专利名称：在基板中嵌入金属材料的方法
技术领域：
本发明涉及微电子行业的封装技术领域，特别涉及一种在基板中嵌入金属材料的方法。
背景技术：
近几年来,先进的封装技术已在IC制造行业开始出现,特别是三维(3Dimension)封装突破传统的平面封装的概念，组装效率高达200%以上。通过垂直堆叠芯片建立3D封装结构，通过硅片通道(Through Silicon Vias，简称TSV)能够提供更高地封装集成度。3DTSV互连可以减小物理尺寸节省有用的空间，缩短互连长度减小信号延迟来加快运行速度。2008国际半导体技术路线图确立的最终目标是在单一系统上进行异质集成，TSV 互连在这个目标中扮演着重要角色，它可以提供低成本、可靠的通孔制备技术，适合的通孔填充材料的选择，新颖的电学和热学问题设计解决方案。随着半导体技术的发展，用于系统级封装(System in Package,简称SiP)技术的娃基转接板在高密度3D封装领域变得越来越重要了。同时由于玻璃、陶瓷材料的优点，玻璃基转接板、陶瓷基转接板等也广泛的用于各种特定集成封装中。目前，TSV硅基板主要采用的是DRIE干法刻蚀打孔，填空主要采取的是电镀填铜，效率不高，而且对高深宽比的孔，电镀容易出现空洞，影响可靠性。类似地，玻璃基转接板的制作主要为减成法。减成法技术制作转接板的步骤包括首先在玻璃基板上形成孔的结构，然后在孔中电镀导电材料形成电互连，其中电镀的工艺相当复杂。申请人:意识到现有技术存在如下技术缺陷采用打孔结合电镀的方法在基板中嵌入金属材料的工艺复杂，成本高。
发明内容
(一 )要解决的技术问题为解决上述缺陷，本发明提供了一种在基板中嵌入金属材料的方法，以降低工艺复杂度和成本。( 二 )技术方案本发明公开了一种在基板中嵌入金属材料的方法。该方法包括在基板上制作孔或槽；在孔或槽中填充金属材料的粉料或浆料；利用微区瞬时加热装置加热孔或槽的区域，使孔或槽中填充的金属材料烧结；冷却固化孔或槽的区域，使金属材料呈块状嵌入到基板中。本发明在基板中嵌入金属材料的方法中，在孔或槽中填充金属材料的粉料或浆料的步骤之前还包括在孔或槽的内壁形成用于增加金属材料与基板润湿性或绝缘性的涂层。优选地，涂层为氧化物层或玻璃层。在孔或槽的内壁形成氧化物涂层的方法为热氧化、物理气相沉积或化学气相沉积。本发明在基板中嵌入金属材料的方法中，利用微区瞬时加热装置加热孔或槽的区域的步骤同时还包括利用惰性气体保护被加热的孔或槽的区域。本发明在基板中嵌入金属材料的方法中，金属材料为以下材料中的一种或由以下材料中的两种或两种以上构成的合金镍，铁，铜，铝，钼，金，鈀，钛，钨或银。金属材料的粉料为金属材料粒度小于20 μ m的粉末或纳米级颗粒；金属材料的浆料为金属材料的导体电子浆料。本发明在基板中嵌入金属材料的方法中，微区瞬时加热装置为激光器或等离子体火炬。本发明在基板中嵌入金属材料的方法中，利用微区瞬时加热装置加热孔或槽的区域的步骤中微区瞬时加热装置与孔或槽位于基板的同侧或两侧。
本发明在基板中嵌入金属材料的方法中，基板为玻璃基板、陶瓷基板或硅基板。本发明在基板中嵌入金属材料的方法中，冷却固化孔或槽的区域，使金属材料呈块状嵌入到基板中的步骤之后还包括利用机械研磨减薄结合机械抛光，或机械研磨减薄结合化学机械抛光，使基板减薄到所需厚度，并使嵌入到基板中的块状金属材料的两端暴露出来。(三)有益效果本发明在基板中嵌入金属材料的方法解决了现有技术中玻璃转接板、陶瓷转接板和硅基转接板等金属通孔基板制备中填孔工艺复杂，成本高等问题，工艺简单，成本低廉，并且提高了在基板中嵌入金属材料的均匀性。利用该方法制作的金属通孔基板可以广泛用于微电子封装、MEMS器件封装，生物和医疗等领域。
图I为本发明实施例在基板中嵌入金属材料方法的流程2为本发明实施例在基板中嵌入金属材料方法中利用激光法在基板上加工盲孔后的基板不意图；图3为本发明实施例在基板中嵌入金属材料方法中将金属浆料填入基板上盲孔中后的基板不意图；图4为本发明实施例在基板中嵌入金属材料方法中用激光瞬间加热电子浆料进行烧结后的基板示意图；图5为本发明实施例在基板中嵌入金属材料方法中玻璃基板上所有盲孔中电子浆料用激光烧结后的基板示意图。图6为本发明实施例在基板中嵌入金属材料方法中对基板两面进行化学机械抛光后的基板不意图；图7为本发明实施例在基板中嵌入金属材料方法中在金属通孔基板上制作再分布层和凸点后的基板不意图；图8为本发明实施例在基板中嵌入金属材料方法中在金属通孔基板上进行器件三维集成后的基板示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。为了避免电镀效率低，成本高；绝缘基板上不易电镀等问题，本发明采用先将金属粉末或浆料填入基板上的孔或者槽中，再采用微区加热方式，将金属烧结凝固。利用这个方法，结合封装工艺来进一步来制作金属通孔基板，如TGV玻璃转接板、TSV硅基板、玻璃基板
坐寸οMEMS封装用玻璃，如Borofloat 33玻璃的软化温度很高，加工温度超过1000度，不易变形。其他基板，例如陶瓷基板、硅基板也有类似的性质。激光、等离子体火炬等瞬时加热装置，可以在瞬间发出巨大热量，使得聚焦加热的微区达到上千度的温度，而且可以保证非加热区处于一个较低温度下，从而不会破坏整个基板的或非加热区的状态，形貌以及性质。一般情况下，金属纳米颗粒或者浆料的烧结温度并不高，调节激光器的功率至1-100W就能够将其烧结。微区瞬时加热装置与所述孔或槽可以位于所述基板的同侧或两侦U。激光器与孔的最佳距离即是激光的焦距。在具体实施例中，根据待嵌入金属粉末和浆料的材料、位置，可以通过调整激光功率、焦距来调节加热微区的尺寸和温度，从而保证金属材料的烧结。并且，金属材料并不一定是完全熔化，而可以仅是表面熔化。在本发明的一个示例性实施例中，公开了一种在基板中嵌入金属材料的方法。图I为本发明实施例在基板中嵌入金属材料方法的流程图。如图I所示，本实施例包括以下步骤步骤S102，利用机械或激光等方法在玻璃板上制作出孔或槽，将金属粉末或浆料放入；·步骤S104，利用微区瞬时加热装置分别瞬间加热基板放入金属粉末或浆料的多个微小区域，使该区域内金属粉料或浆料烧结；步骤S106，烧结区域冷却固化，金属材料嵌入到基板中；步骤S108，使基板减薄到指定厚度，并使嵌入基板的至少一个金属材料的材料的两端在玻璃基板上下表面分别暴露出来。本实施例中，可以采用的嵌入基板内的金属材料可以为以下材料中的一种或由以下材料中的两种以上构成的合金镍，铁，铜，招，钼，金，紀，钛，鹤，银或其它易于烧结的金属。金属材料的粉料优选为金属材料的纳米级颗粒，粒度在20 μ m以下的金属粉料也可以满足应用的需要；金属材料的浆料为金属材料的导体电子浆料。微区瞬时加热装置可以为等离子体火炬或其它任一可以瞬间加热的装置，优选为激光器。为了增强金属材料与基板的粘结性，在本发明优选的实施例中，步骤S102在孔或槽中填充金属材料的粉料或浆料之前还包括在孔或槽的内壁形成用于增加金属材料与基板润湿性和绝缘性的涂层。该涂层可以是氧化物或玻璃等材料，但不限于这两种。该氧化物可以是氧化镍，氧化铁，氧化铜，氧化钛，氧化钨、氧化硅等。一般来说可以选择所填充金属的氧化物，如填充金属材料为钨时，涂层材料可以选择五氧化二钨。当基板材料是硅时，通常采用氧化硅作为提高绝缘性和润湿性的涂层。制备该涂层的方法可以为热氧化法、物理气相沉积或化学气相沉积。上述步骤S104中，为了尽可能的减小微区加热对所填充金属颗粒造成氧化，在本发明优选的实施例中，利用微区瞬时加热装置加热孔或槽的区域的步骤同时还包括利用惰性气体保护被加热的孔或槽的区域。随着电子器件的小型化，薄形化，有时候基板需要减薄到指定厚度，如50 μ m-500 μ m。同时由于金属材料的嵌入，基板表面会变得粗糙不平，因此表面的整平必不可少。上述步骤S108中，基板减薄并使金属材料的两端在基板上下表面分别暴露出来的方法可以是机械减薄+机械抛光或机械减薄+化学机械抛光等。表面平整后，才能进一步制作再分布层，以及凸点制备等后续可能要求的工艺，并最终得到所需的金属通孔基板。以下将在上述实施例的基础上，给出本发明的最优实施例。需要说明的，该最优的实施例仅用于理解本发明，并不用于限制本发明的保护范围。并且，最优实施例中的特征，在无特别注明的情况下，均同时适用于上述各实施例，在相同或不同实施例中出现的技术 特征在不相互冲突的情况下可以组合使用。本实施例在基板中嵌入金属材料的方法包括以下步骤步骤SOl :选择Corning Pyrex 7740玻璃作为基板材料101，大小为4英寸圆片，厚度为2毫米。选用含有铜纳米粒子的电子浆料作为嵌入的金属材料。其中，此处孔或槽的直径一般介于20微米至200微米之间；步骤S02 :在玻璃基板101上利用激光加工方式，加工出直径100微米，深700微米的盲孔102，加工盲孔的方法还可以为精密机械的方法，加工盲孔后的基板如图2所示；步骤S03 :将金属浆料201放入玻璃基板上的盲孔102中，在盲孔中加入电子浆料的基板如图3所不；步骤S04 :采用Nd = YAG激光器，调节激光功率和焦距，通过光学系统，使半导体激光器301对准玻璃基板101的盲孔中的电子浆料201，进行加热烧结，当然也可以采用CO2激光器；步骤S05 :激光器301停止加热，201经过烧结变成凝固的铜柱，从而得到一垂直互连线202，嵌入冷却后的块状铜柱的基板如图4所示；步骤S06 :重复步骤S04和S05直到完成所要求数量的铜柱的嵌入，嵌入多块铜柱的基板如图5所不；步骤S07 :通过化学机械抛光整平玻璃基板嵌入铜柱一面401，使玻璃基板达到所要求的平整度。通过机械减薄和化学机械抛光减薄并整平玻璃基板另一面402，使嵌有铜柱玻璃基板的厚度约为300微米，且使玻璃基板达到所要求的平整度，平整后的基板如图6所示；步骤S08 :采用标准工艺制作再分布层501和凸点502，完成玻璃金属通孔转接板的制作，制作完成的玻璃金属通孔转接板如图7所示；其中，再分布层501的制备过程为首先在基板上生长或涂覆绝缘层(可能是氧化硅，氮化硅，聚酰亚胺，BCB等)，然后用光刻方法将电极引出到需要的位置，从而形成再分布层501。而凸点502的制备过程为首先在基板上进行多层金属化，以形成粘附层、阻挡层和导体层；然后进行电镀形成具有一定高度所需的金属凸点；最后再进行回流形成凸点502 ；步骤S09 :进行MEMS器件三维集成，完成如图7所示三维堆叠结构的MEMS器件的集成。其中，601是器件芯片，602是焊料凸点，603为PCB板。本步骤中，首先在PCB603板上进行电镀UBM(凸点下金属)和焊料，再进行回流，形成焊料凸点602 ;而后将601芯片安装在转接板上，而后将芯片上的焊盘与微凸点相连，通过回流焊焊在转接板上；综上所述，本发明在基板中嵌入金属材料的方法解决了现有技术中玻璃转接板和硅基转接板等金属通孔基板制备中填孔工艺复杂，成本高等问题，工艺简单，成本低廉，并且提高了在基板中嵌入金属材料的均匀性。利用该方法制作的玻璃转接板、硅基转接板等金属通孔基板可以广泛用于微电子封装、MEMS器件封装，生物和医疗等领域。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种在基板中嵌入金属材料的方法，其特征在于，该方法包括 在基板上制作孔或槽； 在所述孔或槽中填充所述金属材料的粉料或浆料； 利用微区瞬时加热装置加热所述孔或槽的区域，使所述孔或槽中填充的金属材料烧结； 冷却固化所述孔或槽的区域，使所述金属材料呈块状嵌入到所述基板中。
2.根据权利要求I所述的在基板中嵌入金属材料的方法，其特征在于，所述在孔或槽中填充金属材料的粉料或浆料的步骤之前还包括 在所述孔或槽的内壁形成用于增加所述金属材料与所述基板润湿性和绝缘性的涂层。
3.根据权利要求2所述的在基板中嵌入金属材料的方法，其特征在于，所述涂层的材料为以下材料中的一种氧化物层或玻璃材料。
4.根据权利要求3所述的在基板中嵌入金属材料的方法，其特征在于，所述在孔或槽的内壁形成氧化物涂层的方法为热氧化、物理气相沉积或化学气相沉积。
5.根据权利要求I所述的在基板中嵌入金属材料的方法，其特征在于，所述利用微区瞬时加热装置加热孔或槽的区域的步骤同时还包括 利用惰性气体保护所述被加热的孔或槽的区域。
6.根据权利要求I所述的在基板中嵌入金属材料的方法，其特征在于，所述金属材料为以下材料中的一种或由以下材料中的两种或两种以上构成的合金镍，铁，铜，铝，钼，金，紀，钦，鹤或银。
7.根据权利要求6所述的在基板中嵌入金属材料的方法，其特征在于，所述金属材料的粉料为金属材料的粒度小于20 μ m的粉末或纳米级颗粒；所述金属材料的浆料为所述金属材料的导体电子浆料。
8.根据权利要求I所述的在基板中嵌入金属材料的方法，其特征在于，所述微区瞬时加热装置为激光器或等离子体火炬。
9.根据权利要求8所述的在基板中嵌入金属材料的方法，其特征在于，所述利用微区瞬时加热装置加热孔或槽的区域的步骤中 所述微区瞬时加热装置与所述孔或槽位于所述基板的同侧或两侧。
10.根据权利要求I所述的在基板中嵌入金属材料的方法，其特征在于，所述基板为玻璃基板、陶瓷基板或硅基板。
11.根据权利要求I至10中任一项所述的在基板中嵌入金属材料的方法，其特征在于，所述冷却固化孔或槽的区域，使金属材料呈块状嵌入到基板中的步骤之后还包括 利用机械研磨减薄结合机械抛光，或机械研磨减薄结合化学机械抛光，使所述基板减薄到所需厚度，并使嵌入到基板中的块状金属材料的两端暴露出来。
全文摘要
本发明公开了一种在基板中嵌入金属材料的方法。该方法包括在基板上制作孔或槽；在孔或槽中填充金属材料的粉料或浆料；利用微区瞬时加热装置加热孔或槽的区域，使孔或槽中填充的金属材料烧结；冷却固化孔或槽的区域，使金属材料呈块状嵌入到基板中。本发明在基板中嵌入金属材料的方法解决了现有技术中玻璃转接板、陶瓷转接板和硅基转接板等金属通孔基板制备中填孔工艺复杂，成本高等问题，工艺简单，成本低廉。
文档编号H01L21/768GK102915949SQ20111021855
公开日2013年2月6日 申请日期2011年8月1日 优先权日2011年8月1日
发明者于大全, 孙瑜, 戴风伟 申请人:中国科学院微电子研究所