在半导体工艺中，封装是最重要的环节之一，其中“引线键合”则是用来实现芯片和基板的电路连接的主要方式。而在这个工序中有一种工具是必不可少的，就是陶瓷劈刀。

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一、陶瓷劈刀的工作过程：

陶瓷劈刀(Ceramicbondingtool)，又名瓷嘴，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。应用上，

陶瓷劈刀是作为引线键合过程的焊线工具使用的，可用于可控硅、声表面波、LED、二极管、三极管、IC芯片等线路的键合封装。

下图就是引线键合（Wire Bonding）的过程，通过使用细金属线（铜、金等）以及热、压力、超声波能量，能使金属引线与基

板焊盘紧密焊合，从而实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。陶瓷劈刀作为键合机中的焊接针头，就像缝纫机中

的那根用于穿针引线的“缝衣针”一样，金属线需要经过它才能将一块芯片缝到另一芯片或衬底上。由于一台键合机在满荷载的

工作状态下每天需要键合几百万个焊点，而每个陶瓷劈刀都有其固定的使用寿命，一旦达到额定次数就需要更换新的劈刀。

因此可想而知，陶瓷劈刀的需求体量有多庞大。

二、陶瓷劈刀的分类及制备：

由于陶瓷劈刀的使用能够影响芯片的质量和生产的稳定性，因此在微电子领域中对于陶瓷劈刀的选择是非常重要的。

目前可用的陶瓷劈刀，除了球形键合过程中使用的毛细管劈刀外，还有楔形键合中使用的楔形劈刀。两种陶瓷劈刀有

原则性的区别，具体可看下表。类型不同，键合方式自然也不同。球形键合的一般弧度高度是150μm，弧度长度要小于

100倍的丝线直径，且键合头尺寸不要超过焊盘尺寸的3/4，球尺寸一般是丝线直径的2到3倍，细间距约1.5倍；楔形键合

，焊盘尺寸必须支持厂的键合点和尾端，焊盘长轴必须在丝线的走线方向，焊盘间距因适合于固定的键合间距。

但无论使用哪种类型的陶瓷劈刀，性能不达标一切都空谈。而在半导体封装成本日益降低要求下，低成本的键合线势在必行，

因此铜线势必会取代金线会成为未来替代金线的主要键合线。但是，铜线在热循环中的可靠性远远比金线差，而且还比金线、

合金线更硬，因此在引线键合的时候需要用更大的超声波和更大粘接力，这就要求基板和陶瓷劈刀都需要具有更高的强度、

更好的耐磨损性能以及可靠性，以避免封装效果变差。对于键合劈刀来说，改善陶瓷材料的制备及使用方法都是可行之道，

原料选择：

选择有碳化钨、碳化钛和氧化铝。但碳化钨的机加工困难，不易获得致密无孔隙的加工面，

且热导率高，键合时的热量易被劈刀带走；碳化钛比碳化钨更柔韧，但在超声波时刀头的振动振幅比碳化钨劈刀大。

因此目前陶瓷劈刀的主要制造材料是氧化铝，高密度细颗粒的氧化铝陶瓷具有很强的耐磨损和抗氧化能力，并且导热率低

易于清洁，添加其它成分后在气氛炉中烧至1600℃以上，再经过精加工后就能形成用于微电子领域中的高寿命耗材，在

自动键合设备上使用时焊接次数可达到100万次。而为了进一步增强陶瓷劈刀使用性能，现有陶瓷劈刀会在原来氧化铝的

基础上添加了诸如氧化锆、氧化铬等，使陶瓷劈刀的分子结构更加紧凑，硬度更高，更耐磨损，寿命延长。锆掺杂陶瓷劈刀

的主要成分是氧化锆增强氧化铝，其微观结构均匀而致密，密度提高到4.3g/cm3。四方相氧化锆的含量和均匀致密的微观结

构促使锆掺杂的陶瓷劈刀具有非常优异的力学性能，减少焊线过程中陶瓷劈刀尖端的磨损和更换的次数。铬掺杂的陶瓷劈刀

颜色呈现出红色，红色来源于铬，主要为Cr2O3，含量一般为0.5%~2.0%（质量分数），属于三方晶系、复三方偏方面体晶类，

密度提高到3.99~4.00g/cm3，晶体形态多呈现出板状、短柱状，集合体多呈现出粒状或致密块状，依据Cr2O3含量的不同具有

透明或者半透明的性质，具有亮玻璃光泽，Cr2O3的掺入会使陶瓷劈刀的密度增大、晶粒尺寸变小、脆性减小，从而赋予陶瓷劈

刀出色的抗压、抗弯、抗锤击等性能，除此之外，还会影响陶瓷劈刀的硬度、弹性模量和断裂韧性等性能参数。

成型工艺：

很明显，陶瓷劈刀的结构十分精密复杂，它的关键尺寸对引线键合效果有很大影响，因此对精度的要求很高，还不能存在太多微裂纹影响

其使用性能。关键尺寸包括尖端直径、内孔径、内切角直径、内切斜面角度、锥芯角度、外倒圆半径、工作面角度等。

对于这种“麻烦”的零件，陶瓷粉末注射成型技术（CIM）无疑是最适合的了——既可大批量的生产小型的、精密、三维形状复杂的特

种陶瓷制件，又具备尺寸精度高，机加工量少，表面光洁，制备成本成本低等优点，因而是当今国际上发展最快、应用最广的陶

瓷零部件精密制造技术，陶瓷劈刀就是最经典的CIM件之一。CIM工艺过程

陶瓷劈刀的清洗：

当陶瓷劈刀不能满足引线键合的焊线要求时，

称之为陶瓷劈刀的失效。造成失效的主要原因之一，就是陶瓷劈刀在多次的焊线过程中被残留的金属线残渣堵塞。下图就是宫在磊等利

用高倍显微镜观测到的尖端被金线堵塞的陶瓷劈刀，在经过焊线之后，尖端残金不均，就会导致下压。

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