专利名称：半导体晶片全通导孔内的金属填充装置和利用该装置的填充方法
技术领域：
本发明旨在提供一种在形成于晶片上的全通导孔填充金属的装置及其方法，尤其是在晶片上部和下部产生压差使熔融的金属被吸入全通导孔实现填充，从而可应用在直径 30 μ m以下的超微全通导孔中的半导体晶片全通导孔内的金属填充装置和利用该装置的填充方法。
背景技术：
近年来，随着电子设备越来越需求轻、薄、短、小的趋势，要求此类电子设备中使用的半导体封装(Package)的超微型化。另外在制造半导体封装中，通过二维排列实现所需大小和性能的方式已经达到了极限，目前三维层压半导体芯片的3D封装(lockage)技术越来越受到广泛关注。所述3D封装技术为了实现越来越要求高容量化、低电力化的内存，或高功能化的 SOC(System On Chip 片上系统)等的尖端半导体，需具备轻、小、多种功能，因此通过很薄的半导体芯片的层压解决这类问题，芯片连接利用全通导孔(Through Via Hole)进行电连接并层压来替代现有的打线接合。这种3D封装优点在于减少尺寸和重量、提高电性能、提高单位面积的元件功能、 减低工序费用等。基于上述优点，不断在研究全新的3D封装技术，且为实现更新、更多的功能，导通孔(Via hole)的尺寸(Size)和晶片(Wafer)的厚度不断在减小。据ITRS 2007报告称， 预计到2015年左右，晶片厚度将减少至80 μ m以下、导通孔直径将减小至5 μ m以下。另外，在韩国公开专利公报10-2008-0068334(申请号10-2007-0005948)中公开了一种在导通孔内壁电镀锡或焊料后将其熔融填充导通孔的方法。这种情况下，作为对非贯通导通孔的底部被封闭的导通孔进行的金属填充方法，采用了电镀法和回流法，但此时电镀法依电镀液的组成、添加剂种类、电流密度、电流模式等其产物发生很大差距，很难把握最佳工序条件。且在所述专利中采用了将形成有导通孔的半导体芯片放入锡或熔融金属内，并对熔融金属施加压力使熔融锡或焊料注入导通孔的加压灌注法、将锡或焊珠(ball) 或焊块放在导通孔上部并使其熔融后填充导通孔的锡珠熔融法、以及用丝网印刷向导通孔内填满锡或焊膏后熔融的丝网印刷方法，但所述方法均存在导通孔角落部位无法填满锡或焊料的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于，提供一种半导体晶片全通导孔内的金属填充装置和利用该装置的填充方法，相对于现有的电镀法工序更加简单、方便，可降低工序费用。本发明另一目的在于，提供一种半导体晶片全通导孔内的金属填充装置和利用该装置的填充方法，其通过尽可能提高填充在全通导孔内的填充金属的密度，解决现有电镀法中导通孔底部未被镀层的问题，且可提高导电性及机械特性。为实现上述目的以及解决现有技术的缺点，本发明提供一种半导体晶片全通导孔内的金属填充装置，其特征在于，包括夹具底座，具备对形成有全通导孔的晶片进行固定的夹具；上部气室，设置在所述夹具底座的上部；下部气室，设置在所述夹具底座的下部； 加热器，设置在所述上部气室的内部，对放置于晶片上的填充金属进行加热使其熔融；真空泵，向外排出所述下部气室的空气以降低下部气室的压力，导致上部气室和下部气室之间产生压差，从而将熔融的填充金属填充至全通导孔。另外，所述夹具包括晶片安放部，用于安放晶片；晶片支撑部，一体形成在所述晶片安放部的下端部，并具有格栅状结构以便在不干涉全通导孔的情况下支撑晶片底面； 晶片固定部，组装在晶片安放部，以便从上部加压固定被安装在所述晶片安放部中的晶片。所述加热器与设置在上部气室的液压缸连接，可进行上下移动。本发明之半导体晶片全通导孔内的金属填充方法，其特征在于，包括步骤Si，将形成有导通孔的晶片固定在位于上部气室的下部气室之间的夹具；步骤S2，在通过所述步骤Sl固定的晶片上放置需要填充的金属；步骤S3，密闭上部气室以防止上部气室中发生空气流入及流出；步骤S4，利用配置于所述上部气室的内部的加热器加热金属使其熔融；步骤S5，通过真空泵将所述下部气室的空气向外排出，降低下部气室压力，以产生上部气室和下部气室之间的压差，从而将熔融的填充金属填充在全通导孔内。优选为，在所述步骤S2中，对需要填充的金属，以锡珠、焊膏或使用干式蒸镀法涂覆的方式中的任一方式进行放置。根据上述特征，相对现有电镀法，本发明能够以高密度填充具有超微直径的全通导孔内部，可提高半导体封装质量。尤其可实现可高密度填充，不仅可以提高导电性和机械特性，还可期待增加单位面积的元件功能。
图1是本发明一理想实施例的填充装置结构的配置图。图2是本发明的夹具底座和夹具配置的剖视图。图3是本发明的夹具的俯视图。附图符号说明10:晶片12:金属111 连接槽130 下部气室141 液压缸160 夹具162:晶片支撑部164 0 形环
具体实施例方式
11 全通导孔 110 夹具底座 120 上部气室 140 加热器 150 :真空泵 161 晶片安放部 163 晶片固定部
下面，参照附图详细说明本发明理想实施例。图1是本发明的一理想实施例的填充装置结构的配置图。本发明的填充装置在晶片(Wafer)IO中形成的全通导孔(Through Via hole) 11 放置填充金属12，对填充金属进行加热使其熔融后，在晶片下部形成真空从而在晶片上下部产生压差，以便熔融的金属被吸入全通导孔内而实现填充(Filling)。根据本发明一理想实施例的填充装置由夹具底座110、上部气室120、下部气室130、加热器140以及真空泵 150组成。图2是本发明的夹具底座和夹具配置的剖视图，图3是本发明的夹具俯视图。所述夹具底座110用以固定晶片固定用的夹具160，被构成为，可与根据晶片大小制作的多种夹具160进行组装和拆解。为了实现夹具160的组装和拆解，夹具底座110上端部形成连接槽111，来自夹具160的螺栓Bl连接在连接槽111，从而实现夹具160的组装和拆解。所述夹具160用以固定形成有全通导孔11的晶片10，由晶片安放部161、晶片支撑部162及晶片固定部163组成。此时，所述晶片安放部161从下部支撑晶片的边缘，其内部直径d按照晶片的大小制作。所述晶片支撑部162呈格栅状结构，一体地形成在晶片安放部161下端部，用于支撑晶片的底面以防止厚度薄的晶片被弯曲。为了在构成为格栅状的所述晶片支撑部162支撑晶片10的底面过程中，防止晶片支撑部162堵塞全通导孔11，优选为，格栅状的晶片支撑部162支撑未形成有全通导孔11 的部分。所述晶片固定部163从上部加压固定安放在晶片安放部161的晶片10，从而防止晶片10在填充工序过程中移动。此类晶片固定部163为了从上部加压固定晶片边缘，形成为环状。另外，利用晶片固定部163固定晶片10时，在晶片安放部161安放晶片后，利用单独的螺栓B2连接晶片安放部161和晶片固定部163，以此固定晶片。另外，所述晶片固定部163的底面设置有0形环164，以保持晶片固定部163和晶片之间的气密。再次参照图1，所述上部气室120设置在夹具底座110的上部来形成密闭空间。上部气室120应构成为可开闭的结构，以便为把晶片放在夹具160或完成填充工作后取出晶片提供空间。为此，上部气室120采用一侧在夹具底座110上部通过铰链连接而可旋转的结构，或形成与夹具底座110—体的结构，并在上部气室120另设可以开闭的门，从而实现可开启和关闭的结构。所述下部气室130设置在夹具底座110的下部，形成密闭空间。该下部气室130 无需开闭，因此固定设置在夹具底座110下部。另外，所述上部气室120和下部气室130可以采用整体结构。所述加热器140设置在上部气室120的内部，用于提供热量使需要填充的金属熔融。这种加热器140可以采用内部配置加热线圈并利用所施加的电力进行发热的电加热
ο所述加热器140优选采用可上下方向移动的结构，以便移动到靠近放在晶片上的填充金属并进行加热。为此，当将所述加热器140设置在上部气室120内部时，另外在上部气室120内部设置液压缸141，且连接液压缸141和加热器140，从而能够使加热器140进行上下移动。所述真空泵150向外排出下部气室130的空气，减低压力使下部气室130内部处于真空状态，从而产生上部气室120和下部气室130之间的压差，以便被加热器140熔融的填充金属灌进全通导孔内。另外，所述上部气室120还可以设置用于测量压力的公知的真空表121和用于测量温度的公知的热电偶122，在所述下部气室130可设置用于测量压力的公知的真空表 131。下面讲述利用上述填充装置向形成在半导体晶片10的全通导孔11填充金属12 的方法。本发明的半导体晶片全通导孔内的金属填充方法，包括将形成有全通导孔11的晶片10固定在位于上部气室120的下部气室130之间的夹具160上的步骤Sl ；在通过所述步骤Sl被固定的晶片上放置需要填充的金属12的步骤S2 ；密闭上部气室120以防止所述上部气室120中发生空气流入或流出的步骤S3 ；利用配置于所述上部气室120内部的加热器140加热金属使其熔融的步骤S4 ；以及使用真空泵150将所述下部气室130的空气向外排出，以降低下部气室130的压力，使上部气室120和下部气室130产生压差，从而将熔融的填充金属填充在全通导孔的步骤S5。所述步骤Sl是把已形成有全通导孔11的硅晶片10安装在夹具160的步骤，把形成有全通导孔的晶片放在夹具160上。所述步骤S2是在固定于夹具160的晶片上放置需要填充的金属的步骤，将低熔点金属(例Sn类)以锡珠(Solder ball)、焊膏(I^ste)或干式蒸镀法涂覆的形态中的某一形态放置。所述步骤S3关闭为安装晶片以及安放填充金属而打开的上部气室120，切断空气进出以防止填充工序中异物混入。所述步骤S4把设置在上部气室120内部的加热器140靠近至填充金属，向加热器 140通电使其发热，从而使填充金属熔融。所述步骤S5用真空泵150向外排出下部气室130的空气，从而在下部气室130内部形成真空。随着下部气室130的空气向外排出，下部气室130的压力减小，且因下部气室 130压力的减小，在上部气室120和下部气室130之间产生压差，此时熔融的金属因晶片上下部的压差被吸进全通导孔内，从而完成熔融金属的填充。根据上述填充装置及填充方法，可为厚度在100 μ m以下、全通导孔直径在30 μ m 以下的超微全通导孔顺利完成填充金属的填充，可最大限度地实现电子产品的超轻型化。综上所述，本发明并不受限于所述特定的理想实施例，在没有脱离权利要求范围要求的本发明要点情况下，凡在该发明所属技术领域拥有通常知识的人士均能做到多种变形实施，这些变更均属于权利要求的范围。
权利要求
1.一种半导体晶片全通导孔内的金属填充装置，其特征在于，包括夹具底座(110)，其具备对形成有全通导孔(11)的晶片(10)进行固定的夹具(160)； 上部气室(120)，设置在所述夹具底座(110)的上部； 下部气室(130)，设置在所述夹具底座(110)的下部；加热器(140)，设置在所述上部气室(120)的内部，对放置于晶片上的填充金属(12)进行加热使其熔融；真空泵(150)，将所述下部气室(130)的空气向外排出以降低下部气室(130)的压力， 导致上部气室(120)和下部气室(130)之间产生压差，从而将熔融的填充金属填充至全通导孔。
2.根据权利要求1所述的半导体晶片全通导孔内的金属填充装置，其特征在于，所述夹具(160)包括晶片安放部(161)，用于安放晶片；晶片支撑部(162)，一体形成在所述晶片安放部的下端部，并具有格栅状结构以便在不干涉全通导孔的情况下支撑晶片底面；晶片固定部(163)，组装在晶片安放部(161)，以便从上部加压固定被安装在所述晶片安放部(161)中的晶片。
3.根据权利要求1所述的半导体晶片全通导孔内的金属填充装置，其特征在于， 所述加热器(140)与设置在上部气室(120)的液压缸(141)连接，从而能够进行上下移动。
4.一种半导体晶片全通导孔内的金属填充方法，其特征在于，包括步骤Si，将形成有全通导孔(11)的晶片(10)固定在位于上部气室(120)的下部气室 (130)之间的夹具(160)；步骤S2，在通过所述步骤Sl固定的晶片上放置需要填充的金属(12)； 步骤S3，密闭上部气室(120)以防止所述上部气室(120)中发生空气流入及流出； 步骤S4，利用配置于所述上部气室(120)的内部的加热器(140)加热金属使其熔融； 步骤S5，通过真空泵将所述下部气室(130)的空气向外排出，降低下部气室(130)的压力，以在上部气室(120)和下部气室(130)之间产生压差，从而将熔融的填充金属填充到全通导孔内。
5.根据权利要求4所述的半导体晶片全通导孔内的金属填充方法，其特征在于， 在所述步骤S2，以锡珠、焊膏或通过干式蒸镀法涂覆的方式中的任一方式放置需要填充的金属。
全文摘要
本发明旨在提供一种半导体晶片全通导孔内的金属填充装置和利用该装置的填充方法，其目的在于提供一种相对于现有电镀法工序更加简单、方便，可降低工序费用的半导体晶片全通导孔内的金属填充装置和利用该装置的填充方法。为此，本发明的金属填充装置包括夹具底座，具备对形成有全通导孔的晶片进行固定的夹具；上部气室，设置在所述夹具底座的上部；下部气室，设置在所述夹具底座的下部；加热器，设置在所述上部气室的内部，对放置于晶片上的填充金属进行加热使其熔融；真空泵，向外排出所述下部气室的空气以降低下部气室的压力，导致上部气室和下部气室之间产生压差，从而将熔融的填充金属填充至全通导孔。
文档编号H01L21/60GK102449749SQ200980159589
公开日2012年5月9日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年4月3日
发明者俞世勋, 李昌祐, 辛义善, 金准基, 金哲熙, 金祯汉, 高永基 申请人:韩国生产技术研究院