填充头设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种填充头设备，包括：用于保持流体的至少一个腔室。所述腔室具有用于排出流体的出口。一种真空装置，其具有用于与流体出口相邻的抽吸装置的入口。多个柔性且弹性的密封装置与工件的顶面接触。密封装置定位于腔室出口的相对侧和真空装置入口的相对侧，使得所述密封装置在由工件限定的空腔周围产生至少部分的密封，该空腔位于腔室出口和真空出口两者的下方。
【专利说明】填充头设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有用于真空和压力填充的填充头接口的设备，更具体地涉及一种具有填充头接口的设备，所述填充头接口包括相邻的用于在制造过程中使用的真空和压力装置。
【背景技术】
[0002]常规的精密图案填充工艺，例如，在半导体制造(例如，集成电路、芯片技术和芯片封装)中填充晶片或半导体芯片上的特征结构(例如通过蚀刻产生的空腔/凹穴或沟槽)。该特征结构可被物质填充，所述物质包括糊剂、油墨、液体金属(如焊料)和溶剂。这些材料可以处于低于室温、室温或例如熔融焊料的高温下。此外，所述特征结构可以是在产品制造过程中所需的特征结构和空腔，包括小的特征结构，例如5-200 μ m宽和/或深。
[0003]与现有图案填充过程相关联的一个问题是压力自身往往不足以将材料注入特征结构内。此外，例如，具有高的纵横比、即比较大的高度与直径比或高度与宽度比的通孔可能难以填充。此外，盲孔经常是非常难以填充的，因为滞留的气体的背压能阻止孔的完全填充。
[0004]通常，由于特征结构中存在环境大气气体，使用空腔填充工艺填充孔或模制特征结构是有问题的。该气体必须被填充材料完全取代，否则气泡将占据经填充的特征结构和/或能导致特征结构周围的密封被破坏。问题在高速填充过程中尤为突出，其中在填充材料进入空腔的同时特征结构或空腔具有最少的时间来渗出滞留气体。因此，在用于填充特征结构所需的时间内取代过程经常是不完全的，并在极端情况下导致部分地填充空腔，这成为工艺中的缺陷。对于某些操作，例如允许特征结构的空腔被部分填充或者未填充，则不是缺陷。在特征结构中滞留的气体可导致部分地填充空腔。被部分地填充的特征结构或空腔可导致特征结构周围的密封劣化，尤其是在高温例如超过200°C经过长时间之后。
[0005]现有的特征结构填充工艺的另一个问题是，目前对于使特征结构密封的努力不足以维持特征结构周围的密封性，因为表面区域可能是粗糙的。粗糙可由现有密封方法引起，该方法可从空腔拖曳填充物质如焊料，在装置例如晶片的表面区域上留下条纹。
[0006]参见图1，一种已知的填充头组件10用于将熔融焊料分配到使用填充头20的模板内。填充头组件10还包括部分地填充有焊料14的焊料储蓄器12。组件10的体部30包括用于加热储蓄器12中的焊料14的两个加热器32。通道18为焊料提供入口并通过向下的压力19对焊料加压。焊料填充头20中的焊料填充区16或焊料出口提供用于焊料14的出口。两个密封装置/密封件24定位于焊料填充区16的相对两侧上。模板40(例如，玻璃模板)包括空腔44。利用组件10，体部30利用内置筒式加热器32被加热至高于焊料的熔点。例如，锡或锡合金焊料在大约230°C熔化，因此在这种情况下，体部被加热到大约250°C。熔融焊料14被保持于密封的储蓄器12中。填充头(可选地或焊料填充头)组件10放置于模板40上并施用额定负载或向下的力(通常为2.5磅每密封线性英寸(lbs/linear inchof seal))。焊料出口 16中的焊料的密封装置防止焊料14漏出填充头组件10的底部。焊料储蓄器12被加压至通常O至20psi之间以确保焊料在模具填充过程中进入模板40的空腔44。模板40中的小的空腔44通过在焊料填充头20的下面移动模板40来填充，通常移动速度在0.1至10mm/sec之间。当焊料进入空腔时空气从模板空腔排出。空气在模板40的顶面42与密封装置24之间排出。这个过程继续，直到所有的模腔44已填充。模板40在方向41上移动。然后，具有已填充的腔45的模板40被取出并传送到下一个仪器,在该仪器处焊料从模具转移到硅晶片的焊盘。
[0007]上述焊料填充的现有方法的缺点包括焊料必须对空腔中的空气施加压力以迫使空气从空腔排出。该压力可导致焊料从出口 16中的密封装置泄漏，尤其是当密封装置中有变化或模板的平整度有变化时。另一个问题是，为了空气穿过密封装置从空腔排出，如果密封装置是粗糙的、有纹理的或有刻痕的则是有益的，以提供小的通道从而以使空气能在模具的顶面和密封装置之间更容易地排出。然而，这种方法会导致随着时间的推移而增加磨损，例如磨掉通道或刻痕，导致与(磨掉)通道同样的问题:这阻止了即难以从空腔排出空气。现有方法的另一个问题是，即使使用上述有纹理或有通道的密封，压力自身可能不足以从空腔排出空气，从而使不需要的空气保留在空腔中，导致部分地填充空腔的不良状况，即空腔被焊料部分地填充。
[0008]其他已知的填充头组件包括焊料分配区、真空区、平坦的密封装置和使真空区与焊料区之间能连通的通道或沟槽。真空区用于在填充之前从模板空腔去除空气。然而，已知设计的几个不足包括难以通过使用平整的密封装置维持焊料填充头组件与模板之间所需的接触。例如，即使使用柔性的密封材料，模板表面中的不规则性以及填充头组件与模板之间的对齐误差也会导致焊料跨过密封装置漏出。在焊料填充之前由于泄漏到真空区内的空气还难以维持模板腔中的真空。现有设计的另一个问题是，由于密封装置的磨损，在真空区和焊料区之间的小沟槽逐渐消失，从而使得在焊料填充之前难以维持模板腔中的良好的真空。现有设计的另一个问题是平整的密封不能在跨过模板移动时提供适当的摩擦闭合，因此趋向于在模具表面上留下焊料的条纹。
[0009]因此期望提供一种局部真空环境以在生产过程中消除环境气体和有助于用以填充特征结构的材料的回填。还期望的是提供一种设备和方法，用于以材料高速填充特征结构，而不发生材料溢出、跨连或者产生条纹。此外，还需要一种可靠的模具填充工艺，其确保用填充头装置准确地填充每个腔或特征结构。
【发明内容】
[0010]在本发明的一方面，一种填充头设备包括用于保持流体的至少一个腔室。该腔室具有用于排出流体的出口。至少一个真空装置具有邻接所述流体出口的入口。多个柔性且弹性的密封装置与工件的顶面接触。密封装置定位于腔室出口的对向侧/相对两侧上和真空装置入口的对向侧/相对两侧上。密封装置在限定于工件中的、位于腔室出口与真空入口两者下方的空腔周围产生至少部分的密封。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]通过下面对说明性的实施例的详细描述，本发明的这些和其它目的、特征和优势将变得显而易见，该描述应结合附图阅读，在附图中:[0012]图1是现有技术的焊料填充头组件的剖视正视图，焊料填充头组件包括焊料储蓄器、焊料分配区、密封装置和具有填充有熔融焊料的空腔的工件或板；
[0013]图2是根据本发明的实施例的填充头设备的剖视图，其包括焊料填充头组件，该焊料填充头组件包括焊料储蓄器、焊料分配区、真空区、真空和密封装置，模板被示出为填充有熔融焊料；
[0014]图3是图2中所示的密封装置的细节的侧视图；
[0015]图4是焊料填充头组件的仰视图，包括焊料分配区、真空区和焊料及真空密封装置；
[0016]图5是根据本发明的另一实施例的双向填充头设备的剖视图，其与图2中示出的实施例相似，并且还包括第二真空区和真空装置，并且该设备能够双向地填充模板；以及
[0017]图6是根据图5的实施例的空腔与真空入口的示意性框图。
【具体实施方式】
[0018]参见图2，根据本发明的填充头设备100的实施例包括体部104和附接至体部104的填充头108。体部104包括密封的焊料储蓄器112、内部加热器116、以及焊料填充区114或出口，该焊料填充区114或出口包括用于从焊料储蓄器112取出焊料113的焊料头136。焊料储蓄器容纳通过通道118中的入口 116填充的焊料113。通道处于来自压力源119的压力下，以维持焊料储蓄器112中的焊料113上的正压。填充头108包括真空区或真空入口130。该真空区130通过真空管134与真空源131连通。填充头108还包括多个密封装置140。密封装置140定位在真空入口 130的每一侧上和填充区114的每一侧上，如图2中所示。密封装置140包括弓形/弧形的密封头142，如图3中更详细地示出。弓形密封头142具有指定的半径146和尺寸/高度144。密封装置140的弓形密封头142在模板150的顶面152之间提供优异的密封性。模板150包括空腔或特征结构154。
[0019]根据本发明的方法，填充头设备100通过首先使用内置的筒式加热器120将填充头体部104加热至焊料113的熔点以上来操作。焊料可包括锡或锡合金焊料，其熔点为大约230°C，因此，对于使用锡或锡合金焊料的情况，焊料填充头被加热到大约250°C。熔融焊料被保持在密封的储蓄器中。焊料填充头(或FH) 136放置于模板150上并施加额定负载或向下的力(通常为2.51bs/密封线性英寸)以确保填充头136和模板150的顶面152之间接触良好。密封装置140包绕焊料填充区114以防止焊料113漏出填充头136的底部。包绕真空区的密封装置140确保维持规定质量的真空。中间密封装置140，即焊料填充区114和焊料出口 130之间的密封装置140执行两个功能:促进限制焊料和维持真空区132。密封装置140的材料是高度柔性的，通常具有大约3毫米或更高的高度，从而确保即使在模具顶面152可能不平整或填充头136与模板顶面152之间出现不完美的对齐时也维持填充头136和模具顶面152之间的足够的接触。
[0020]通过在焊料填充头136下方例如以0.1至10mm/sec的速度移动模具来填充模板空腔154。当空腔进入填充头的真空区时从空腔151去除空气。空腔151直接行进至焊料填充区，跨过/越过共用的中间密封部分过渡。在中间密封部上不需要槽或刻痕，因为经历的距离很短并且密封装置是高度柔性的。空腔由焊料填充区中的焊料填充。可向焊料储蓄器施加小的压力(Opsi至IOpsi)以确保完全填充空腔。填充过程继续进行，直到所有的模腔被充满。然后取出模板并传送到下一个工具处，焊料在该处从模具转移到硅晶片的焊盘。
[0021]图4示出了填充头组件10的仰视图。统一密封区域包括焊料填充区162和真空区164。如图4所示，焊料填充区162可以是具有圆的端部的细长形状。焊料填充区具有足够的长度以覆盖模板上的空腔(或空腔区)。例如，对于300mm的晶片，焊料填充区可能需要大约300毫米的长度用于全部的焊料球(模板腔)。该真空区164由附加的密封部分限定，其从焊料填充密封区162的端部围绕填充头的前缘延伸。真空进给通道130 (例如，槽、孔等)都连接至真空源。
[0022]此外，参见图4，模板150的空腔154包括经过空腔154上方的真空入口 130。密封装置140也通过空腔154上方，提供模板150的顶面152和密封装置140之间的密封。密封装置还将焊料的顶面152擦拭干净。
[0023]参见图5，本发明的另一实施例包括双向填充头设备200。填充头设备200包括与图2中所示的填充头设备100相似的元件，其中使用了相同的标号。此外，双向填充头设备200包括第二真空源131和另一密封装置140，使得对置的密封装置140处于第二真空源入口 130的相对两侧上。该设备200能够在保持空腔的密封并首先将空腔抽真空的同时在任一方向上用焊料填充空腔。
[0024]参见图5和图6，填充头设备200包括焊料储蓄器112的反向侧上的另一真空源131和另一个真空管134。如图6所示，空腔151设有位于空腔151的相对两侧上的真空出口 130，通过真空/压力容器壁204隔开。因而，填充头108被设计成实现在空腔的两侧具有真空区或用于施用焊料(或其它材料)的填充区的结构。在本实施例中，有可能在两个方向上填充模板，从而提高生产量。
[0025]使用本发明，密封表面不需要进行结构化或砂磨，大大提高了操作范围并放宽了在向下压紧填充头及焊料储蓄器压力控制方面的要求。本发明的统一的、具有顺应性的密封装置被压入填充头组件的凹槽，并且在密封装置到达其使用寿命的终点时容易地更换。
[0026]本发明的益处包括提高填充速度，例如，比通常的没有前缘真空的速度提高了 3-5倍。根据本发明的真空装置提高了真空度和在模具表面上的焊料密封性两者，因为它在密封表面上施加了附加的向下的力。此外，减少了因部分填充空腔造成的缺陷。在本发明中密封表面的光洁度对工艺不是至关重要的，因为排气不再控制在焊料填充之前从空腔去除气体的速率。此外，减少了焊料泄漏，改进了擦拭，没有条纹，并且也消除了在真空区和焊料区之间排空通道的需求。
[0027]虽然本发明已具体示出和描述有关的优选实施例，但是本领域技术人员将理解，可以进行形式和细节的变化而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不限于本文所述和所示的确切形式和细节，而是落在所附权利要求的范围之内。
【权利要求】
1.一种填充头设备，包括: 用于保持流体的至少一个腔室，所述腔室具有用于排出流体的出口 ； 具有与流体出口相邻的入口的至少一个真空装置；和 接触工件的顶面的多个柔性且弹性的密封装置，该密封装置定位在腔室出口的相对两侧和真空装置入口的相对侧上，其中，所述密封装置围绕在工件中限定的、位于腔室出口与真空入口两者下方的空腔产生至少部分的密封。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，密封装置在定位于空腔上方时在该空腔中产生至少部分的真空。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，当工件纵向地移动、使密封装置沿工件的表面滑动时，密封装置与工件的顶面保持接触。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述腔室被加压。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述腔室被加压以排出液体。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，被加压的腔室出口关于工件的移动方向定位于真空装置出口的后面。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述液体是焊料。
8.根据权利要求 1所述的设备，其特征在于，工件在基本垂直于填充头设备的纵向方向上移动。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，密封装置由耐高温的材料构成。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，密封装置由聚合物构成。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，真空入口沿纵轴线定位在流体出口的一侧上，使得工件沿纵轴线在一方向上移动，在该方向上，空腔在遇到流体出口之前遇到真空入口。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，真空入口和流体出口相对于彼此定位成使得在真空入口与流体出口之间仅有这样的空腔:所述空腔有一个或多个密封装置至少部分地定位在其上方。
13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述出口与所述入口线性地相邻，多个密封装置与所述入口和出口线性地相邻，使得所述入口和所述出口之间没有空腔暴露于环境空气。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述密封装置由橡胶构成。
15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述密封装置是基本卵形的并且包围一空腔。
16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括三个密封装置，第一和第二密封装置在真空入口的相对两侧上，第三密封装置在流体出口的远侧上，使得第二和第三密封装置在流体出口的相对两侧上。
17.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，多个真空装置和真空入口定位在流体出口的相对两侧上，使得工件在沿纵轴线的任一方向上移动成:空腔在遇到流体出口之前遇到多个真空入口中的一者。
18.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，工件围绕横轴线转动并且沿着纵向平面转动。
19.根据权利要求 1所述的设备，其特征在于，所述工件是半导体晶片。
【文档编号】H01L21/48GK103985640SQ201410046666
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年2月10日 优先权日:2013年2月11日
【发明者】G·N·比格斯, R·A·巴德, B·V·法萨诺, J·J·格兰特, P·A·格鲁伯尔, J·P·卡里迪斯, B·W·利恩斯特拉, P·W·帕尔马蒂尔, K·M·普雷蒂曼, C·L·泰斯勒, T·维斯 申请人:国际商业机器公司