CN105609450A - 一种三维封装垂直通孔的填充方法及装置 - Google Patents

一种三维封装垂直通孔的填充方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了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，其特征在于：坩埚为内外嵌套圆环式结构，填充材料填入到内容纳腔与外容纳腔之间的腔内，通过与压电陶瓷相连的传动杆带动压片挤压中心孔内的金属液使金属液从喷射孔喷出；坩埚通过连接有三维运动控制器的坩埚支架与腔体上部相连，使坩埚运动自如，与填充工作区的衬底配合，完成填充。本发明还公开了应用上述装置填充三维封装垂直通孔的方法。本发明通过金属液喷射装置和填充工作区的工作平台的协同配合，可形成均一液滴且频率可控，也可以形成稳流液线，实现三维封装垂直通孔的金属化填充，尺寸精度高、气孔率低、填充效率高、成本低、工艺简单、可自动化生产。

Description

一种三维封装垂直通孔的填充方法及装置
技术领域
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
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硅通孔(ThroughSiliconVia，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(TapeAutomatedBonding)和倒装芯片(FlipChip)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。
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
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。
本发明采用的技术手段如下：
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埚，所述坩埚内设有与压电陶瓷相连的传动杆，所述坩埚外侧设有加热带所述坩埚顶部开有坩埚进气口Ⅰ、坩埚进气口Ⅱ和坩埚排气口，所述腔体一侧开有腔体进气口和腔体排气口，机械泵与扩散泵安装在所述坩埚的上部且与所述坩埚及所述腔体相连；
其特征在于：
所述坩埚是以中心线为轴的、内外嵌套圆环式结构，所述坩埚的内容纳腔的底部与所述坩埚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；
所述坩埚通过连接有三维运动控制器的坩埚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；
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，T≥100+(D-5)×5。
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，所述机械泵与所述扩散泵对所述腔体和所述坩埚抽真空；
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，所述机械泵与所述扩散泵仅对所述坩埚抽真空；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，所述机械泵与所述扩散泵对所述腔体和所述坩埚抽真空。
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。
进一步地，所述坩埚内置有热电偶，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。
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。
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：
S1、装料：将微孔填充材料放入金属液喷射装置的坩埚内并密封，放入量为所述坩埚外容纳腔容积的30％-70％；
S2、抽真空：利用机械泵和扩散泵对所述坩埚和腔体抽真空，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，只对所述坩埚内部进行抽真空及充入高纯度惰性保护气体，使坩埚内压力达到预设值；
S3、熔融材料：使用加热带将所述坩埚内的微孔填充材料熔化，并通过所述坩埚内设置的热电偶实时监测所述坩埚内的温度，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；
S4、喷射微孔填充材料：通过所述伸入坩埚内的坩埚进气管将高纯度惰性保护气体通入，使坩埚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埚底部的中心孔；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；
S5、微孔填充：调节腔体温度控制器，使衬底的温度维持在100℃-300℃；所述三维运动控制器根据预设程序带动所述坩埚支架XYZ方向移动坩埚，调整坩埚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；
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；
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。
进一步地，所述微孔填充材料为纯金属Sn、Cu、Ni、Ag、Au或者Sn基钎料合金。
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。
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≥100+(D-5)×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。
与现有技术相比，本发明主要是使用高纯惰性气体，如He、Ar，通入坩埚与腔体内，并使坩埚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、坩埚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，坩埚中熔体从坩埚底部的喷射孔中喷出，形成频率可控、均一的液滴或稳流液线；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埚的运动，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震动，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。
基于上述理由本发明可在三维封装等领域广泛推广。
附图说明
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。
图1是本发明的结构示意图一。
图2是本发明的结构示意图二。
图3是本发明的结构示意图三。
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。
图中：1、腔体11、压电陶瓷12、传动杆13、压片14、坩埚支架15、三维运动控制器16、腔体温度控制器17、腔体排气口18、腔体进气口19、侧拉门2、坩埚21、外容纳腔211、喷射孔22、内容纳腔23、坩埚进气口Ⅰ24、坩埚进气口Ⅱ25、机械泵26、扩散泵27、坩埚排气口28、加热带3、填充工作区31、衬底311、微孔312、填充金属313、扩散阻挡层314、绝缘层32、工作平台33、传送带4、均匀液滴5、稳流液线。
具体实施方式
如图1所示，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3，所述金属液喷射装置置于腔体1的上部，所述金属液喷射装置包括用于液滴喷射的坩埚2，所述坩埚2内设有与压电陶瓷11相连的传动杆12，所述坩埚2外侧设有加热带28所述坩埚2顶部开有坩埚进气口Ⅰ23、坩埚进气口Ⅱ24和坩埚排气口27，所述腔体1一侧开有腔体进气口18和腔体排气口17，机械泵25与扩散泵26安装在所述坩埚2的上部且与所述坩埚2及所述腔体1相连；工作时，机械泵25与扩散泵26通过坩埚进气口Ⅰ23和坩埚进气口Ⅱ24对坩埚2进行抽真空。
所述坩埚2是以中心线为轴的、内外嵌套圆环式结构，所述坩埚2的内容纳腔22的底部与所述坩埚2的外容纳腔21的底部设有相贯通的中心孔，所述内容纳腔22的底部与所述外容纳腔21的底部之间设有用于熔融金属流通的空间，所述内容纳腔22的中心孔上方设有压片13，所述传动杆12与所述压片13接触；所述外容纳腔21的中心孔底部设有喷射孔211；所述坩埚2内置有热电偶，所述喷射孔211的直径小于所述微孔311的直径，所述喷射孔211的直径与所述微孔311的直径的比值为0.45-0.75。所述喷射孔211为单孔、单列孔或与所述微孔311阵列图形相同的全阵列孔。
所述坩埚2通过连接有三维运动控制器15的坩埚支架14与所述腔体1上部相连，所述腔体1中部两侧还设有维持腔体1温度的腔体温度控制器16；
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31和用于放置所述衬底31且对所述衬底31施加超声振动的衬底承载部，所述喷射孔211与所述衬底31之间的垂直距离D与所述衬底31的温度T之间满足以下关系，T≥100+(D-5)×5。
如图1所示，当所述衬底承载部仅为工作平台32时，所述填充工作区3置于所述腔体1底部，工作时，所述机械泵25与所述扩散泵26对所述腔体1和所述坩埚2抽真空；
如图2所示，当所述衬底承载部为带有传送带33的工作平台32时，所述填充工作区3位于所述腔体1下方，所述腔体1下部无底，工作时，所述机械泵25与所述扩散泵26仅对所述坩埚2抽真空。
如图3所示，将所述腔体1下部两侧侧壁开设对称的可供所述传送带33穿过的侧拉门19，工作时，侧拉门19将腔体1封闭，所述机械泵25与所述扩散泵26对腔体1和坩埚2同时抽真空。
所述衬底31上已形成未贯穿所述衬底31的微孔311阵列图形，所述微孔311的侧壁已完成扩散阻挡层313及绝缘层314(如图4所示)处理。
所述衬底31的温度保持在100℃-300℃，所述工作平台32带有超声振动，在液滴滴落时配合超声振动可以实现均匀的填充垂直通孔，且降低气孔率。
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，本申请的微孔填充材料为纯金属Sn、Cu、Ni、Ag、Au或者Sn基钎料合金中的一种，本实施例中微孔填充材料选用铜(Cu)材料，破碎成小块备用。包括如下步骤：
S1、装料：将破碎成小块的铜放入金属液喷射装置的坩埚2内并密封，放入量为所述坩埚2外容纳腔21容积的30％-70％；
S2、抽真空：利用机械泵25和扩散泵26对所述坩埚2和腔体1抽真空，并充入高纯度氩气，使腔体1内压力达到预设值；当腔体1与大气连通的情况下，只对所述坩埚2内部进行抽真空及充入高纯度氩气，使坩埚2内压力达到预设值；
S3、熔融材料：使用加热带28将所述坩埚2内的铜熔化，并通过所述坩埚2内设置的热电偶实时监测所述坩埚2内的温度，待加热温度达到1100℃后保温10min-30min，使微孔填充材料完全熔化；
S4、喷射微孔填充材料：通过所述伸入坩埚2内的坩埚进气管将高纯度惰性保护气体通入，使坩埚2内容纳腔22和外容纳腔21间形成的熔池内的熔融态铜充满所述坩埚底部的中心孔；给压电陶瓷11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11相连的传动杆12及所述传动杆12下方的压片13传递给喷射孔211附近区域的熔融态铜，使得熔融态铜从喷射孔211喷出形成均匀液滴4或稳流液线5；
S5、微孔填充：调节腔体温度控制器16，使衬底31的温度维持在100℃-300℃；所述三维运动控制器15根据预设程序带动所述坩埚支架14在XYZ方向移动坩埚2，调整坩埚2与衬底31之间的高度并准确定位微孔311的位置，配合压电陶瓷11振动(所述压电陶瓷11的振动频率在0.2Hz～2kHz)，使喷出的均匀铜液滴4或稳流液线5(如图3所示)准确地填充微孔311直至达到要求；同时，对所述衬底31进行超声振动，使微孔填充材料均匀紧密地填充在微孔311内部；所述均匀液滴4或稳流液线5降落在所述微孔311中之前尚未凝固，在Z方向上调整喷射孔211与衬底31之间的距离为5cm-45cm；
S6、填充完毕取出衬底31：当衬底31放置在工作平台32上时，打开腔体1，取出衬底31；当衬底31放置在传送带33上时，利用传送带33将填充完毕的衬底31传送至腔体1外，同时将下一个待加工衬底31传送至液滴填充工作区域；
S7、衬底31背面减薄：对填充完毕的衬底31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(如图4所示，图中，312为填充金属，313为扩散阻挡层，314为绝缘层)。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一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(3)，所述金属液喷射装置置于腔体(1)的上部，所述金属液喷射装置包括用于液滴喷射的坩埚(2)，所述坩埚(2)内设有与压电陶瓷(11)相连的传动杆(12)，所述坩埚(2)外侧设有加热带(28)所述坩埚(2)顶部开有坩埚进气口Ⅰ(23)、坩埚进气口Ⅱ(24)和坩埚排气口(27)，所述腔体(1)一侧开有腔体进气口(18)和腔体排气口(17)，机械泵(25)与扩散泵(26)安装在所述坩埚(2)的上部且与所述坩埚(2)及所述腔体(1)相连；
其特征在于：
所述坩埚(2)是以中心线为轴的、内外嵌套圆环式结构，所述坩埚(2)的内容纳腔(22)的底部与所述坩埚(2)的外容纳腔(21)的底部设有相贯通的中心孔，所述内容纳腔(22)的底部与所述外容纳腔(21)的底部之间设有用于熔融金属流通的空间，所述内容纳腔(22)的中心孔上方设有压片(13)，所述传动杆(12)与所述压片(13)接触；所述外容纳腔(21)的中心孔底部设有喷射孔(211)；
所述坩埚(2)通过连接有三维运动控制器(15)的坩埚支架(14)与所述腔体(1)上部相连，所述腔体(1)中部两侧还设有维持腔体(1)温度的腔体温度控制器(16)；
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(31)和用于放置所述衬底(31)且对所述衬底(31)施加超声振动的衬底承载部；
所述喷射孔(211)与所述衬底(31)之间的垂直距离D与所述衬底(31)的温度T之间满足以下关系，T≥100+(D-5)×5。
2.根据权利要求1所述的三维封装垂直通孔的填充装置，其特征在于：当所述衬底承载部仅为工作平台(32)时，所述填充工作区(3)置于所述腔体(1)底部，工作时，所述机械泵(25)与所述扩散泵(26)对所述腔体(1)和所述坩埚(2)抽真空；
当所述衬底承载部为带有传送带(33)的工作平台(32)时，所述填充工作区(3)位于所述腔体(1)下方，所述腔体(1)下部无底，工作时，所述机械泵(25)与所述扩散泵(26)仅对所述坩埚(2)抽真空；或者将所述腔体(1)下部两侧侧壁开设对称的可供所述传送带(33)穿过的侧拉门(19)，工作时，所述机械泵(25)与所述扩散泵(26)对所述腔体(1)和所述坩埚(2)抽真空。
3.根据权利要求1所述的三维封装垂直通孔的填充装置，其特征在于：所述衬底(31)上已形成未贯穿所述衬底(31)的微孔(311)阵列图形，所述微孔(311)的侧壁已完成扩散阻挡层(313)及绝缘层(314)处理。
4.根据权利要求3所述的三维封装垂直通孔的填充装置，其特征在于：所述坩埚(2)内置有热电偶，所述喷射孔(211)的直径小于所述微孔(311)的直径，所述喷射孔(211)的直径与所述微孔(311)的直径的比值为0.45-0.75。
5.根据权利要求3所述的三维封装垂直通孔的填充装置，其特征在于：所述喷射孔(211)为单孔、单列孔或与所述微孔(311)阵列图形相同的全阵列孔。
6.一种应用如权利要求1-5任一权利要求所述的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：
S1、装料：将微孔(311)填充材料放入金属液喷射装置的坩埚(2)内并密封，放入量为所述坩埚(2)外容纳腔(21)容积的30％-70％；
S2、抽真空：利用机械泵(25)和扩散泵(26)对所述坩埚(2)和腔体(1)抽真空，并充入高纯度惰性保护气体，使腔体(1)内压力达到预设值；当腔体(1)与大气连通的情况下，只对所述坩埚(2)内部进行抽真空及充入高纯度惰性保护气体，使坩埚(2)内压力达到预设值；
S3、熔融材料：使用加热带(28)将所述坩埚(2)内的微孔填充材料熔化，并通过所述坩埚(2)内设置的热电偶实时监测所述坩埚(2)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；
S4、喷射微孔填充材料：通过所述伸入坩埚(2)内的坩埚进气管将高纯度惰性保护气体通入，使坩埚(2)内容纳腔(22)和外容纳腔(21)间形成的熔池内的熔融态微孔填充材料充满所述坩埚底部的中心孔；给压电陶瓷(11)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(11)相连的传动杆(12)及所述传动杆(12)下方的压片(13)传递给喷射孔(211)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(211)喷出形成均匀液滴(4)或稳流液线(5)；
S5、微孔填充：调节腔体温度控制器(16)，使衬底(31)的温度维持在100℃-300℃；所述三维运动控制器(15)根据预设程序带动所述坩埚支架(14)XYZ方向移动坩埚(2)，调整坩埚(2)与衬底(31)之间的高度并准确定位微孔(311)的位置，配合压电陶瓷(11)振动，使喷出的均匀液滴(4)或稳流液线(5)准确地填充微孔(311)直至达到要求；
S6、填充完毕取出衬底(31)：当衬底(31)放置在工作平台(32)上时，打开腔体(1)，取出衬底(31)；当衬底(31)放置在传送带(33)上时，利用传送带(33)将填充完毕的衬底(31)传送至腔体(1)外，同时将下一个待加工衬底(31)传送至液滴填充工作区域；
S7、衬底(31)背面减薄：对填充完毕的衬底(31)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。
7.根据权利要求6所述的三维封装垂直通孔的填充方法，其特征在于：所述微孔填充材料为纯金属Sn、Cu、Ni、Ag、Au或者Sn基钎料合金。
8.根据权利要求6所述的三维封装垂直通孔的填充方法，其特征在于：所述步骤S5中，所述压电陶瓷(11)的振动频率在0.2Hz～2kHz。
9.根据权利要求6所述的三维封装垂直通孔的填充方法，其特征在于：在喷射微孔填充材料时对所述衬底(31)进行超声振动，使微孔填充材料均匀紧密地填充在微孔(311)内部。
10.根据权利要求6所述的三维封装垂直通孔的填充方法，其特征在于：所述步骤S5中，在Z方向上调整喷射孔(211)与衬底(31)之间的垂直距离D为5cm-45cm，且所述喷射孔(211)与衬底(31)之间的垂直距离D与衬底(31)的温度T之间满足以下关系，T≥100+(D-5)×5，以使所述均匀液滴(4)或稳流液线(5)降落在所述微孔(311)中之前尚未凝固。
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