1.本发明涉及半导体芯片封装技术领域，具体涉及一种陶瓷劈刀及其制备方法和应用。
背景技术：2.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。陶瓷劈刀是微电子加工领域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。陶瓷劈刀具有硬度极高、绝缘、耐腐蚀、耐高温、表面光洁度高、尺寸精度高、使用寿命长等特点。陶瓷劈刀的运用使现代微电子行业进一步向大规模集成化、微型化、高效率化、及高可靠性方向发展。
3.陶瓷劈刀可以作为键合机的焊接针头，能够适用于可控硅、声表面波、led、二极管、三极管、ic芯片等线路的键合封装。通过穿过陶瓷劈刀的导电线材的引线键合，在焊盘和引脚之间形成电子互连，能够有效预防外界中的杂质对芯片造成腐蚀。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，陶瓷劈刀在微电子领域中是非常重要的部件。
4.传统的穿过陶瓷劈刀的导电线材一般为金线，但目前逐步由金线向铜线转变。然而，采用铜线作为导电线材问题在于其硬度比较大，易氧化，焊接难度更高，因而对陶瓷劈刀的性能要求更高。目前采用的陶瓷劈刀耐金属脏污性较差，使用寿命较短，影响了其与铜线的配合使用。
技术实现要素：5.基于此，有比要提供一种能够提高表面耐金属脏污性能，并延长其焊线寿命的陶瓷劈刀。
6.本发明的一个方面，提供了一种陶瓷劈刀，包括劈刀本体、过渡层以及表面涂层，所述过渡层位于所述劈刀本体与所述表面涂层之间，所述过渡层和所述表面涂层至少覆盖所述劈刀本体的端面处，所述过渡层的材质包括cr，所述表面涂层为四面体非晶碳膜层。
7.在其中一个实施例中，所述过渡层的厚度为0.1μm～0.5μm。
8.在其中一个实施例中，所述表面涂层的厚度为0.5μm～1.5μm。
9.在其中一个实施例中，所述表面涂层的覆盖面积为50μm2～300μm2。
10.在其中一个实施例中，所述表面涂层的硬度为39gpa～60gpa。
11.本发明的另一个方面，提供一种陶瓷劈刀的制备方法，包括如下步骤：
12.在劈刀本体的端面处沉积过渡层；及
13.在所述过渡层上沉积表面涂层。
14.在其中一个实施例中，沉积过渡层的方法为电弧放电法；所述沉积过渡层的方法参数包括：沉积功率为7kw～10kw，沉积时间为20min～40min。
15.在其中一个实施例中，沉积表面涂层的方法为电弧放电法；所述沉积表面涂层的方法参数包括：沉积功率为7kw～10kw，沉积时间为90min～120min，真空度为0.1pa～5
×
10-1
pa，偏压为-600v～800v，温度150℃～190℃。
16.在其中一个实施例中，在沉积过渡层的步骤之前，还包括将所述劈刀本体在有机溶液中超声清洗10min～15min。
17.本发明的再一方面，提供一种所述的陶瓷劈刀或由所述的陶瓷劈刀的制备方法所制备的陶瓷劈刀在制作半导体芯片中的应用。
18.上述的陶瓷劈刀与传统的陶瓷劈刀相比，具有更强的耐金属脏污性能，及更长的使用寿命。
19.此外，上述的陶瓷劈刀还具有更强的耐磨性，及更低的摩擦系数。
附图说明
20.图1为一实施例的陶瓷劈刀的结构示意图；
21.图2为一实施例的陶瓷劈刀的端口截面的示意图。
22.附图标记：
23.100：陶瓷劈刀；110：劈刀本体；120：过渡层；130：表面涂层。
具体实施方式
24.为了便于理解本发明，下面将结合实施例对本发明进行更全面的描述。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。
25.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“和/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。
26.如图1～2所示，一实施例提供了一种陶瓷劈刀100，其包括劈刀本体110、过渡层120以及表面涂层130。其中，过渡层120位于劈刀本体110与表面涂层130之间，过渡层120和表面涂层130至少覆盖劈刀本体110的端面处。过渡层120的材质包括cr，表面涂层130为四面体非晶碳膜层。
27.四面体非晶碳膜中的原子间形成sp2和sp3杂化的键合结构，其分子结构和性能介于金刚石和石墨之间，具有高硬度、高耐磨等特点，作为陶瓷劈刀100的涂层，能够极大地提高陶瓷劈刀100端面的耐磨性、耐金属脏污和降低端面的摩擦系数。
28.因为陶瓷劈刀100中含有cr组分，本实施例所提供的陶瓷劈刀100，在劈刀本体110与表面涂层130之间中间引入含cr的过渡层120。相比于不含cr的过渡层120的陶瓷劈刀100而言，本实施例提供的陶瓷劈刀100可显著提高劈刀本体110与非晶碳膜表面涂层130之间的结合力。此外，还能够有效提高陶瓷劈刀100的耐磨性及耐金属脏污性能，使陶瓷劈刀100具有更长的使用寿命。本实施例所提供的陶瓷劈刀100具有较高的硬度，劈刀本体110与表面涂层130之间具有极佳的结合稳定性，同时，摩擦系数较低、耐磨性较好，且耐腐蚀，耐金属脏污，具有稳定的物理化学性质。
29.在其中一个示例中，过渡层120除cr外，不含有其他成分。
30.在其中一个示例中，过渡层120的厚度为0.1μm～0.5μm。
31.将过渡层120的厚度控制在上述范围内，有利于避免过薄的过渡层120无法提供足够的结合力的问题，还有利于避免过厚的过渡层120引起的使陶瓷劈刀100的硬度降低、及生产效率低、成本过高的问题。综合考虑性能与成本效率，将过渡层120的厚度控制在上述范围内更为适宜。
32.在其中一个示例中，表面涂层130的厚度为0.5μm～1.5μm。
33.将表面涂层130的厚度控制在上述范围内，有利于避免过薄的非晶碳膜在使用过程中易被打磨掉的问题，还有利于避免过厚的非晶碳膜引起的生产效率低、成本过高的问题。综合考虑性能与成本效率，将非晶碳膜的厚度控制在上述范围内更为适宜。
34.在其中一个示例中，表面涂层130的覆盖面积为50μm2～300μm2。
35.根据本实施例上述的教导，本领域技术人员可以选择表面涂层130在陶瓷劈刀100端口的覆盖面积，能够在提高刀具硬度、耐磨性和使用寿命的同时，降低生产成本，提高生产效率，使其更适于工业化大规模生产。
36.在其中一个示例中，所述表面涂层130的硬度为39gpa～60gpa。
37.上述的陶瓷劈刀100与传统的陶瓷劈刀相比，具有更强的耐金属脏污性能，及更长的使用寿命。此外，上述的陶瓷劈刀100还具有更强的耐磨性，及更低的摩擦系数。上述的陶瓷劈刀100可满足铜线焊接的需求，焊线寿命可达250万点以上。具体地，用于铜线焊接的焊接寿命为250万点～300万点。
38.另一实施例提供一种陶瓷劈刀的制备方法，包括如下步骤：
39.在劈刀本体的端面处沉积过渡层；及
40.在过渡层上沉积表面涂层。
41.本实施例所提供的陶瓷劈刀的制备方法，在劈刀本体与表面涂层之间中间引入含cr的过渡层。相比于不含cr的过渡层的陶瓷劈刀而言，本实施例提供的陶瓷劈刀的制备方法可显著提高劈刀本体与非晶碳膜表面涂层之间的结合力。此外，还能够有效提高陶瓷劈刀的耐磨性及耐金属脏污性能，使陶瓷劈刀具有更长的使用寿命。采用本实施例所提供的陶瓷劈刀的制备方法所制备的陶瓷劈刀具有较高的硬度，劈刀本体与表面涂层之间具有极佳的结合稳定性，同时，摩擦系数较低、耐磨性较好，且耐腐蚀，耐金属脏污，具有稳定的物理化学性质。
42.在其中一个示例中，在沉积过渡层的步骤之前，还包括将劈刀本体在有机溶液中超声清洗10min～15min。
43.在沉积过渡层的步骤之前，先去除劈刀本体表面的油污和氧化物杂质，有利于防止这些油污和氧化物杂质的存在降低过渡层与劈刀本体之间的结合力。
44.在其中一个示例中，在使用有机溶剂进行清洗的过程中，可以采用多次清洗。例如，将劈刀本体依次在乙醇、丙酮溶液中超声清洗10min-15min。
45.在其中一个示例中，采用的有机溶剂可以是乙醇、丙酮、乙腈等挥发性有机溶剂。
46.在其中一个示例中，沉积过渡层的方法为电弧放电法；沉积过渡层的方法参数包括：沉积功率为7kw～10kw，沉积时间为20min～40min。
47.在其中一个示例中，沉积表面涂层的方法为电弧放电法；沉积表面涂层的方法参数包括：沉积功率为7kw～10kw，沉积时间为90min～120min，真空度为0.1pa～5
×
10-1
pa，偏压为-600v～800v，温度150℃～190℃。
48.在其中一个示例中，沉积过程中采用的气体为乙烯或丙烯中的一种或多种。
49.在其中一个示例中，采用的气体为乙烯和丙烯的混合气体，其中乙烯与丙烯的体积比为1：1。
50.将工艺参数控制在上述范围内，形成的陶瓷劈刀的硬度更高、耐磨性更佳、附着力更强，能够进一步改善陶瓷劈刀的综合性能。
51.参照纳米压痕法测试陶瓷劈刀的硬度；参照gb t 17754-1999标准测试陶瓷劈刀的摩擦系数，摩擦系数的测试条件如下：加载力为500n，转速为30r/min，摩擦时间为30min，温度为140℃；参照标准gb/t30447-2013测试陶瓷劈刀的接触角。
52.焊线寿命的测试方法具体如下：采用k&s机台进行焊线寿命的测试，其中，线材为佳博，支架为铁支架，封装模式为2836，支架镀层厚度：20迈，线材：铜线，efo:55ma，efo time：0.201ms，bond time(1st)：8，bond time(2st)：16，bond power(1st)：140ma，bond power(2st)：10ma，bond force(1st)：60g，bond force(2st)：140g。
53.上述陶瓷劈刀的制备方法，包括：在劈刀本体的端面处沉积过渡层；及在过渡层上沉积表面涂层。过渡层的厚度为0.1μm～0.5μm，表面涂层的厚度为0.5μm～1.5μm。通过电弧放电法在劈刀本体表面形成过渡层和表面涂层，通过调整电弧放电的工艺参数，能够获得耐金属脏污、焊线寿命较高的陶瓷劈刀。此外，上述的陶瓷劈刀还具有更强的耐磨性，及更低的摩擦系数。
54.本发明的再一方面，提供了一种上述的陶瓷劈刀或由上述的陶瓷劈刀的制备方法所制备的陶瓷劈刀在制作半导体芯片中的应用。
55.以下通过具体实施例对本发明提供的陶瓷劈刀及其制备方法作进一步说明。
56.实施例1：
57.本实施例的陶瓷劈刀的制作过程具体如下：
58.将劈刀本体依次在乙醇、丙酮溶液中超声清洗15min；
59.沉积过渡层：将清洗后的劈刀本体放入电弧放电设备中，在劈刀本体的表面沉积cr过渡层，工艺参数如下：沉积功率为7kw，沉积时间为20min。
60.向电弧放电设备中通入c2h4和c3h6的混合气体，c2h4和c3h6的体积比为1：1，采用电弧放电法在过渡层上沉积表面涂层四面体非晶碳膜层，工艺参数如表1所示，其中，沉积功率为7kw，真空度为5
×
10-1
pa，偏压为-600v，沉积温度为150℃，沉积时间为90min，得到陶瓷劈刀。
61.对陶瓷劈刀进行性能测试，结果如表2所示，得到过渡层的厚度为0.1μm，表面涂层的厚度为0.5μm，表面涂层的覆盖面积为50μm2，陶瓷劈刀的硬度为45gpa，摩擦系数为0.05，接触角为85
°
，焊接铜线的焊线寿命为250万点。
62.实施例2：
63.本实施例的陶瓷劈刀的制作过程具体如下：
64.将劈刀本体依次在乙醇、丙酮溶液中超声清洗15min；
65.沉积过渡层：将清洗后的劈刀本体放入电弧放电设备中，在劈刀本体的表面沉积cr过渡层，工艺参数如下：沉积功率为7kw，沉积时间为40min。
66.向电弧放电设备中通入c2h4和c3h6的混合气体，c2h4和c3h6的体积比为1：1，采用电弧放电法在过渡层上沉积表面涂层四面体非晶碳膜层，工艺参数如表1所示，其中，沉积功
率为7kw，真空度为0.5pa，偏压为-600v，沉积温度为150℃，沉积时间为90min，得到陶瓷劈刀。
67.对陶瓷劈刀进行性能测试，结果如表2所示，得到过渡层的厚度为0.2μm，表面涂层的厚度为0.5μm，表面涂层的覆盖面积为120μm2，陶瓷劈刀的硬度为43gpa，摩擦系数为0.06，接触角为86
°
，焊接铜线的焊线寿命为255万点。
68.实施例3：
69.本实施例的陶瓷劈刀的制作过程具体如下：
70.将劈刀本体依次在乙醇、丙酮溶液中超声清洗15min；
71.沉积过渡层：将清洗后的劈刀本体放入电弧放电设备中，在劈刀本体的表面沉积cr过渡层，工艺参数如下：沉积功率为10kw，沉积时间为40min。
72.向电弧放电设备中通入c2h4和c3h6的混合气体，c2h4和c3h6的体积比为1：1，采用电弧放电法在过渡层上沉积表面涂层四面体非晶碳膜层，工艺参数如表1所示，其中，沉积功率为10kw，真空度为0.1pa，偏压为800v，沉积温度为190℃，沉积时间为120min，得到陶瓷劈刀。
73.对陶瓷劈刀进行性能测试，结果如表2所示，得到过渡层的厚度为0.3μm，表面涂层的厚度为0.6μm，表面涂层的覆盖面积为120μm2，陶瓷劈刀的硬度为40gpa，摩擦系数为0.07，接触角为86
°
，焊接铜线的焊线寿命为253万点。
74.实施例4：
75.本实施例的陶瓷劈刀的制作过程具体如下：
76.将劈刀本体依次在乙醇、丙酮溶液中超声清洗15min；
77.沉积过渡层：将清洗后的劈刀本体放入电弧放电设备中，在劈刀本体的表面沉积cr过渡层，工艺参数如下：沉积功率为8kw，沉积时间为30min。
78.向电弧放电设备中通入c2h4和c3h6的混合气体，c2h4和c3h6的体积比为1：1，采用电弧放电法在过渡层上沉积表面涂层四面体非晶碳膜层，工艺参数如表1所示，其中，沉积功率为8kw，真空度为3
×
10-1
pa，偏压为-200v，沉积温度为180℃，沉积时间为100min，得到陶瓷劈刀。
79.对陶瓷劈刀进行性能测试，结果如表2所示，得到过渡层的厚度为0.25μm，表面涂层的厚度为0.55μm，表面涂层的覆盖面积为120μm2，陶瓷劈刀的硬度为41gpa，摩擦系数为0.08，接触角为86
°
，焊接铜线的焊线寿命为251万点。
80.对比例1：
81.本对比例的陶瓷劈刀的制作过程具体如下：
82.将劈刀本体依次在乙醇、丙酮溶液中超声清洗10min；
83.沉积过渡层：将清洗后的劈刀本体放入电弧放电设备中，在劈刀本体的表面沉积cr过渡层，工艺参数如下：沉积功率为7kw，沉积时间为20min。
84.向电弧放电设备中通入c2h4和c3h6的混合气体，c2h4和c3h6的体积比为1：1，采用电弧放电法在过渡层上沉积表面涂层四面体非晶碳膜层，工艺参数如表1所示，其中，沉积功率为5kw，真空度为5
×
10-1
pa，偏压为-600v，沉积温度为150℃，沉积时间为150min，得到陶瓷劈刀。
85.对陶瓷劈刀进行性能测试，结果如表2所示，得到过渡层的厚度为0.1μm，表面涂层
的厚度为0.5μm，表面涂层的覆盖面积为50μm2，陶瓷劈刀的硬度为19gpa，摩擦系数为0.5，接触角为85
°
，焊接铜线的焊线寿命为155万点。
86.对比例2
87.本对比例的陶瓷劈刀的制作过程具体如下：
88.将劈刀本体依次在乙醇、丙酮溶液中超声清洗10min；
89.沉积过渡层：将清洗后的劈刀本体放入电弧放电设备中，在劈刀本体的表面沉积cr过渡层，工艺参数如下：沉积功率为7kw，沉积时间为60min。
90.向电弧放电设备中通入c2h4和c3h6的混合气体，c2h4和c3h6的体积比为1：1，采用电弧放电法在过渡层上沉积表面涂层四面体非晶碳膜层，工艺参数如表1所示，其中，沉积功率为11kw，真空度为5
×
10-1
pa，偏压为-600v，沉积温度为150℃，沉积时间为90min，得到陶瓷劈刀。
91.对陶瓷劈刀进行性能测试，结果如表2所示，得到过渡层的厚度为0.1μm，表面涂层的厚度为0.5μm，表面涂层的覆盖面积为50μm2，陶瓷劈刀的硬度为20gpa，摩擦系数为0.5，接触角为85
°
，焊接铜线的焊线寿命为160万点。
92.对比例3
93.对不包含的过渡层及表面涂层的陶瓷劈刀本体进行性能测试，结果如表2所述，陶瓷劈刀本体的硬度为19gpa，摩擦系数为0.5，接触角为85
°
，焊接铜线的焊线寿命为150万点。
94.对比例4
95.本实施例的陶瓷劈刀的制作过程具体如下：
96.将劈刀本体依次在乙醇、丙酮溶液中超声清洗15min；
97.沉积过渡层：将清洗后的劈刀本体放入电弧放电设备中，在劈刀本体的表面沉积cr过渡层，工艺参数如下：沉积功率为7kw，沉积时间为30min。
98.向电弧放电设备中通入c2h4和c3h6的混合气体，c2h4和c3h6的体积比为1：1，采用电弧放电法在过渡层上沉积表面涂层四面体非晶碳膜层，工艺参数如表1所示，其中，沉积功率为7kw，真空度为0.5pa，偏压为-600v，沉积温度为150℃，沉积时间为200min，得到陶瓷劈刀。
99.对陶瓷劈刀进行性能测试，结果如表2所示，得到过渡层的厚度为0.1μm，表面涂层的厚度为0.9μm，表面涂层的覆盖面积为50μm2，陶瓷劈刀的硬度为38gpa，摩擦系数为0.3，接触角为85
°
，焊接铜线的焊线寿命为170万点。
100.表1实施例1～4及对比例1～4的陶瓷劈刀制备工艺参数
[0101][0102]
表2实施例1～4及对比例1～4的陶瓷劈刀的性能测试结果
[0103][0104][0105]
从表2数据可以看出，本发明提供的陶瓷劈刀的硬度高达39～60gpa，表面的摩擦系数低于0.05。通过本发明的陶瓷劈刀的制备方法制备的陶瓷劈刀表面涂层与劈刀本体之间结合力强，表面耐金属脏污，焊线寿命达250万点以上，长时间使用涂层不易脏污或剥落。通过控制制备方法的沉积功率、沉积时间、真空度、偏压、温度等参数能够得到耐金属脏污、焊线寿命较长的陶瓷劈刀，可适用于铜线的焊线需求。
[0106]
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。
[0107]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。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。应当理解，本领域技术人员在本发明提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑的分析、推理或者有限的试验得到的技术方案，均在本发明所述附权利要求的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书可以用于解释权利要求的内容。
技术特征：1.一种陶瓷劈刀，其特征在于，包括劈刀本体、过渡层以及表面涂层，所述过渡层位于所述劈刀本体与所述表面涂层之间，所述过渡层和所述表面涂层至少覆盖所述劈刀本体的端面处，所述过渡层的材质包括cr，所述表面涂层为四面体非晶碳膜层。2.根据权利要求1所述的陶瓷劈刀，其特征在于，所述过渡层的厚度为0.1μm～0.5μm。3.根据权利要求1所述的陶瓷劈刀，其特征在于，所述表面涂层的厚度为0.5μm～1.5μm。4.根据权利要求1所述的陶瓷劈刀，其特征在于，所述表面涂层的覆盖面积为50μm2～300μm2。5.根据权利要求1所述的陶瓷劈刀，其特征在于，所述表面涂层的硬度为39gpa～60gpa。6.一种权利要求1～5任一项所述的陶瓷劈刀的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在劈刀本体的端面处沉积过渡层；及在所述过渡层上沉积表面涂层。7.根据权利要求6所述的陶瓷劈刀的制备方法，其特征在于，沉积过渡层的方法为电弧放电法；所述沉积过渡层的方法参数包括：沉积功率为7kw～10kw，沉积时间为20min～40min。8.根据权利要求6所述的陶瓷劈刀的制备方法，其特征在于，沉积表面涂层的方法为电弧放电法；所述沉积表面涂层的方法参数包括：沉积功率为7kw～10kw，沉积时间为90min～120min，真空度为0.1pa～0.5pa，偏压为-600v～800v，温度150℃～190℃。9.根据权利要求6～8任一项所述的陶瓷劈刀的制备方法，其特征在于，在沉积过渡层的步骤之前，还包括：将所述劈刀本体在有机溶液中超声清洗10min～15min。10.权利要求1～5任一项所述的陶瓷劈刀或由权利要求6～9任一项所述的陶瓷劈刀的制备方法所制备的陶瓷劈刀在制作半导体芯片中的应用。
技术总结本发明涉及一种陶瓷劈刀，包括劈刀本体、过渡层以及表面涂层，所述过渡层位于所述劈刀本体与所述表面涂层之间，所述过渡层和所述表面涂层至少覆盖所述劈刀本体的端面处，所述过渡层的材质包括Cr，所述表面涂层为四面体非晶碳膜层。本发明所提供的陶瓷劈刀，在劈刀本体与表面涂层之间中间引入含Cr的过渡层。相比于不含Cr的过渡层的陶瓷劈刀，本发明提供的陶瓷劈刀可显著提高陶瓷劈刀本体与非晶碳膜表面涂层之间的结合稳定性。此外，还能够有效提高陶瓷劈刀的耐磨性及耐金属脏污性能，使陶瓷劈刀具有更长的使用寿命。此外，本发明所提供的陶瓷劈刀还具有较高的硬度及较低的摩擦系数。陶瓷劈刀还具有较高的硬度及较低的摩擦系数。陶瓷劈刀还具有较高的硬度及较低的摩擦系数。
技术研发人员：谭毅成 朱佐祥 付苒 蔡群
受保护的技术使用者：深圳市商德先进陶瓷股份有限公司
技术研发日：2022.09.01
技术公布日：2022/12/1
