瓷等。
碳化鎢抗破損能力強(qiáng)，早期被廣泛應(yīng)用于劈刀制作，但碳化鎢的機(jī)加工比較困難，不易獲得致密、無(wú)孔隙的加工面。碳化鎢的熱導(dǎo)率高，為避免在鍵合過(guò)程中焊盤上的熱量被劈刀帶走，碳化鎢劈刀在鍵合時(shí)劈刀本身必須被加熱。碳化鈦的材料密度低于碳化鎢，且比碳化鎢更柔韌，據(jù)報(bào)道，在使用相同超聲換能器及相同劈刀結(jié)構(gòu)的情況下，超聲波傳遞到碳化鈦劈刀產(chǎn)生的刀頭振幅比碳化鎢劈刀大20%。
近年來(lái)，陶瓷因其光滑、致密、無(wú)孔隙和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)良特性，也被廣泛應(yīng)用于劈刀制作。陶瓷劈刀的刀頭端面及開孔加工情況優(yōu)于碳化鎢。另外，陶瓷劈刀的熱導(dǎo)率低，劈刀本身可以不被加熱。據(jù)報(bào)道，當(dāng)使用自動(dòng)鍵合設(shè)備時(shí)陶瓷劈刀的焊接次數(shù)可達(dá)100萬(wàn)次。
哪些陶瓷材料適合做劈刀
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(guò)精加工后形成用于微電子領(lǐng)域中的高壽命耗材。
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現(xiàn)有陶瓷劈刀在原來(lái)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)。鋯摻雜陶瓷劈刀的主要成分是氧化鋯增強(qiáng)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(guò)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(lái)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壓、抗彎、抗錘擊等性能，除此之外，還會(huì)影響陶瓷劈刀的硬度、彈性模量和斷裂韌性等性能參數(shù)。
陶瓷劈刀的市場(chǎng)現(xiàn)狀
作為芯片封裝領(lǐng)域的必要耗材，受益于下游封裝測(cè)試行業(yè)的較快發(fā)展及國(guó)產(chǎn)替代趨勢(shì)，陶瓷劈刀發(fā)展前景廣闊。
在IC封測(cè)方面，國(guó)內(nèi)集成電路封測(cè)環(huán)節(jié)企業(yè)率先崛起，隨著5G商用、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，消費(fèi)類電子產(chǎn)品的剛性需求以及更新?lián)Q代，未來(lái)國(guó)內(nèi)集成電路封裝測(cè)試行業(yè)有望進(jìn)一步發(fā)展。
在LED封裝方面，受益于成本優(yōu)勢(shì)和旺盛的產(chǎn)品市場(chǎng)需求，我國(guó)已成為世界重要的LED封裝生產(chǎn)基地，近年來(lái)市場(chǎng)規(guī)�？焖僭鲩L(zhǎng)。隨著顯示技術(shù)不斷迭代，MiniLED、MicroLED等新技術(shù)加速到來(lái)，未來(lái)LED封裝行業(yè)有望迎來(lái)發(fā)展新機(jī)遇。
根據(jù)三環(huán)集團(tuán)2020年6月12日公告，公司預(yù)計(jì)陶瓷劈刀全球市場(chǎng)需求約為4200萬(wàn)只/年，其中國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占比70%。目前陶瓷劈刀主要廠商有瑞士SPT、美國(guó)K&S和GAISER、韓國(guó)PECO和KOSMA，上述廠商全球市場(chǎng)占有率合計(jì)約90%，國(guó)內(nèi)廠商尚未形成規(guī)模。
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三環(huán)集團(tuán)自2013年開始陶瓷劈刀的研發(fā)，在借鑒原有陶瓷插芯技術(shù)的基礎(chǔ)上，打通了從設(shè)計(jì)、粉體、成型、燒結(jié)毛坯到加工、檢驗(yàn)的全流程，已經(jīng)完成了配方研制，多個(gè)規(guī)格、類型的劈刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝開發(fā)。在產(chǎn)品性能方面，公司陶瓷劈刀性能已達(dá)到行業(yè)平均水平。
參考來(lái)源：
[1]文澤海等.引線鍵合楔形劈刀及劈刀老化現(xiàn)象研究
[2]宮在磊等.微電子領(lǐng)域中陶瓷劈刀研究與應(yīng)用進(jìn)展
[3]華創(chuàng)證券、開源證券研究所
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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