一种填充垂直通孔的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子封装三维集成技术领域，具体地说是一种填充垂直通孔的方法及
目.0
【背景技术】
[0002]目前，随着电子器件不断追求高频高速、多功能、高性能和小体积，要求电子封装技术能够实现更高的集成密度和更小的封装尺寸，为此封装互连结构逐渐由二维向三维方向发展。三维封装的核心技术之一是娃通孔(Through Silicon Via，TSV)技术，通过在半导体衬底中形成贯穿上下表面且金属化的通孔来实现芯片之间或芯片与基板之间的三维垂直互连，以弥补传统半导体芯片二维布线的局限性。这种互连方式具有三维方向堆叠密度大、封装后外形尺寸小、电路可靠性高等优点，提高了芯片的运行速度并降低功耗，实现一个系统或某个功能在三维结构上的集成。TSV技术被广泛认为是继引线键合(WireBonding)、载带自动焊(Tape Automated Bonding)和倒装芯片(Flip Chip)之后的第四代封装技术，逐渐成为高密度封装领域的主流技术。
[0003]TSV技术在应用方面主要存在工艺复杂和成本高的缺点。在制作TSV的过程中，深孔侧壁呈垂直形貌的TSV可以控制在极小的尺寸，导致通孔的金属化填充成为TSV制作的技术难点之一，也是影响垂直互连可靠性的关键问题。对于TSV的填充材料和方式大致有如下几种:电镀填充、化学气相沉积、导电胶填充、金属间化合物填充和液态钎料填充等。主要以电镀铜为主的电镀填孔优点是铜具有良好的导电性，缺点是电镀需要良好的种子层、电镀时间长和工艺复杂，电镀填充难以实现孔径小于5微米的孔；主要材料为钨的化学气相沉积，可以实现小孔径的填充，缺点是工艺复杂、时间长和成本高;导电胶可以简化填充工艺，但导电性和热稳定性很差，且难以填充微孔;采用金属间化合物填充是通过低熔点钎料与高熔点金属层进行钎焊反应的方法形成，优点是降低工艺复杂度和制作成本，但缺点是所需钎焊反应时间长，制作效率低，形成的金属间化合物由于体积收缩而产生空洞，并在后续服役过程中易与残留金属层反应形成孔洞，带来不确定的可靠性问题;利用毛细作用将熔融态的低熔点钎料填充通孔的方法，具有快速、低成本的优点，缺点是易形成空洞或欠填满现象，对大深宽比微孔填充难度较大。
【发明内容】
[0004]根据上述提出的技术问题，而提供一种填充垂直通孔的方法及装置。本发明主要利用金属液喷射装置可以形成均一液滴且频率可控，配合填充工作区的不同形式，进行垂直通孔的金属化填充，从而实现尺寸精度高、气孔率低、可自动化生产。
[0005]本发明采用的技术手段如下:
[0006]—种填充垂直通孔的装置，包括金属液喷射装置和填充工作区，所述金属液喷射装置置于腔体的上部，所述金属液喷射装置包括用于液滴喷射的坩祸、设置在所述坩祸顶部的压电陶瓷，与所述压电陶瓷相连的且深入所述坩祸及其中熔体内部的传动杆，所述坩祸的底部设有中心孔，所述坩祸底部还连有与所述中心孔相通的薄片，所述薄片上设有喷射孔，所述坩祸外侧设有加热带，所述坩祸顶部设有坩祸进气口和坩祸排气口，所述腔体一侧开有腔体进气口和腔体排气口，机械栗与扩散栗安装在所述坩祸的上部且与所述坩祸及所述腔体相连；
[0007]其特征在于:
[0008]所述坩祸是以中心线为轴的圆筒形结构，所述坩祸通过连接有三维运动控制器的坩祸支架与所述腔体上部相连，所述腔体中部两侧还设有维持腔体温度的腔体温度控制器；
[0009]所述填充工作区包括用于承接所述金属液喷射装置喷射出的均匀液滴或稳流液线的衬底和用于放置所述衬底且对所述衬底施加超声振动的衬底承载部;所述喷射孔与所述衬底之间的垂直距离D与所述衬底的温度T之间满足以下关系，100+(D-5) X5。
[0010]上述的压电陶瓷振动频率在0.2Hz?2kHz范围内，上述的三维运动控制器与计算机相连，在装置工作前，设定好预先的程序，通过三维运动控制器控制坩祸在腔体上部的移动与填充工作区的衬底配合完成喷射液滴和填充垂直通孔。
[0011]进一步地，当所述衬底承载部仅为工作平台时，所述填充工作区置于所述腔体底部，工作时，所述机械栗与所述扩散栗对所述腔体和所述坩祸抽真空；
[0012]当所述衬底承载部为带有传送带的工作平台时，所述填充工作区位于所述腔体下方，所述腔体下部无底，工作时，所述机械栗与所述扩散栗仅对所述坩祸抽真空;或者将所述腔体下部两侧侧壁开设对称的可供所述传送带穿过的侧拉门，工作时，所述机械栗与所述扩散栗对所述腔体和所述坩祸抽真空。
[0013]进一步地，所述衬底上已形成未贯穿所述衬底的微孔阵列图形，所述微孔的侧壁已完成扩散阻挡层及绝缘层处理。
[0014]进一步地，所述坩祸内置有热电偶，所述喷射孔的直径小于所述微孔的直径，所述喷射孔的直径与所述微孔的直径的比值为0.45-0.75。
[0015]进一步地，所述喷射孔为单孔、单列孔或与所述微孔阵列图形相同的全阵列孔。
[0016]本发明还公开了一种应用上述的装置填充垂直通孔的方法，其特征在于包括如下步骤:
[0017]S1、装料:将微孔填充材料放入金属液喷射装置的坩祸内并密封，放入量为所述坩祸容积的30%-70%;
[0018]S2、抽真空:利用机械栗和扩散栗对所述坩祸和腔体抽真空，并充入高纯度惰性保护气体，使腔体内压力达到预设值;当腔体与大气连通的情况下，只对所述坩祸内部进行抽真空及充入高纯度惰性保护气体，使坩祸内压力达到预设值；
[0019]S3、熔融材料:使用加热带将所述坩祸内的微孔填充材料熔化，并通过所述坩祸内设置的热电偶实时监测所述坩祸内的温度，待加热温度达到预设温度后保温10min-30min，使微孔填充材料完全熔化；
[0020]S4、喷射填充材料液滴:通过所述伸入坩祸内的坩祸进气管将高纯度惰性保护气体通入，使坩祸内产生背压，给压电陶瓷输入一定波型的脉冲信号，所述压电陶瓷产生向下位移，由与所述压电陶瓷相连的传动杆传递给喷射孔附近区域的熔融态微孔填充材料，使得熔融态微孔填充材料从喷射孔喷出形成均匀液滴或稳流液线；[0021 ] S5、微孔填充:调节腔体温度控制器，使衬底的温度维持在1000C-3000C ；所述三维运动控制器根据预设程序带动所述坩祸支架在XYZ方向上移动坩祸，调整坩祸与衬底之间的高度并准确定位微孔的位置，配合压电陶瓷振动，使喷出的均匀液滴或稳流液线准确地填充微孔直至达到要求；
[0022]S6、填充完毕取出衬底:当衬底放置在工作平台上时，打开腔体，取出衬底；当衬底放置在传送带上时，利用传送带将填充完毕的衬底传送至腔体外，同时将下一个待加工衬底传送至液滴填充工作区域；
[0023]S7、衬底背面减薄:对填充完毕的衬底进行背面减薄处理，减薄至微孔填充材料横截面直径最大处为止。
[0024]进一步地，所述微孔填充材料为纯金属3]1、(:11、祖、4〖、411或者311基钎料合金。
[0025]进一步地，所述步骤S5中，所述压电陶瓷的振动频率在0.2Hz?2kHz。
[0026]进一步地，在喷射微孔填充材料时对所述衬底进行超声振动，使微孔填充材料均匀紧密地填充在微孔内部。
[0027]进一步地，所述步骤S5中，在Z方向上调整喷射孔与衬底之间的垂直距离为5cm-45cm，且所述喷射孔与衬底之间的垂直距离D与衬底的温度T之间满足以下关系，T 2 100+(D-5) X 5，以使所述均匀液滴或稳流液线降落在所述微孔中之前尚未凝固。
[0028]与现有技术相比，本发明主要是使用高纯惰性气体，如He、Ar，通入坩祸与腔体内，并使坩祸与腔体间产生稳定压差，通过实际工作需要预先设定喷射孔与衬底间的距离、坩祸和腔体内的压差及温度等，再将一定波形的脉冲信号输入压电陶瓷，继而压电陶瓷驱动传动杆振动，在传动杆振动与压差双重作用下，i甘祸中恪体从i甘祸底部的喷射孔中喷出，形成频率可控、均一液滴或稳定的液线；同时，本发明将衬底上微孔阵列图形参数输入计算机，通过计算机控制三维运动控制器控制腔体内坩祸的运动，与压电陶瓷振动配合，喷出液滴最终落在衬底上的微孔阵列图形相应区域；由于腔体内的温度视喷射孔与衬底之间的距离而设定，使得液滴或液线落在微孔中时仍未凝固，通过工作平台的超声振动，使液滴或液线逐步、均匀地对微孔进行填充;利用本发明装置填充的垂直通孔内组织、成分均匀，尺寸精度高，气孔率低，可自动化生产。
[0029]基于上述理由本发明可在填充垂直通孔等领域广泛推广。
【附图说明】
[0030]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0031]图1是本发明的结构示意图一。
[0032]图2是本发明的结构示意图二。
[0033]图3是本发明的结构示意图三。
[0034]图4是本发明对垂直通孔填充完毕并减薄衬底后的剖面示意图。
[0035]图中:1、腔体11、机械栗12、扩散栗13、腔体排气口14、腔体进气口 15、腔体温度控制器16、侧拉门2、坩祸21、坩祸支架22、压电陶瓷23、传动杆24、坩祸进气口 25、坩祸排气口 26、坩祸加热带27、薄片271、喷射孔28、三维运动控制器3、填充工作区31、工作平台32、衬底321、微孔322、填充金属323、扩散阻挡层324、绝缘层33、传送带
4、均匀液滴5、稳流液线。
【具体实施方式】
[0036]如图1所示，一种填充垂直通孔的装置，包括金属液喷射装置和填充工作区3，所述金属液喷射装置置于腔体I的上部，所述金属液喷射装置包括用于液滴喷射的坩祸2、设置在所述坩祸2顶部的压电陶瓷22，与所述压电陶瓷22相连的且深入所述坩祸2及其中熔体内部的传动杆23，所述坩祸2的底部设有中心孔，所述坩祸2底部还连有与所述中心孔相通的薄片27，所述薄片27上设有喷射孔271，所述坩祸2外侧设有加热带26，所述坩祸2顶部设有坩祸进气口 24和坩祸排气口 25，所述腔体I 一侧开有腔体进气口 14和腔体排气口 13，机械栗11与扩散栗12安装在所述坩祸2的上部且与所述坩祸2及所述腔体I相连;工作时，机械栗11与扩散栗12通过坩祸进气口 24对坩祸2和腔体I进行抽真空。
[0037]所述坩祸2是以中心线为轴的圆筒形结构，所述坩祸2通过连接有三维运动控制器28的坩祸支架21与所述腔体I上部相连，所述腔体I中部两侧还设有维持腔体I温度的腔体温度控制器15;所述坩祸2内置有热电偶，所述喷射孔271的直径小于所述微孔321的直径，所述喷射孔271的直径与所述微孔321的直径的比值为0.45-0.75。所述喷射孔271为单孔、单列孔或与所述微孔321阵列图形相同的全阵列孔。
[0038]所述填充工作区3包括用于承接所述金属液喷射装置喷射出的均匀液滴4或稳流液线5的衬底32和用于放置所述衬底32且对所述衬底32施加超声振动的衬底承载部，所述