CN109332901B - 陶瓷劈刀及其制作方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷劈刀及其制作方法和应用。该陶瓷劈刀的制作方法包括如下步骤：提供初始表面粗糙度在10纳米以下的陶瓷劈刀半成品；对陶瓷劈刀半成品的表面进行激光轰击处理，以在陶瓷劈刀半成品上形成若干凹槽，相邻凹槽的间距为5微米～20微米，得到陶瓷劈刀，其中，激光轰击处理的激光波长为200纳米～600纳米，轰击时间为10分钟～240分钟。上述制作方法制作能够获得使用寿命较长且焊接效果较好的陶瓷劈刀。

Description

陶瓷劈刀及其制作方法和应用

技术领域

本发明涉及陶瓷材料的加工领域，特别是涉及一种陶瓷劈刀及其制作方法和应用。

背景技术

陶瓷劈刀是一种具有垂直方向孔的轴对称陶瓷工具，因其具有高硬度、高耐磨、耐高温、耐化学腐蚀、表面光洁度高及尺寸精度高等优势，在半导体引线键合焊接领域中扮演着不可替代的角色。引线键合是将芯片电极面朝上粘贴在封装基座上，用金属丝将芯片电极与引线框架上对应的电极通过焊接的方法连接的过程。引线键合的目的是将芯片与外部封装框架电气连通，以确保电信号传递的通畅。金属导线的选择会影响到焊接质量、器件的可靠性等方面，理想的材料应满足如下条件：(1)可与半导体材料形成良好的接触；(2)化学性能稳定；(3)与半导体材料形成良好的结合力；(4)导电性能良好；(5)易焊接，焊接过程保持一定的形状。黄金作为一种金属，化学性能稳定、导电性能优异、具有良好的延展性、容易加工成丝，作为引线焊接材料的首选。目前半导体封装行业大多数采用金线焊接。然而，由于黄金作为贵重金属，具有明显的稀缺性，价格昂贵，导致封装成本高。随着封装技术的发展，铜丝价格低廉，机械、电子、热学性能优异，其焊接成本不到金丝的30％，因此，被认为是金丝最好的替代品。

目前机械加工(机械加工指经过机械抛光)制作的陶瓷劈刀的表面粗糙度不合适，导致金属线焊接效果较差，虽然采用化学蚀刻处理能够获得合适的表面粗糙度，但是化学蚀刻处理会对焊接劈刀的耐磨性能和机械性能存在消极影响，而较大程度的影响其使用寿命。

发明内容

基于此，有必要提供一种使用寿命较长且焊接效果较好的陶瓷劈刀的制作方法。

此外，还提供一种陶瓷劈刀及其应用。

一种陶瓷劈刀的制作方法，包括如下步骤：

提供初始表面粗糙度在10纳米以下的陶瓷劈刀半成品；

对所述陶瓷劈刀半成品的表面进行激光轰击处理，以在所述陶瓷劈刀半成品上形成若干凹槽，相邻所述凹槽的间距为5微米～20微米，得到陶瓷劈刀，其中，所述激光轰击处理的激光波长为200纳米～600纳米，轰击时间为10分钟～240分钟。

在其中一个实施例中，所述激光波长为500纳米～600纳米，所述轰击时间为10分钟～30分钟，相邻所述凹槽的间距为15微米～20微米。

在其中一个实施例中，所述激光轰击处理的激光波长为350纳米～450纳米，所述轰击时间为60分钟～90分钟，相邻所述凹槽的间距为10微米～15微米。

在其中一个实施例中，所述激光轰击处理的激光波长为200纳米～300纳米，所述轰击时间为120分钟～240分钟，相邻所述凹槽的间距为5微米～10微米。

在其中一个实施例中，所述陶瓷劈刀半成品的材质为氧化铝、红宝石单晶、氧化锆增韧氧化铝或碳化钨。

一种陶瓷劈刀，用于金属引线焊接，由上述陶瓷劈刀的制作方法制作得到。

在其中一个实施例中，所述陶瓷劈刀用于金引线焊接，所述陶瓷劈刀的表面粗糙度为20纳米～35纳米。

在其中一个实施例中，所述陶瓷劈刀的表面粗糙度为40纳米～90纳米。

在其中一个实施例中，所述陶瓷劈刀的表面粗糙度为120纳米～190纳米。

上述陶瓷劈刀在半导体封装领域中的应用。

经实验证明，上述陶瓷劈刀的制作方法根据陶瓷劈刀半成品的初始表面粗糙度，采用激光轰击处理的方式，通过控制轰击激光波长、轰击时间以及陶瓷劈刀半成品上轰击形成的凹槽的间距，相对于机械加工的陶瓷劈刀和化学蚀刻处理的陶瓷劈刀，不仅能够获得合适的表面粗糙度，改善焊接效果，而且还能够使陶瓷劈刀具有较好的耐磨性能和机械强度。

附图说明

图1为一实施方式的陶瓷劈刀的制作方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，一实施方式的陶瓷劈刀的制作方法，其制作出的陶瓷劈刀能够用于金属引线焊接，具体地，金属引线的材质为金(Au)、银(Ag)或铜(Cu)。该陶瓷劈刀的制作方法包括如下步骤：

步骤S110：提供初始表面粗糙度在10纳米以下的陶瓷劈刀半成品。

将陶瓷劈刀半成品的初始表面粗糙度控制在10纳米以下以保证陶瓷劈刀半成品的组织结构的均一性，使其具有优异的组织结构，以使后续得到的陶瓷劈刀能够获得较好的耐磨性能和机械强度。

具体地，陶瓷劈刀半成品的材质为氧化铝、红宝石单晶、氧化锆增韧氧化铝或碳化钨。

步骤S120：对陶瓷劈刀半成品的表面进行激光轰击处理，以在陶瓷劈刀半成品上形成若干凹槽，相邻凹槽的间距为5微米～20微米，得到陶瓷劈刀。

具体地，步骤S120中形成的为若干间隔的凹槽。

其中，激光轰击处理的激光波长为200纳米～600纳米，轰击时间为10分钟～240分钟。需要说明的是，本文所指的轰击时间为激光轰击处理的总时间。

在其中一个实施例中，激光波长为500纳米～600纳米，轰击时间为10分钟～30分钟，相邻凹槽的间距为15微米～20微米，该条件下能够得到表面粗糙度为20纳米～35纳米的陶瓷劈刀，能够适用于金(Au)引线焊接，并获得较好的焊接效果。

在另一个实施例中，激光轰击处理的激光波长为350纳米～450纳米，轰击时间为60分钟～120分钟，相邻凹槽的间距为10微米～15微米，该条件下能够得到表面粗糙度为40纳米～90纳米的陶瓷劈刀，不仅能够适用于银(Ag)引线焊接，还能够适用于金(Au)引线的焊接，并均能够获得较好的焊接效果。

在又一个实施例中，激光轰击处理的激光波长为200纳米～300纳米，轰击时间为120分钟～240分钟，相邻凹槽的间距为5微米～10微米，该条件下能够得到表面粗糙度为120纳米～190纳米的陶瓷劈刀，不仅能够适用于铜(Cu)引线的焊接，还能够适用于金(Au)引线焊接和银引线的焊接，并均获得较好的焊接效果。

经实验证明，上述陶瓷劈刀的制作方法根据陶瓷劈刀半成品的初始表面粗糙度，采用激光轰击处理的方式，通过控制轰击激光波长、轰击时间以及陶瓷劈刀半成品上轰击形成的凹槽的间距，相对于机械加工的陶瓷劈刀(由于劈刀表面太过于光滑，焊接质量较差)和化学蚀刻处理的陶瓷劈刀，不仅能够获得合适的表面粗糙度，改善焊接效果，而且还能够使陶瓷劈刀具有较好的耐磨性能和机械强度。

一实施方式的陶瓷劈刀，能够应用在半导体封装领域，用于将芯片与外部封装框架焊接，以实现芯片与外部封装框架的电气连接。该陶瓷劈刀由上述陶瓷劈刀的制作方法制作得到，使得上述陶瓷劈刀具有较好的耐磨性能和机械强度，具有较长的使用寿命。

在其中一个实施例中，陶瓷劈刀用于金引线焊接，陶瓷劈刀的表面粗糙度为20纳米～35纳米，该表面粗糙度能够使金(Au)引线焊接的效果较好。

在另一个实施例中，陶瓷劈刀的表面粗糙度为40纳米～90纳米，该表面粗糙度能够使银(Ag)引线或金(Au)引线焊接的效果较好，特别适用于银引线的焊接。

在又一个实施例中，陶瓷劈刀的表面粗糙度为120纳米～190纳米，该表面粗糙度能够使铜(Cu)引线、金(Au)引线或银(Ag)引线焊接的效果较好，特别适用于铜引线的焊接。

以下为具体实施例部分(以下实施例如无特殊说明，则不含有除不可避免的杂质以外的其它未明确指出的组分，以下实施例以氧化铝陶瓷劈刀半成品为例进行说明，可以理解，陶瓷劈刀半成品的材质不限于为氧化铝。)：

实施例1～实施例20

实施例1～实施例20的陶瓷劈刀的制作过程如下：

对陶瓷劈刀半成品的表面进行激光轰击处理，工艺参数如表1所示，在表1中，初始表面粗糙度表示陶瓷劈刀半成品的初始表面粗糙度，产品表面粗糙度表示制作得到的陶瓷劈刀的表面粗糙度。

对比例1

对比例1的陶瓷劈刀即为实施例1的陶瓷劈刀半成品，如表1所示。

对比例2

对比例2的陶瓷劈刀的制作过程如下：

(1)提供实施例1相同的陶瓷劈刀半成品，如表1所示。

(2)将陶瓷劈刀半成品进行用质量百分含量为25％的氢硼酸化学蚀刻处理至实施例1相同的表面粗糙度。

对比例3

对比例3的陶瓷劈刀的制作过程如下：

(1)提供实施例6相同的陶瓷劈刀半成品，如表1所示。

(2)将陶瓷劈刀半成品进行用质量百分含量为25％的氢硼酸化学蚀刻处理至实施例6相同的表面粗糙度。

对比例4

对比例4的陶瓷劈刀的制作过程如下：

(1)提供实施例11相同的陶瓷劈刀半成品，如表1所示。

(2)将陶瓷劈刀半成品进行用质量百分含量为25％的氢硼酸化学蚀刻处理至实施例11相同的表面粗糙度。

对比例5

对比例5～对比例10的陶瓷劈刀的制作过程与实施例1～实施例20的陶瓷劈刀的制作过程相似，区别在于工艺参数不同，对比例5～10的工艺参数如表1所示。

表1

测试：

采用原子力显微镜分别测试实施例1～20及对比例1～10的陶瓷劈刀的表面粗糙度。

采用三点弯曲法分别测试实施例1～20及对比例1～10的陶瓷劈刀的机械强度。

根据JC/T 2345-2015精细陶瓷常温耐磨性能分别测试实施例1～20及对比例1～10的陶瓷劈刀的单位刀具磨损量的材料去除量，若材料去除量越大，说明耐磨性能越差。

采用热超声芯片键合焊接机分别测试实施例1～20及对比例1～10的陶瓷劈刀的焊接极限键合点数，若焊接极限键合点数越大，说明陶瓷劈刀的使用寿命越大。

采用微焊点强度测试仪测试使实施例1～20及对比例1～10的陶瓷劈刀焊接的引线与焊盘之间的推拉力。若推拉力最大与最小值之差小于10g，说明焊接效果好；若推拉力最大值与最小值之差在10g以上且小于20g，则表示焊接效果较好；若推拉力最大值与最小值之差在20g以上且在30g以下，则表示焊接效果较差；若推拉力最大值与最小值之差大于30g，则表示焊接效果差。

其中，实施例1～20及对比例1～10的陶瓷劈刀的表面粗糙度、机械强度、单位刀具磨损量的材料去除量及焊接效果、焊接极限键合点数如表2所示。

表2

从表2中可以看出，实施例1～20的陶瓷劈刀均兼具较好的焊接效果和较长的使用寿命，而对比例1～10的陶瓷劈刀要么焊接效果较差，要么使用寿命较短。

对比例1的没有经过粗化处理的陶瓷劈刀材料去除量虽然仅为40，且具有较好的弯曲强度和较长的使用寿命，但是焊接效果差，因为表面粗糙度在10纳米以下，不利于引线的焊接。实施例1～5的陶瓷劈刀的材料，材料去除量最多为180，弯曲强度至少为1180MPa，且对金线的焊接极限键合点数至少为3150K，具有较长的使用寿命，且焊接效果较好，对比例2的陶瓷劈刀虽然对金线具有好的焊接效果，但是焊接极限键合点数仅为2800K，使用寿命不如实施例1～5。实施例6～10的陶瓷劈刀对金线和银线均具有较好的焊接效果，且金线的焊接极限键合点数至少为1900K，对银线的焊接接线键合点数至少为1860K，均具有较长的使用寿命，而对比例3的陶瓷劈刀虽然对金线和银线也均具有较好的焊接效果，但是焊接极限键合点数比实施例6～10少，即实施例6～10的陶瓷劈刀具有更长的使用寿命。实施例11～15的陶瓷劈刀对金线、银线和铜线均具有较好的焊接效果，对金线的焊接极限键合点数至少为1650K，对银线的焊接极限键合点数至少为1600K，对铜线的焊接极限1500K，具有长于实施例4的陶瓷劈刀的使用寿命。

而综合对比实施例1～20可以看出，当陶瓷劈刀的表面粗糙度在25纳米～35纳米之间，对Au线焊接焊合较为合适，此时其使用寿命非常高；当表面粗糙度在40纳米～90纳米之间，对Au线或合金线焊接焊合较为合适；当表面粗糙度在120纳米～190纳米之间，对Au线、合金线或铜线焊接焊合都较为合适。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种陶瓷劈刀的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供初始表面粗糙度在10纳米以下的陶瓷劈刀半成品；及

对所述陶瓷劈刀半成品的表面进行激光轰击处理，以在所述陶瓷劈刀半成品上形成若干凹槽，相邻所述凹槽的间距为5微米～20微米，得到陶瓷劈刀，其中，所述激光轰击处理的激光波长为200纳米～600纳米，轰击时间为10分钟～240分钟，所述陶瓷劈刀的表面粗糙度为20纳米～35纳米或40纳米～90纳米或120纳米～190纳米；

其中，所述陶瓷劈刀能够用于金属引线焊接，所述金属引线的材质为金、银或铜。

2.根据权利要求1所述的陶瓷劈刀的制作方法，其特征在于，所述激光波长为500纳米～600纳米，所述轰击时间为10分钟～30分钟，相邻所述凹槽的间距为15微米～20微米。

3.根据权利要求1所述的陶瓷劈刀的制作方法，其特征在于，所述激光轰击处理的激光波长为350纳米～450纳米，所述轰击时间为60分钟～90分钟，相邻所述凹槽的间距为10微米～15微米。

4.根据权利要求1所述的陶瓷劈刀的制作方法，其特征在于，所述激光轰击处理的激光波长为200纳米～300纳米，所述轰击时间为120分钟～240分钟，相邻所述凹槽的间距为5微米～10微米。

5.根据权利要求1所述的陶瓷劈刀的制作方法，其特征在于，所述陶瓷劈刀半成品的材质为氧化铝、红宝石单晶、氧化锆增韧氧化铝或碳化钨。

6.一种陶瓷劈刀，用于金属引线焊接，其特征在于，由权利要求1～5任一项所述的陶瓷劈刀的制作方法制作得到。

7.根据权利要求6所述的陶瓷劈刀，其特征在于，所述陶瓷劈刀用于金引线焊接，所述陶瓷劈刀的表面粗糙度为20纳米～35纳米。

8.根据权利要求6所述的陶瓷劈刀，其特征在于，所述陶瓷劈刀的表面粗糙度为40纳米～90纳米。

9.根据权利要求6所述的陶瓷劈刀，其特征在于，所述陶瓷劈刀的表面粗糙度为120纳米～190纳米。

10.权利要求6～9任一项所述的陶瓷劈刀在半导体封装领域中的应用。

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