中國粉體網訊 今天我們來講一下劈刀，它可不是下圖中的這種長長的大砍刀，它的用途也不是用來砍柴的，而是半導體封裝操作中至關重要的部件。
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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的分配提供了電路連接，實現上述電路連接主要有倒裝焊、載帶自動焊和引線鍵合三種方式。
引線鍵合是封裝內部連接的主流方式（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（原子量級鍵合），用于實現芯片間、芯片與封裝體間的信號傳輸。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。劈刀是引線鍵合過程中的重要工具，其價值高昂，且屬于易耗品。劈刀的選型與性能決定了鍵合的靈活性、可靠性與經濟性。
劈刀的分類及材料
1、劈刀的分類
劈刀有球形鍵合過程中使用的毛細管劈刀，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別。
毛細管劈刀和楔形劈刀的區別
2、劈刀的材料
劈刀在工作過程中，穿過劈刀的鍵合引線在劈刀刀頭與焊盤金屬間產生壓力與摩擦，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、較高的彎曲強度和可加工光滑的表面。常見的劈刀材料有碳化鎢（硬質合金）、碳化鈦和陶瓷等。
碳化鎢抗破損能力強，早期被廣泛應用于劈刀制作，但碳化鎢的機加工比較困難，不易獲得致密、無孔隙的加工面。碳化鎢的熱導率高，為避免在鍵合過程中焊盤上的熱量被劈刀帶走，碳化鎢劈刀在鍵合時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，據報道，在使用相同超聲換能器及相同劈刀結構的情況下，超聲波傳遞到碳化鈦劈刀產生的刀頭振幅比碳化鎢劈刀大20%。
近年來，陶瓷因其光滑、致密、無孔隙和化學性質穩定的優良特性，也被廣泛應用于劈刀制作。陶瓷劈刀的刀頭端面及開孔加工情況優于碳化鎢。另外，陶瓷劈刀的熱導率低，劈刀本身可以不被加熱。據報道，當使用自動鍵合設備時陶瓷劈刀的焊接次數可達100萬次。
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。
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現有陶瓷劈刀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。鋯摻雜陶瓷劈刀的主要成分是氧化鋯增強氧化鋁，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。
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壓、抗彎、抗錘擊等性能，除此之外，還會影響陶瓷劈刀的硬度、彈性模量和斷裂韌性等性能參數。
陶瓷劈刀的市場現狀
作為芯片封裝領域的必要耗材，受益于下游封裝測試行業的較快發展及國產替代趨勢，陶瓷劈刀發展前景廣闊。
在IC封測方面，國內集成電路封測環節企業率先崛起，隨著5G商用、物聯網的發展，消費類電子產品的剛性需求以及更新換代，未來國內集成電路封裝測試行業有望進一步發展。
在LED封裝方面，受益于成本優勢和旺盛的產品市場需求，我國已成為世界重要的LED封裝生產基地，近年來市場規模快速增長。隨著顯示技術不斷迭代，MiniLED、MicroLED等新技術加速到來，未來LED封裝行業有望迎來發展新機遇。
根據三環集團2020年6月12日公告，公司預計陶瓷劈刀全球市場需求約為4200萬只/年，其中國內市場占比70%。目前陶瓷劈刀主要廠商有瑞士SPT、美國K&S和GAISER、韓國PECO和KOSMA，上述廠商全球市場占有率合計約90%，國內廠商尚未形成規模。
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三環集團自2013年開始陶瓷劈刀的研發，在借鑒原有陶瓷插芯技術的基礎上，打通了從設計、粉體、成型、燒結毛坯到加工、檢驗的全流程，已經完成了配方研制，多個規格、類型的劈刀結構設計及產業化生產工藝開發。在產品性能方面，公司陶瓷劈刀性能已達到行業平均水平。
參考來源：
[1]文澤海等.引線鍵合楔形劈刀及劈刀老化現象研究
[2]宮在磊等.微電子領域中陶瓷劈刀研究與應用進展
[3]華創證券、開源證券研究所
（中國粉體網編輯整理/山川）
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