一种带材键合用楔形劈刀及其加工方法
阅读说明：本技术 一种带材键合用楔形劈刀及其加工方法 (Wedge-shaped riving knife for bonding strips and machining method thereof ) 是由 谢兴铖 曹瑞军 林中坤 杨剑 梁秋实 史植广 刘皓 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种带材键合用楔形劈刀及其加工方法。楔形劈刀为一体式结构,包括刀柄和刀头,刀柄为平缺口型圆柱,刀头为楔形结构,刀柄与刀头通过第一斜切面、第二斜切面、第三斜切面和平缺口面过渡；刀柄中心设有贯通的直引线圆孔,刀头设有贯通的斜引线方孔,刀头包括第一斜切面、平面、第三斜切面、第四斜切面和端面；端面包括前圆角面、键合面、后圆角面、沟槽和第一斜面,键合面开设有一个沟槽。本发明提供了一种带材键合用楔形劈刀及其加工方法,适用于窄间距、高密度、深腔多腔的带材的热超声楔形焊键合,满足带材穿孔顺利、超声传递无振动、键合强度符合使用要求、使用寿命长,为微波器件、微波芯片组装的引线键合提供了关键工具保障。(The invention discloses a wedge-shaped riving knife for bonding strips and a processing method thereof. The wedge-shaped cleaver is of an integrated structure and comprises a knife handle and a knife head, wherein the knife handle is a flat notch type cylinder, the knife head is of a wedge-shaped structure, and the knife handle and the knife head are in transition through a first oblique section, a second oblique section, a third oblique section and a flat notch plane; a through straight lead round hole is formed in the center of the cutter handle, a through inclined lead square hole is formed in the cutter head, and the cutter head comprises a first inclined plane, a third inclined plane, a fourth inclined plane and an end face; the end face comprises a front fillet face, a bonding face, a rear fillet face, a groove and a first inclined plane, and the groove is formed in the bonding face. The invention provides a wedge-shaped chopper for strip bonding and a processing method thereof, which are suitable for thermal ultrasonic wedge-shaped welding bonding of strips with narrow spacing, high density, deep cavity and multiple cavities, meet the requirements of smooth strip perforation, no vibration in ultrasonic transmission, high bonding strength meeting the use requirement and long service life, and provide a key tool guarantee for the wire bonding of microwave device and microwave chip assembly.)
技术领域
本发明属于微电子工具领域，具体涉及一种带材键合用楔形劈刀及其加工方法。
背景技术
引线键合是利用楔形劈刀传递超声波能量，使穿过劈刀的键合引线在劈刀刀头与焊盘金属间产生压力与摩擦，从而与基板焊盘紧密焊合，实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。而随着集成电路的线宽不断缩小，由2008年的0.057μm到达2018年的0.018μm。与此对应，引线键合的焊盘间距由35μm减小到20μm，对引线键合技术提出了细间距与高可靠的要求。鉴于楔形焊接焊点处引线面积小，焊盘间距小与引线弧度低等特性，更适用于高密度的芯片互连中。因此，楔形劈刀成为各种微波器件工艺环节中引线键合工艺中的重要工具。
尤其是对于高工作频率、高可靠的微波器件，需要通过带材来实现高密度、多层、多芯片组装的微组装，这对研制具有微纳方孔结构的带材楔形焊劈刀提出了新的挑战。如何提供一种适用于窄间距、高密度、深腔多腔的带材的热超声楔形焊键合的楔形劈刀，满足带材穿孔顺利、超声传递无振动、键合强度符合使用要求以及使用寿命长的需要，为微波器件、微波芯片组装的引线键合提供关键工具保障，已经成为亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种带材键合用楔形劈刀，为一体式结构，长度为12-40mm，包括刀柄1和刀头2，其特征在于，所述刀柄1为平缺口型圆柱，所述刀头2为楔形结构，所述刀柄1与所述刀头2通过第一斜切面121、第二斜切面122、第三斜切面123和平缺口面124进行过渡；所述刀柄1中心设有贯通的直引线圆孔11，所述刀头2设有贯通的斜引线方孔24；所述刀头2包括第一斜切面121、平面23、第三斜切面123、第四斜切面21和端面22，所述端面22包括前圆角面221、键合面222、后圆角面223、第一沟槽224和第一斜面225，所述键合面222开设有一个第二沟槽2221。
优选的，所述第一斜切面121、第二斜切面122、第三斜切面123与刀柄1的夹角一致，且夹角大小为2°-30°。
优选的，所述刀柄1的直径为1.5-2.5mm，直径公差≤±5μm，平缺口的径向长度为1.3-2.3mm，平缺口的径向长度公差为(-0.01，0)。
优选的，所述直引线圆孔11的直径为0.20-0.55mm，尺寸公差≤±5μm，同心度≤±5μm，表面粗糙度≤1.0μm；所述斜引线方孔24的宽度为0.06-0.25mm，厚度为0.04-0.10mm，所述斜引线方孔24与刀柄1的夹角为25°-60°，尺寸公差≤±5μm，表面粗糙度≤1.0μm；所述斜引线方孔24的入口呈等腰梯形，其四边分别与平面23四边相互平行，垂直于刀柄1轴线的入口两边所在的入口面与斜引线方孔24的夹角为10°-70°，平行于斜切面交线的入口两边所在的入口面与斜引线方孔24的夹角为5°-45°。
优选的，所述楔形劈刀的加工毛坯为带有孔径为0.15-0.50mm中心通孔的钨钢、钛合金、高速钢、淬硬钢或陶瓷圆棒。
优选的，所述前圆角面221的圆角半径为1-50μm，所述后圆角面223的圆角半径为1-50μm。
优选的，所述键合面222的宽度尺寸为0.10-0.25mm，长度尺寸为0.05-0.25mm，表面粗糙度≤0.8μm。
优选的，所述第二沟槽2221为圆弧沟槽或V型沟槽，其中，所述圆弧沟槽的圆弧半径为0.01-0.10mm，宽度为0.02-0.15mm；所述V型沟槽的沟槽夹角为30°-150°，宽度为0.02-0.15mm。
优选的，所述第一沟槽224包括第二斜面2241、圆角面2242和第三斜面2243，所述第二斜面2241与所述第三斜面2243互相垂直，第二斜面2241与键合面222的夹角为30°-75°；所述圆角面2242的圆角半径为0.02-0.10mm。
本发明的目的还在于提供一种带材键合用楔形劈刀的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)将带有中心通孔的钨钢、钛合金、高速钢、淬硬钢或陶瓷圆棒采用无心磨床进行精磨外圆；
S2)采用五轴数控加工中心切削出平缺口劈刀圆柱；
S3)采用高精密磨床磨削出第一斜切面121、第二斜切面122、平面23、第三斜切面123和第四斜切面21；
S4)采用高精度电火花设备或皮秒激光器加工出前圆角面221、键合面222、后圆角面223、第一沟槽224和第一斜面225；
S5)采用高精度电火花设备或皮秒激光进行中心孔扩孔和微孔加工，加工出直引线圆孔11和斜引线方孔24。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1)本发明提供的楔形劈刀，适用于宽度为60-250μm的窄间距、高密度、深腔多腔的带材的热超声楔形焊键合，同时满足带材穿孔顺利、超声传递无振动、键合强度符合使用要求、使用寿命长，为微波器件、微波芯片组装的引线键合提供了关键工具保障；
2)本发明提供的加工方法，采用高精度电火花设备或皮秒激光器加工出刀头端面、直引线圆孔和斜引线方孔，突破了金属或陶瓷材料的微纳结构和微纳方孔加工的关键技术，为具有复杂精细结构的微电子工具提供了关键加工技术保障。
附图说明
图1为本发明的一种带材键合用楔形劈刀的整体结构示意图；
图2为本发明的一种带材键合用楔形劈刀的剖面示意图；
图3为本发明的一种带材键合用楔形劈刀的刀头的结构示意图之一；
图4为本发明的一种带材键合用楔形劈刀的刀头的结构示意图之二；
图5为本发明的一种带材键合用楔形劈刀的刀头的结构示意图之三；
图6为本发明的一种带材键合用楔形劈刀的刀头的结构示意图之四；
图7为本发明的一种带材键合用楔形劈刀的刀头的结构示意图之五。
图中附图标记为：
1-刀柄，11-直引线圆孔，121-第一斜切面，122-第二斜切面，123-第三斜切面，124-平缺口面，2-刀头，21-第四斜切面，22-端面，221-前圆角面，222-键合面，2221-第二沟槽，223-后圆角面，224-第一沟槽，2241-第二斜面，2242-圆角面，2243-第三斜面，225-第一斜面，23-平面，24-斜引线方孔。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图对本发明的一种带材键合用楔形劈刀及其加工方法进行详细描述。
参阅附图1-7，一种带材键合用楔形劈刀，为一体式结构，长度为12-40mm，包括刀柄1和刀头2，其特征在于，所述刀柄1为平缺口型圆柱，所述刀头2为楔形结构，所述刀柄1与所述刀头2通过第一斜切面121、第二斜切面122、第三斜切面123和平缺口面124进行过渡；所述刀柄1中心设有贯通的直引线圆孔11，所述刀头2设有贯通的斜引线方孔24；所述刀头2包括第一斜切面121、平面23、第三斜切面123、第四斜切面21和端面22，所述端面22包括前圆角面221、键合面222、后圆角面223、第一沟槽224和第一斜面225，所述键合面222开设有一个第二沟槽2221。
优选的，所述第一斜切面121、第二斜切面122、第三斜切面123与刀柄1的夹角一致，且夹角大小为2°-30°。
优选的，所述刀柄1的直径为1.5-2.0mm，直径公差≤±5μm，平缺口的径向长度为1.3-2.3mm，平缺口的径向长度公差为(-0.01，0)。
优选的，所述直引线圆孔11的直径为0.20-0.55mm，尺寸公差≤±5μm，同心度≤±5μm，表面粗糙度≤1.0μm；所述斜引线方孔24的宽度为0.06-0.25mm，厚度为0.04-0.10mm，所述斜引线方孔24与刀柄1的夹角为25°-60°，尺寸公差≤±5μm，表面粗糙度≤1.0μm；所述斜引线方孔24的入口呈等腰梯形，其四边分别与平面23四边相互平行，垂直于刀柄1轴线的入口两边所在的入口面与斜引线方孔24的夹角为10°-70°，平行于斜切面交线的入口两边所在的入口面与斜引线方孔24的夹角为5°-45°
优选的，所述楔形劈刀的加工毛坯为带有孔径为0.15-0.50mm中心通孔的钨钢、钛合金、高速钢、淬硬钢或陶瓷圆棒。
优选的，所述前圆角面221的圆角半径为1-50μm，所述后圆角面223的圆角半径为1-50μm。
优选的，所述键合面222的宽度尺寸为0.10-0.25mm，长度尺寸为0.05-0.25mm，表面粗糙度≤0.8μm。
优选的，所述第二沟槽2221为圆弧沟槽或V型沟槽，其中，所述圆弧沟槽的圆弧半径为0.01-0.10mm，宽度为0.02-0.15mm；所述V型沟槽的沟槽夹角为30°-150°，宽度为0.02-0.15mm。
优选的，所述第一沟槽224包括第二斜面2241、圆角面2242和第三斜面2243，所述第二斜面2241与所述第三斜面2243互相垂直，第二斜面2241与键合面222的夹角为30°-75°；所述圆角面2242的圆角半径为0.02-0.10mm。
本发明的目的还在于提供一种带材键合用楔形劈刀的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)将带有中心通孔的钨钢、钛合金、高速钢、淬硬钢或陶瓷圆棒采用无心磨床进行精磨外圆；
S2)采用五轴数控加工中心切削出平缺口劈刀圆柱；
S3)采用高精密磨床磨削出第一斜切面121、第二斜切面122、平面23、第三斜切面123和第四斜切面21；
S4)采用高精度电火花设备或皮秒激光器加工出前圆角面221、键合面222、后圆角面223、第一沟槽224和第一斜面225；
S5)采用高精度电火花设备或皮秒激光进行中心孔扩孔和微孔加工，加工出直引线圆孔11和斜引线方孔24。
下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
一种带材键合用整体结构楔形劈刀，长度为12mm，包括刀柄1和刀头2两部分，刀柄1与刀头2通过第一斜切面121、第二斜切面122、第三斜切面123和平缺口面124进行过渡，第一斜切面121、第二斜切面122、第三斜切面123与刀柄1的夹角一致，夹角大小为2°；刀柄1为平缺口型圆柱，刀柄直径为1.5mm，刀柄直径公差≤±5μm，平缺口径向长度为1.3mm，平缺口径向长度公差为(-0.01，0)；刀柄1中心设有贯通的直引线圆孔11，其直径为0.20mm、尺寸公差≤±5μm、同心度≤±5μm、表面粗糙度≤1.0μm；刀头2为楔形结构，由第一斜切面121、平面23、第三斜切面123、第四斜切面21和端面22组成；端面22由前圆角面221、键合面222、后圆角面223、第一沟槽224、第一斜面225组成，键合面222包含一个第二沟槽2221；刀头2设有贯通的斜引线方孔24，其尺寸(宽度×厚度)为0.06mm×0.04mm，与刀柄1的夹角为60°、尺寸精度≤±5μm，表面粗糙度≤1.0μm；斜引线方孔的入口呈等腰梯形，其四边分别与平面23四边相互平行，垂直于刀柄1轴线的入口两边所在的入口面与斜引线方孔24的夹角为10°，平行于斜切面交线的入口两边所在的入口面与斜引线方孔24的夹角为5°
所述楔形劈刀的加工毛坯为带有中心通孔的钨钢圆棒，其中心通孔孔径为0.15mm；前圆角面221的圆角半径为1μm，后圆角面223的圆角半径为1μm；键合面222的宽度(与第二沟槽2221平行方向)为0.10mm、长度(与第二沟槽2221垂直方向)为0.05mm、表面粗糙度≤0.8μm；第二沟槽2221为圆弧沟槽，圆弧沟槽的圆弧半径为0.01mm，宽度为0.02mm；第一沟槽224由第二斜面2241、圆角面2242和第三斜面2243，第二斜面2241与第三斜面2243互相垂直，第二斜面2241与键合面222的夹角为30°；圆角面2242的圆角半径为0.02mm。
所述楔形劈刀的加工方法，包括如下步骤，1)将带有中心孔的钨钢采用无心磨床进行精磨外圆；2)采用五轴数控加工中心切削出平缺口劈刀圆柱；3)采用高精密磨床磨削出第一斜切面121、第二斜切面122、平面23、第三斜切面123和第四斜切面21；4)采用高精度电火花设备或皮秒激光器加工出前圆角面221、键合面222、后圆角面223、第一沟槽224和第一斜面225；5)采用高精度电火花设备或皮秒激光进行中心孔扩孔和微孔加工，加工出直引线圆孔11和斜引线方孔24。
实施例2：
一种带材键合用整体结构楔形劈刀，长度为40mm，包括刀柄1和刀头2两部分，刀柄1与刀头2通过第一斜切面121、第二斜切面122、第三斜切面123和平缺口面124进行过渡，第一斜切面121、第二斜切面122、第三斜切面123与刀柄1的夹角一致，夹角大小为30°；刀柄1为平缺口型圆柱，刀柄直径为2.5mm，刀柄直径公差≤±5μm，平缺口径向长度为2.3mm，平缺口径向长度公差为(-0.01，0)；刀柄1中心设有贯通的直引线圆孔11，其直径为0.55mm、尺寸公差≤±5μm、同心度≤±5μm、表面粗糙度≤1.0μm；刀头2为楔形结构，由第一斜切面121、平面23、第三斜切面123、第四斜切面21和端面22组成；端面22由前圆角面221、键合面222、后圆角面223、第一沟槽224、第一斜面225组成，键合面222包含一个第二沟槽2221；刀头2设有贯通的斜引线方孔24，其尺寸(宽度×厚度)为0.25mm×0.10mm、与刀柄1的夹角为25°、尺寸精度≤±5μm，表面粗糙度≤1.0μm；斜引线方孔的入口呈等腰梯形，其四边分别与平面23四边相互平行，垂直于刀柄1轴线的入口两边所在的入口面与斜引线方孔24的夹角为70°，平行于斜切面交线的入口两边所在的入口面与斜引线方孔24的夹角为45°
所述楔形劈刀的加工毛坯为带有中心通孔的淬硬钢圆棒，中心通孔孔径为0.50mm；前圆角面221的圆角半径为50μm，后圆角面223的圆角半径为50μm；键合面222的宽度(与第二沟槽2221平行方向)为0.25mm、长度(与第二沟槽2221垂直方向)为0.25mm、表面粗糙度≤0.8μm；第二沟槽2221为V型沟槽，V型沟槽的沟槽夹角为150°，宽度为0.15mm；第一沟槽224由第二斜面2241、圆角面2242和第三斜面2243，第二斜面2241与第三斜面2243互相垂直，第二斜面2241与键合面222的夹角为75°；圆角面2242的圆角半径为0.10mm。
所述楔形劈刀采用的加工方法，包括如下步骤，1)将带有中心孔的钛合金采用无心磨床进行精磨外圆；2)采用五轴数控加工中心切削出平缺口劈刀圆柱；3)采用高精密磨床磨削出第一斜切面121、第二斜切面122、平面23、第三斜切面123和第四斜切面21；4)采用高精度电火花设备或皮秒激光器加工出前圆角面221、键合面222、后圆角面223、第一沟槽224和第一斜面225；5)采用高精度电火花设备或皮秒激光进行中心孔扩孔和微孔加工，加工出直引线圆孔11和斜引线方孔24。
实施例3：
一种带材键合用整体结构楔形劈刀，长度为19.05mm，包括刀柄1和刀头2两部分，刀柄1与刀头2通过第一斜切面121、第二斜切面122、第三斜切面123和平缺口面124进行过渡，第一斜切面121、第二斜切面122、第三斜切面123与刀柄1的夹角一致，夹角大小为10°；刀柄1为平缺口型圆柱，刀柄直径为1.586mm，刀柄直径公差≤±5μm，平缺口径向长度为1.5mm，平缺口径向长度公差为(-0.01，0)；刀柄1中心设有贯通的直引线圆孔11，其直径为0.45mm、尺寸公差≤±5μm、同心度≤±5μm、表面粗糙度≤1.0μm；刀头2为楔形结构，由第一斜切面121、平面23、第三斜切面123、第四斜切面21和端面22组成；端面22由前圆角面221、键合面222、后圆角面223、第一沟槽224、第一斜面225组成，键合面222包含一个第二沟槽2221；刀头2设有贯通的斜引线方孔24，其尺寸(宽度×厚度)为0.1mm×0.05mm、与刀柄1的夹角为45°、尺寸精度≤±5μm，表面粗糙度≤1.0μm；斜引线方孔的入口呈等腰梯形，其四边分别与平面23四边相互平行，垂直于刀柄1轴线的入口两边所在的入口面与斜引线方孔24的夹角为30°，平行于斜切面交线的入口两边所在的入口面与斜引线方孔24的夹角为15°
所述楔形劈刀的加工毛坯为陶瓷圆棒，中心通孔孔径为0.35mm；前圆角面221的圆角半径为25μm，后前圆角面224的圆角半径为15μm；键合面222的宽度(与第二沟槽2221平行方向)为0.20mm、长度(与第二沟槽2221垂直方向)为0.15mm、表面粗糙度≤0.8μm；第二沟槽2221为圆弧沟槽，其圆弧半径为0.15mm，宽度为0.03mm；第一沟槽224由第二斜面2241、圆角面2242和第三斜面2243，第二斜面2241与第三斜面2243互相垂直，第二斜面2241与键合面222的夹角为60°；圆角面2242的圆角半径为0.05mm。
所述楔形劈刀采用的加工方法，包括如下步骤，1)将带有中心孔的陶瓷圆棒采用无心磨床进行精磨外圆；2)采用五轴数控加工中心切削出平缺口劈刀圆柱；3)采用高精密磨床磨削出第一斜切面121、第二斜切面122、平面23、第三斜切面123和第四斜切面21；4)采用高精度电火花设备或皮秒激光器加工出前圆角面221、键合面222、后圆角面223、第一沟槽224和第一斜面225；5)采用高精度电火花设备或皮秒激光进行中心孔扩孔和微孔加工，加工出直引线圆孔11和斜引线方孔24。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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