CN102276167A - 一种把金属材料插入玻璃的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种把金属材料插入玻璃以制造玻璃转接板的方法，以及实施该方法的装置。所述方法加热玻璃板的某一微区以使其软化，同时把金属材料插入到该软化的微区中一定深度，由此实现一种无需打孔而直接实现金属填充玻璃基板的方法。本发明的方法工艺简单，能有效解决玻璃转接板制备中打孔困难，填孔工艺复杂等问题，大大降低了工艺成本。通过该方法制作的玻璃转接板可用于微电子封装、MEMS器件封装，生物和医疗等领域。

Description

一种把金属材料插入玻璃的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种把金属材料插入玻璃以制造玻璃转接板的方法，以及实施该方法的装置，属于微电子封装技术中的三维堆叠技术领域。

背景技术

近年来，先进的封装技术已在IC制造行业出现，特别是三维(3D)封装首先突破传统的平面封装的概念，组装效率高达200％以上。在三维封装技术中，在单个封装体内可以堆叠多个芯片，实现了存储容量的倍增，业界称之为叠层式3D封装。其次，通过将芯片直接互连，互连线长度显著缩短，信号传输得更快且所受干扰更小。再次，通过将多个不同功能芯片堆叠在一起，使单个封装体能够实现更多的功能，从而形成系统芯片封装新思路。另外，采用3D封装的芯片还有功耗低、速度快等优点，这使电子信息产品的尺寸和重量减小了数十倍。通过垂直堆叠芯片建立3D封装结构，硅通孔(TSV)能够提供更高的封装集成度。3DTSV互连可以减小物理尺寸，节省有用的空间，缩短互连长度，减小信号延迟以加快运行速度。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，全新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SiP技术的转接板技术在高密度3D封装领域变得越来越重要了。但是由于制作成本和应用领域的限制，硅基转接板的应用受到了非常大的制约。对于转接板所用的玻璃，由于其良好的光学、电学、机械和化学稳定性等特性，具有广泛的应用。另外，由于玻璃的热膨胀系数与硅和III-V族元素非常接近，可以代替硅作为转接板材料。玻璃转接板中玻璃通孔(TGV)填充导电材料时，不需要钝化层。玻璃材料具有透光性和良好的折射率，因而对于光学器件的封装和集成具有广泛的应用。对于Schott公司所用的Borofloat33玻璃来说，其传输损耗tanδ(1MHz)为37×10^-4，而介电常数ε_r(1MHz)为4.6，所以其传输损耗和介电常数都比硅低很多。由上述特性可知，玻璃基转接板在光学器件、射频和微波器件以及MEMS传感器等半导体器件的封装和集成中具有广泛的应用。

目前，玻璃基转接板的制作主要分为减成法和加成法。减成法技术制作转接板，是首先在玻璃板上形成孔的结构，然后在孔中填入导电材料形成电互连。在玻璃上形成孔的方法一般采用激光钻孔、超声钻孔、喷砂、干法刻蚀及湿法刻蚀等。德国IZM即采用激光钻孔的方法制作玻璃转接板来集成光电收发模块(参见Michael

et al.，“3-D Thin Film InterposerBased on TGV(Through Glass Vias)：An Alternative to Si-Interposer”，ECTC，2010，pp66-73)。英国拉夫堡大学蔡晓云等也是采用准分子激光器在厚度50微米和100微米的CMZ玻璃上刻蚀微孔，利用这种多层玻璃板制作高密度电互连结构(参见Xiaoyun Cui，“Glass as a Substrate forHigh Density Electrical Interconnect，2008”，10^th，EPTC，pp12-17)。采用激光钻孔的主要问题是孔的形貌控制困难，孔的两端尺寸差别很大，而且孔壁比较粗糙，给后续的填孔带来很大困难。此外，一些研究人员也试图利用压模方法在玻璃上制作微孔。例如美国专利US20090205372 A1公开了一种改进的减成法来制作玻璃转接板，即用带有微柱形阵列的模具压入软化的玻璃中，待玻璃固化后取出模具，则在玻璃上形成了孔的结构。这种方法制备微孔，模具取出比较困难，通常需要借助刻蚀等附加工艺过程。利用减成法制备玻璃通孔转接板，孔的制作只是第一步，还需要进行种子层的制作，电镀填孔，化学机械抛光等步骤。这些工艺不但复杂，设备昂贵，而且材料成本也很高。

另一种制备玻璃转接板的方法是加成法，加成法的工艺是利用熔融玻璃把金属等导体材料覆盖，进而使其嵌入到玻璃中。NEC/Schott HermeS公司采用加成法把直径100微米的钨丝嵌入Borofloat 33玻璃以制作出图形化的玻璃转接板。另外，德国IZM也采用了加成法制作玻璃转接板，即Planoptik方法，其利用加成法在玻璃中嵌入了直径200微米的硅微柱状阵列作为电互连线(参见H.

et al.，“glassPack-A 3D Glass Based Interposer Concept for SiPwith Integrated Optical Interconnects”，ECTC，2010，pp1647-1652)。现有技术中的加成法避免了繁杂的打孔，填孔工艺流程。

现有技术中的加成法也存在很多问题。例如，金属丝的直径很大，很难做到细节距，使得嵌入的金属丝的数目受到限制。更大的难度在于金属丝的位置固定很困难，例如目前采用现有技术制作的玻璃转接板上的金属丝位置错配度最小为50微米。上述问题的存在大大限制了利用玻璃转接板来实现高密度的封装。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种把金属材料插入玻璃的方法及装置，进一步提供了一种制造插入有金属材料的玻璃板的方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种把金属材料插入玻璃的方法，该方法包括以下步骤：加热玻璃板的某一微区，使该微区的玻璃软化；把金属材料插入到软化的微区中一定深度；冷却固化所述软化的微区，使金属材料嵌入到玻璃板中。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制造插入有金属材料的玻璃板的方法，该方法包括以下步骤：加热玻璃板的某一微区，使该微区的玻璃软化；把金属材料插入到软化的微区中一定深度；冷却固化所述软化的微区；重复前述步骤，直到插入所要求数量的金属材料；减薄并整平玻璃板，使金属材料的两端在玻璃板的上下表面暴露出来。

其中，所述减薄并整平玻璃板的步骤还包括，整平玻璃板插入金属材料的一面；减薄并整平玻璃板未插入金属材料的另一面，使玻璃板减薄到要求的厚度。

优选的，所述减薄是通过机械研磨进行的，所述整平是通过机械抛光或化学机械抛光进行的。

可选的，还包括在所述玻璃板的两面制作再分布层的步骤，使得的金属材料的两端可通过再分布层与外部器件连接。并且，所述再分布层包括凸点底部金属层和凸点。

根据本发明制造出来的玻璃板可以进行MEMS器件的封装或集成。

优选的，所述金属材料形成为丝状，柱状，锥柱状或球状。

可选的，所述金属材料是钨，镍，铁，铜，铝，铂，金，鈀，钛或其合金。

优选的，所述金属材料的表面覆盖有一层或多层用于增加与玻璃润湿性或防止玻璃氧化的涂层。

优选的，所述涂层是所述金属材料的氧化物、聚合物材料或玻璃。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制造插入有金属材料的玻璃板的装置，所述装置包括：加热装置，其用于加热玻璃板的某一微区，使该微区的玻璃软化；插入装置，其用于把金属材料插入到软化的微区中一定深度，由此制成插入有金属材料的玻璃板。

优选的，所述加热装置所提供的温度大于所述玻璃板的软化温度并小于所述金属材料的熔点。

其中，所述加热装置与所述金属材料放置在所述玻璃板的一侧或分别放置在该玻璃板的两侧，例如是等离子体炬或激光器。

其中，所述插入装置是具有拿持和输送功能的机械装置。

其中，当所述加热装置是激光器时，该激光器发射用于加热所述玻璃板的激光束；所述装置还包括透镜，其用于将所接收的激光束汇聚到所述玻璃板的某一微区。可选的，所述装置还包括反射镜，其通过反射所述激光器发射的激光束以改变其光路，所述透镜接收该反射镜反射的激光束。

如上所述，为了避免将整个玻璃板熔化导致的金属位置迁移问题，本发明采用微区加热方式，并结合金属材料对准和施加一定外力的方式将其插入到软化的微区内，因而无需打孔就能直接实现金属填充玻璃基板的工艺。利用上述方法，还可以结合封装工艺来进一步来制作TGV玻璃转接板。

本发明方法的优点在于工艺简单，成本低廉，便于操作，效率高。可以有效解决玻璃打孔困难，填孔工艺复杂，成本高等问题。

附图说明

图1是本发明的制造插入有金属材料的玻璃板的装置的结构示意图；

图2是制造插入有金属材料的玻璃板的方法流程图；

图3是加热装置加热玻璃板某一微区的示意图；

图4是金属材料嵌入到玻璃板中的示意图；

图5是玻璃板中插入要求数量的金属材料后的示意图；

图6是玻璃板插入金属材料的一面进行整平后的示意图；

图7是玻璃板的另一面进行减薄并整平后的示意图；

图8是在玻璃板上制作再分布层的示意图；

图9是在玻璃板上进行MEMS器件三维集成的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。

<实施例1>

首先，参照图1来介绍本发明的制造插入有金属材料的玻璃板的装置。

本发明中，用于制造插入有金属材料的玻璃板的装置包括下述部件：加热装置，其用于加热玻璃板的某一微区，使该微区的玻璃软化；插入装置，其用于把金属材料插入到软化的微区中一定深度，由此制成插入有金属材料的玻璃板。

本发明中，所述加热装置优选的采用具有瞬时加热功能的装置，例如激光器或等离子体炬等。这样，可以瞬时加热玻璃板的某个微区并使其快速软化，提高装置的工作效率。加热装置所提供的温度优选的大于玻璃板的软化温度而小于金属材料的熔点。这样，在加热玻璃板使其达到软化温度时，保证金属材料不会熔化，以便能正常插入到软化的玻璃中。另外，虽然图中未示出，但是所述加热装置与金属材料可以放置在玻璃板的一侧，也可以分别放置于玻璃板的两侧。

在本发明后面的实施例中，优选的采用激光器作为加热装置。由于MEMS封装用的玻璃通常软化温度很高，加工温度超过1000度。采用激光等加热装置，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，同时可以保证非加热区处于一个较低温度下，从而不会破坏整个玻璃的或非加热区的状态、形貌以及性质。此外，根据待嵌入或插入玻璃的金属材料的尺寸，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嵌入。

当采用激光器时，所述激光器发射用于加热所述玻璃板的激光束，并在激光器的光路方向设置一透镜，其将所接收的激光束汇聚到所述玻璃板的某一微区。可选的，还可以设置一反射镜，其通过反射所述激光器发射的激光束以改变其光路，此时所述透镜是接收该反射镜反射的激光束。通过设置反射镜，可以使得本发明的加热装置的结构更加灵活紧凑，便于简化装置结构。

本发明的实施例中，所述插入装置优选的是具有拿持和输送功能的机械装置，由此可以保证金属材料插入玻璃的位置，施加力的大小以及插入深度。所述机械装置优选的可以三轴移动。

本发明中，所采用的嵌入金属材料可以是钨，镍，铁，铜，铝，铂，金，鈀，钛或其合金以及其它具有高熔点的金属，本发明中优选的采用钨，但不仅限于此。此外，所用的金属材料可以为丝状、柱状、锥柱状或球状等形状。可选的，根据金属材料与融化状态玻璃的润湿性，可以对金属材料表面进行处理，以增加金属材料与玻璃的润湿性或防止玻璃氧化。例如，可以在金属材料表面可以覆盖一层或多层涂层(例如所插入的金属材料的氧化物、聚合物材料或者玻璃)。另外，根据本领域所采用的玻璃转接板的特点，本发明所插入的金属材料的直径通常在18～150微米范围内，优选为100微米，但不限制于此。

本发明中，用作基板材料的玻璃可以是任意软化温度低于所用金属熔点的玻璃，例如可以采用Corning Pyrex 7740玻璃或Borofloat 33玻璃，但不限制于此。例如，如果进行微区加热的玻璃达到工艺要求的温度是1000摄氏度，相应的应选择熔点高于1000度的金属，而不能选择熔点低的金属(例如铝)来操作。因为，金属的熔点相对低的话，会造成其熔化，使得插入过程难以实现。

另外，根据实际工业需要，需要先将玻璃板加工成规定尺寸的大小，玻璃板尺寸加工方法不属于本发明的讨论范围。本实施例中，可以选用任意大小、形状和厚度的玻璃基板。例如，在下面的实施例中，为了兼容微加工技术和设备，采用的玻璃板为4英寸圆片，厚度为500微米，但不限制于此。

<实施例2>

下面参照图2至图9来介绍本发明实施例2的工艺流程。

图2显示了制造插入有金属材料的玻璃板的方法的流程图，如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤S01，加热玻璃板的某一微区。即用加热装置瞬间加热玻璃板101的某一微区202，使该微区的玻璃软化。本步骤中，优选的采用激光器103作为加热装置，如图3所示。

步骤S02，把金属材料插入到软化的微区中。即用插入装置102把金属材料201插入到软化的微区202中一定深度。

本实施例中，所述金属材料的插入深度例如是70～220微米，优选的为150微米，但不限制于此。实际上，金属材料的插入深度没有严格限制，只要保证插入深度比最终形成的玻璃转接板的厚度厚一些，留出减薄操作的余量即可。通常来说，金属材料的插入方向是基本上垂直于玻璃板的表面。

本发明中，通常利用一光学系统使激光器103和插入装置102同时对准玻璃板101的某一微区202，以便在激光器加热玻璃微区的同时插入金属材料。但是，用于对准操作的光学系统不属于本发明的讨论范围。

步骤S03，冷却固化所述软化的微区。即在插入金属材料之后，激光器103停止加热，玻璃软化区域202快速的自然冷却固化，插入装置102截断金属材料201，从而得到嵌入玻璃板的金属材料301，如图4所示。可选的，激光器103不用停止加热，而是转移到下一个要加热的玻璃微区，这样，已插入金属材料的玻璃软化区域202也会快速的自然冷却固化。

步骤S04，重复前述步骤，直到插入所要求数量的金属材料，得到如图5所示形貌。

步骤S05，减薄并整平玻璃板。本步骤是首先对玻璃板的一个表面进行抛光整平操作，然后对其另一个表面进行减薄和整平操作，使玻璃板减薄到要求的厚度和表面平整度，同时使所有金属材料的两端在玻璃板的上下表面暴露出来，完成玻璃转接板的制作。

为了使玻璃板减薄到需要的厚度，并且使得所有插入的金属材料的两端都露出玻璃板的表面，需要对玻璃板进行减薄操作。另外，如图5所示，由于金属材料的嵌入，玻璃表面会变得粗糙不平，因此需要对玻璃板表面进行抛光整平操作。

本步骤中，可以采用机械研磨来减薄玻璃板，使整个玻璃板的厚度减薄到要求的厚度，例如厚度减薄到30～200微米，优选的减薄到100微米。然后，通过机械抛光或化学机械抛光等方法来整平玻璃板的上下表面。如图6、图7所示，首先整平玻璃板插入金属材料的一面401，使玻璃板表面达到所要求的平整度；然后将玻璃板未插入金属材料的另一面402进行机械研磨，使玻璃板减薄到要求的厚度，然后通过机械抛光或化学机械抛光对该表面进行整平处理，使玻璃板表面达到所要求的平整度。如图7所示，经过上述减薄并整平操作的玻璃板的上下表面均露出所插入的金属材料，并且达到所要求的平整度。

经过该步骤的处理，使得玻璃板具有要求的厚度和表面平整度，并使得所有插入的金属材料的两端在玻璃板的上下表面暴露出来。

可选的，可以在制作完成的玻璃转接板上暴露出的金属材料两端制作再分布层，以便于暴露出的金属材料与其它器件的电气连接。例如，可以在玻璃板的两面制作凸点底部金属层501和凸点502，如图8所示。

最后，用制作完成的玻璃转接板与集成电路板(PCB板)及其他芯片(例如图9中的芯片1、芯片2、芯片3)一起进行MEMS器件三维集成，完成如图9所示三维堆叠结构的MEMS器件的封装。

以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用以限制本发明，本实施例中所用材料和工艺条件仅限于本实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种把金属材料插入玻璃的方法，该方法包括以下步骤：

通过加热装置加热玻璃板的某一微区，使该微区的玻璃软化；

通过插入装置把金属材料插入到软化的微区中一定深度；

冷却固化所述软化的微区，使金属材料嵌入到玻璃板中。

2.一种制造插入有金属材料的玻璃板的方法，该方法包括以下步骤：

加热玻璃板的某一微区，使该微区的玻璃软化；

把金属材料插入到软化的微区中一定深度；

冷却固化所述软化的微区；

重复前述步骤，直到插入所要求数量的金属材料；

减薄并整平玻璃板，使金属材料的两端在玻璃板的上下表面暴露出来。

3.根据权利要求2所述的方法，所述减薄并整平玻璃板的步骤包括：

整平玻璃板插入金属材料的一面；

减薄并整平玻璃板未插入金属材料的另一面，使玻璃板减薄到要求的厚度。

4.根据权利要求3所述的方法，所述减薄是通过机械研磨进行的，所述整平是通过机械抛光或化学机械抛光进行的。

5.根据权利要求2所述的方法，还包括在所述玻璃板的两面制作再分布层的步骤，使得金属材料的两端可通过再分布层与外部器件连接。

6.根据权利要求5所述的方法，所述再分布层包括凸点底部金属层和凸点。

7.根据权利要求2所述的方法，所述玻璃板可以进行MEMS器件的封装或集成。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，所述金属材料形成为丝状，柱状，锥柱状或球状。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，所述金属材料是钨，镍，铁，铜，铝，铂，金，鈀，钛或其合金。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，所述金属材料的表面覆盖有一层或多层用于增加与玻璃润湿性或防止玻璃氧化的涂层。

11.根据权利要求10所述的方法，所述涂层是所述金属材料的氧化物、聚合物材料或玻璃。

12.一种制造插入有金属材料的玻璃板的装置，所述装置包括：

加热装置，用于加热玻璃板的某一微区，使该微区的玻璃软化；

插入装置，用于把金属材料插入到软化的微区中一定深度，由此制成插入有金属材料的玻璃板。

13.根据权利要求12所述的装置，所述加热装置所提供的温度大于所述玻璃板的软化温度并小于所述金属材料的熔点。

14.根据权利要求12所述的装置，所述加热装置与所述金属材料放置在所述玻璃板的一侧或分别放置在该玻璃板的两侧。

15.根据权利要求12所述的装置，所述插入装置是具有拿持和输送功能的机械装置。

16.根据权利要求12所述的装置，所述加热装置包括等离子体炬或激光器。

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