一种三维封装垂直通孔的填充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，具体地说是一种三维封装垂直通孔的填充方法及装置。
【背景技术】
[0002]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(Wire Bonding)、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，而提供一种三维封装垂直通孔的填充方法及装置。本发明主要通过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，进行三维封装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]一种三维封装垂直通孔的填充装置，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，所述坩祸内设有与压电陶瓷相连的传动杆，所述坩祸外侧设有加热带所述坩祸顶部开有坩祸进气口1、坩祸进气口 π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、内外嵌套圆环式结构，所述坩祸的内容纳腔的底部与所述坩祸的外容纳腔的底部设有相贯通的中心孔，所述内容纳腔的底部与所述外容纳腔的底部之间设有用于熔融金属流通的空间，所述内容纳腔的中心孔上方设有压片，所述传动杆与所述压片接触;所述外容纳腔的中心孔底部设有喷射孔；
[0009]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；
[0010]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；
[0011 ]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，T> 100+(D-5) Χ5ο
[0012]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；
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]本发明还公开了应用上述装置填充三维封装垂直通孔的填充方法，其特征在于包括如下步骤:
[0018]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，放入量为所述坩祸外容纳腔容积的30%-70% ;
[0019]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；
[0020]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；
[0021]S4、喷射微孔填充材料: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，使坩祸内容纳腔和外容纳腔间形成的熔池内的熔融态微孔填充材料充满所述坩祸底部的中心孔;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及所述传动杆下方的压片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；
[0022]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XYZ方向移动坩祸，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；
[0023]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；
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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，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D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。