CN109860067B - 一种焊接陶瓷劈刀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焊接陶瓷劈刀。所述劈刀包括本体、位于本体一端的焊嘴和孔，所述孔沿本体的纵轴和焊嘴延伸，所述焊嘴的尖端表面由交替分布的凸出部分和凹陷部分组成，且所述凸出部分以焊嘴为几何中心呈正六边形阵列排布，所述凸出部分的最高点和凹陷部分的最低点形成高度差，所述高度差为5‑20μm。本发明的劈刀的表面结构中设计有突出部分和凹陷部分，可增加耐磨面积，且凸出部分呈正六边形阵列排布，能够提高凸出部分的稳定性，在使用过程中不易崩缺断裂，延长使用寿命。本发明中凸出部分的最高点和凹陷部分的最低点之间的高度差较大，有利于提高劈刀尖端的耐磨性和引线键合强度；劈刀表面光洁度高，有效减少劈刀尖端的留金程度。
Description
技术领域
本发明涉及劈刀技术领域，具体涉及一种焊接陶瓷劈刀。
背景技术
焊接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。焊接陶瓷劈刀是微电子加工领域在引线键合过程中使用的焊线工具，在封装技术中发挥了极其重要的作用。
JP62-190343U公开了一种提高引线键合强度的劈刀，焊接劈刀的焊嘴中分布有孔，焊嘴的尖端表面由交替分布的凸出部分和凹陷部分组成，凸出部分的最高点到凹陷部分的最低点的高度为1.5-5μm，相邻凸出部分中间点的横向距离Y为3-10μm。在劈刀的顶端面形成圆形的凹凸，在顶端面的附着物变少，使寿命延长，但凸出部分的最高点到凹陷部分的最低点的高度差较浅，不耐磨损，且在使用铜线等比金线硬的焊丝的情况下，接合强度的降低或磨损容易导致劈刀的寿命缩短。
CN103658963B公开了一种焊接劈刀，具有进行丝焊的顶端面的本体部，顶端面具有微小的凹凸形状，所述凹凸形状中的凸部顶端的尖比凹部顶端的尖小，在垂直于所述顶端面的方向观察时，凸部面积比凹部面积大，所述顶端面的偏斜度为-0.3以下，且所述顶端面的平均高度为0.06μm以上0.3μm以下，存在表面粗糙度不足，易磨损的问题。
CN108389806A公开了一种提高引线键合强度的劈刀，所述劈刀为焊接陶瓷劈刀，所述劈刀包括本体、位于本体一端的焊嘴和孔，所述孔沿所述本体的纵轴和所述焊嘴延伸，所述焊嘴的尖端表面由交替分布的凸出部分和凹陷部分组成，所述凸出部分的最高点和凹陷部分的最低点形成高度差，所述高度差为2-20μm，所述焊嘴的尖端表面的粗糙度Ra为0.5-3μm。该劈刀尖端表面的凸出部分为相互独立的点，不连成面，对于如此精细的陶瓷结构件来说，在劈刀使用过程中，凸出部分很容易崩缺断裂，进而影响劈刀的使用寿命。
CN101443885 B公开了一种具有改进的保护层的焊头，其包括主体部分，该主体部分终止于尖端部分。该尖端部分由一种材料形成，其中该材料的颗粒结构暴露于该尖端部分的至少一部分，有暴露颗粒结构的该尖端部分的该部分的表面具有若干微粒，该微粒的密度为至少15微米-2，及在具有若干微粒的该尖端部分的该部分处的表面粗糙度平均值为至少0.03微米，在使用铜线等比金线硬的焊丝的情况下，接合强度的降低或磨损容易导致劈刀的寿命降低。
由此可见，现有劈刀普遍存在着容易磨损，寿命短，表面粗糙度不足，不足以提高引线键合强度等问题，因此，有必要研发一种能够提高引线键合强度且具有较长使用寿命的焊接陶瓷劈刀。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种焊接陶瓷劈刀。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种焊接陶瓷劈刀，所述劈刀包括本体、位于本体一端的焊嘴和孔，所述孔沿本体的纵轴和焊嘴延伸，所述焊嘴的尖端表面由交替分布的凸出部分和凹陷部分组成，且所述凸出部分以焊嘴为几何中心呈正六边形阵列排布，所述凸出部分的最高点和凹陷部分的最低点形成高度差，所述高度差为5-20μm。
发明人经过试验发现，相较于三角形、圆形、四边形、五边形等其它形状的排布方式，本发明的焊嘴凸出部分相连成面呈正六边形阵列排布，该正六边形具有优异的力学性能，能够提高凸出部分稳定性，增大可磨损区域，在使用过程中不易崩缺断裂，延长使用寿命，有效解决了现有劈刀在焊接过程中因表面的凸起结构容易磨损断裂，造成键合强度不足的问题。本发明中将凸出部分的最高点和凹陷部分的最低点之间的高度差设计为5-20μm，有效增大了尖端表面的耐磨面积，从而延长劈刀的使用寿命。与传统抛光、磨砂焊嘴相比，本发明的焊嘴具有更好的键合效果和更好的稳定性。
优选地，所述正六边形的边长为2～8μm，在此范围内，本发明的劈刀的突出部分在使用过程中更好的稳定性，不易崩缺断裂，更优选地，所述正六边形的边长为6～8μm时瓷嘴的稳定性更好。
优选地，所述焊嘴的尖端表面具有表面粗糙度为0.5-3.0μm的宏观结构，有助于增强焊接时焊点的稳定性，提高引线键合强度。
优选地，所述焊嘴的尖端表面还具有表面粗糙度为0.01-0.1μm的微观结构。微观上，该劈刀表面光洁度高，能够有效减少尖端留金程度，进一步延长劈刀的使用寿命。
优选地，所述高度差为8-15μm，在此高度差范围内，该劈刀既能保证具有良好的键合强度，又具有较大的耐磨面积。
优选地，所述凸出部分的高度为2～15μm，更优选地，所述凸出部分的高度为5-7μm时，本发明的劈刀具有更好的键合强度。
优选地，且所述凸出部分和凹陷部分均匀交替分布
本发明还提供了上述的焊接陶瓷劈刀的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用激光加工的方式在所述焊嘴的尖端表面形成交替分布的凸出部分和凹陷部分；
(2)采用热处理的方式在所述焊嘴的尖端表面形成微观结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的劈刀的表面结构中设计有突出部分和凹陷部分，有利于增加耐磨面积，延长使用寿命，且凸出部分呈正六边形阵列排布，正六边形具有优异的力学性能，能够提高凸出部分的稳定性，增大可磨损区域，在使用过程中不易崩缺断裂，从而延长使用寿命。本发明中凸出部分的最高点和凹陷部分的最低点之间的高度差较大，有利于提高劈刀尖端的耐磨性和引线键合强度，且劈刀上表面光洁度高，能够有效减少劈刀尖端的留金程度。
附图说明
图1为实施例1所述的焊接陶瓷劈刀使用前的尖端表面的SEM图。
图2为实施例1所述的焊接陶瓷劈刀经200万次焊接后的尖端表面的SEM图。
图3为采用实施例1所述的焊接陶瓷劈刀(a)和对比例3的劈刀(b)进行引线接合的示意图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
作为本发明所述焊接陶瓷劈刀的一种实施例，本实施例的焊接陶瓷劈刀包括本体、位于本体一端的焊嘴和孔，所述孔沿本体的纵轴和焊嘴延伸，所述焊嘴的尖端表面由交替分布的凸出部分和凹陷部分组成，且所述凸出部分以焊嘴为几何中心呈正六边形阵列排布，所述正六边形的边长为6μm，所述凸出部分的最高点和凹陷部分的最低点形成高度差，所述高度差为9μm，所述凸出部分的高度为5μm，所述焊嘴的尖端表面具有表面粗糙度Ra为2.0μm的宏观结构，所述焊嘴的尖端表面还具有表面粗糙度为0.05μm的微观结构，且所述凸出部分和凹陷部分均匀交替分布。
本实施例的焊接陶瓷劈刀的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用激光加工的方式在所述焊嘴的尖端表面形成交替分布的凸出部分和凹陷部分；
(2)采用热处理的方式在所述焊嘴的尖端表面形成微观结构。
实施例2
作为本发明所述焊接陶瓷劈刀的一种实施例，本实施例的焊接陶瓷劈刀包括本体、位于本体一端的焊嘴和孔，所述孔沿本体的纵轴和焊嘴延伸，所述焊嘴的尖端表面由交替分布的凸出部分和凹陷部分组成，且所述凸出部分以焊嘴为几何中心呈正六边形阵列排布，所述正六边形的边长为6μm，所述凸出部分的最高点和凹陷部分的最低点形成高度差，所述高度差为15μm，所述凸出部分的高度为7μm，所述焊嘴的尖端表面具有表面粗糙度Ra为3.0μm的宏观结构，所述焊嘴的尖端表面还具有表面粗糙度为0.1μm的微观结构，且所述凸出部分和凹陷部分均匀交替分布。
本实施例的焊接陶瓷劈刀的制备方法与实施例1相同。
实施例3
作为本发明所述焊接陶瓷劈刀的一种实施例，本实施例的焊接陶瓷劈刀包括本体、位于本体一端的焊嘴和孔，所述孔沿本体的纵轴和焊嘴延伸，所述焊嘴的尖端表面由交替分布的凸出部分和凹陷部分组成，且所述凸出部分以焊嘴为几何中心呈正六边形阵列排布，所述正六边形的边长为6μm，所述凸出部分的最高点和凹陷部分的最低点形成高度差，所述高度差为5μm，所述凸出部分的高度为2μm，所述焊嘴的尖端表面具有表面粗糙度Ra为1.2μm的宏观结构，所述焊嘴的尖端表面还具有表面粗糙度为0.08μm的微观结构，且所述凸出部分和凹陷部分均匀交替分布。
本实施例的焊接陶瓷劈刀的制备方法与实施例1相同。
实施例4
本实施例的焊接陶瓷劈刀与实施例1的焊接陶瓷劈刀基本一致，区别在于本实施例的凸出部分以焊嘴为几何中心呈正六边形阵列排布，所述正六边形的边长为2μm。
实施例5
本实施例的焊接陶瓷劈刀与实施例1的焊接陶瓷劈刀基本一致，区别在于本实施例的凸出部分以焊嘴为几何中心呈正六边形阵列排布，所述正六边形的边长为8μm。
实施例6
本实施例的焊接陶瓷劈刀与实施例1的焊接陶瓷劈刀基本一致，区别在于本实施例的凸出部分以焊嘴为几何中心呈正六边形阵列排布，所述正六边形的边长为9μm。
实施例7
本实施例的焊接陶瓷劈刀与实施例1的焊接陶瓷劈刀基本一致，区别在于本实施例的高度差为8μm。
实施例8
本实施例的焊接陶瓷劈刀与实施例1的焊接陶瓷劈刀基本一致，区别在于本实施例的高度差为10μm。
对比例1
本对比例的焊接陶瓷劈刀与实施例1的焊接陶瓷劈刀基本一致，区别在于本对比例的凸出部分以焊嘴为圆心呈圆形阵列排布。
对比例2
本对比例的焊接陶瓷劈刀与实施例1的焊接陶瓷劈刀基本一致，区别在于本对比例的凸出部分以焊嘴为几何中心呈四边形阵列排布。
对比例3
本对比例的焊接陶瓷劈刀包括本体、位于本体一端的焊嘴和孔，所述孔沿本体的纵轴和焊嘴延伸，所述焊嘴的尖端表面为机械抛光后的表面，不设突出部分和凹陷部分。
采用实施例1～8、对比例1～3的劈刀进行超声波焊接测试，焊接条件为：功率设定为：80mAps，压力设定为：50g，时间设定为7ms，本测试使用的焊线的线径为0.7mil，在不同焊接次数的条件下进行第二焊点拉力测试，具体测试方法为：在临近第二焊点的位置向正上方施加拉力，焊线从焊垫撕裂的力为第二焊点的拉力，拉力越大，说明焊线和焊垫的结合力越大，第二焊点的焊接效果越好，焊接出来的产品可靠性越高，瓷嘴的稳定性越好，具体测试结果如表1所示。
表1
由表1结果可知，第二焊点拉力值随着使用次数的增多而降低，在相同使用次数的条件下，实施例1的劈刀的第二焊点拉力值明显大于对比例1～3，表面明本发明的劈刀的凸出部分呈正六边形阵列排布可以显著提高焊线与基底之间的结合强度，提高焊接的可靠性。焊接陶瓷劈刀在使用过程中，线径为0.7mil时，一般IC封装的第二焊点的拉力值要求到达到2g，而本实施例1的焊接陶瓷劈刀经过多次焊接后，仍具有较高的第二焊点拉力值，且经200万次焊接后，拉力值为3.7g，明显高于对比例1～3以及最低标准。实施例1的劈刀使用前及经200万次焊接后的尖端表面的SEM图分别如图1和图2所示，该劈刀的凸起部分具有优异的耐磨性，经200万次焊接不崩缺断裂，仍具有较高的粗糙度，可满足键合强度，有效解决了现有劈刀因表面凹凸结构在焊接过程中容易崩缺断裂或磨损严重，焊嘴粗糙度不足，使用寿命短的问题。由此可见，相较于圆形、四边形的排布方式，本发明的劈刀凸出部分相连成面呈正六边形阵列排布，具有优异的力学性能，在使用过程中不易崩缺断裂，提高了突出部分的稳定性，有利于延长其使用寿命。对比实施例1和对比例3的测试结果，本发明的劈刀表面结构中设计有突出部分和凹陷部分，表面宏观粗糙度大，如图3所示，在焊接过程中，本发明的劈刀表面凹凸的形状极大地增大了劈刀尖端的粗糙度，加强了劈刀与引线的咬合力，增强线与基板的摩擦力，提高了线和基板的键合力以及二焊稳定性。通过对比实施例1、4～6的结果可知，凸出部分排列形成的正六边形的边长的选择也会影响劈刀焊接的可靠性，当其边长为6～8μm时瓷嘴的稳定性及焊接效果较好。对比实施例1、2、7和8的测试结果可知，本发明的劈刀的突出部分和凹陷部分的高度差为8-15μm，在此高度差范围内，该劈刀既能保证具有良好的稳定性，又具有较大的耐磨面积。
此外，本发明的劈刀的表面结构设计的相关参数可以根据实际使用需要进行相应调整，所述焊嘴的尖端表面具有表面粗糙度为0.5-3.0μm的宏观结构时，有助于增强焊接时焊点的稳定性，提高引线键合强度；所述焊嘴的尖端表面具有表面粗糙度为0.01-0.1μm的微观结构时，该劈刀表面光洁度高，能够有效减少尖端留金程度，进一步延长劈刀的使用寿命；突出部分和凹陷部分的高度差可以设计为5～20μm，但在8-15μm范围内，该劈刀具有较高的键合强度以及较大的耐磨面积；所述凸出部分的高度可根据实际设计为2～15μm，但在5-7μm的范围内，劈刀具有更好的键合强度。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种焊接陶瓷劈刀，其特征在于，所述劈刀包括本体、位于本体一端的焊嘴和孔，所述孔沿本体的纵轴和焊嘴延伸，所述焊嘴的尖端表面由交替分布的凸出部分和凹陷部分组成，且所述凸出部分以焊嘴为几何中心呈正六边形阵列排布，所述凸出部分的最高点和凹陷部分的最低点形成高度差，所述高度差为5-20μm。
2.根据权利要求1所述的焊接陶瓷劈刀，其特征在于，所述正六边形的边长为2-8μm。
3.根据权利要求2所述的焊接陶瓷劈刀，其特征在于，所述正六边形的边长为6-8μm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的焊接陶瓷劈刀，其特征在于，所述焊嘴的尖端表面具有表面粗糙度为0.5-3.0μm的宏观结构。
5.根据权利要求4所述的焊接陶瓷劈刀，其特征在于，所述焊嘴的尖端表面还具有表面粗糙度为0.01-0.1μm的微观结构。
6.根据权利要求1所述的焊接陶瓷劈刀，其特征在于，所述高度差为8-15μm。
7.根据权利要求1所述的焊接陶瓷劈刀，其特征在于，所述凸出部分的高度为2-15μm。
8.根据权利要求1所述的焊接陶瓷劈刀，其特征在于，所述凸出部分和凹陷部分均匀交替分布。
9.根据权利要求1～8任一项所述的焊接陶瓷劈刀的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用激光加工的方式在所述焊嘴的尖端表面形成交替分布的凸出部分和凹陷部分；
(2)采用热处理的方式在所述焊嘴的尖端表面形成微观结构。
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