CN106882763B

CN106882763B - 一种微孔填充设备

Info

Publication number: CN106882763B
Application number: CN201510943287.6A
Authority: CN
Inventors: 顾杰斌
Original assignee: Shanghai Mai Casting Semiconductor Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Mai casting Semiconductor Technology Co., Ltd.
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2018-11-16
Anticipated expiration: 2035-12-16
Also published as: CN106882763A

Abstract

本发明提供一种微孔填充设备，包括：设备座及设于其上的第一腔体；所述第一腔体上部开口，其上方设有盖体；所述盖体与升降装置连接，当所述盖体盖住所述第一腔体时形成第一密封腔；所述第一腔体内设有上部开口的液态金属槽，所述液态金属槽底部设有第二密封腔，用于将所述第二密封腔内的气压传递至所述液态金属表面；所述盖体下表面设有托具架，用于承载托具；所述托具用于承载微孔填充组件。本发明的微孔填充设备可通过调整微孔填充组件的内部气压P₁（即第一密封腔内的气压）及所述液态金属的表面气压P₂（即第二密封腔内的气压）实现微孔填充，填充速度极快，准确度高、切割效果好、过程简单并且无污染。

Description

一种微孔填充设备

技术领域

本发明属于微制造加工技术领域，涉及一种微孔金属填充技术，特别是涉及微孔填充设备。

背景技术

电互接是用来实现将芯片间以及芯片与基板之间的电信号的传输的方式，是封装的核心组成部分。现有的封装技术中，电连接主要通过金线键合(wire-bonding)和倒装焊(flip-chip)。wire-bonding通过将细小的金线(约25微米粗)两端分别键合在需要进行电互连的电极上实现。Flip-chip又被称为controlled collapse chip connection(C4)，该方法通过在电极上直接制作凸点，通常是锡球，然后通过锡球回流的方式实现与基板上对应电极的连接。随着电子器件的发展，上述两种电连接形式特别是Wire-bonding已渐渐不能满足更高的系统级封装(SiP)集成度和更小的封装体积的要求。

随之兴起的对先进封装有着重大影响的新型的电连接技术是TSV(Through-silicon via)硅通孔技术，其是穿透基片(特别是硅基片)的垂直电连接技术。TSV几乎可以代替所有封装中的Wire-Bonding的地方，提高所有种类芯片封装的电气性能，包括大大提高集成度，缩小芯片尺寸，特别是在系统集封装(System-in-Packaging，SiP)，圆片级封装(Wafer-Level Packaging–WLP)以及三维垂直叠层封装(3D Packaging)这些先进封装之中。

通孔互联的应用领域十分广泛，涵盖了从ASIC、Memory、IC到各类传感器件如MEMS和光传感器等。此外像硅转接板，陶瓷三维堆叠模块中都需要应用到通孔互联技术。

TSV的制造包括了通孔的制造，绝缘层的沉积，通孔的填充以及后续的化学机械平整化(CMP)和再布线(RDL)等工艺。在这些工艺中，通孔的填充是技术难度最大，成本最高的一项。根据实际的应用，通孔的孔径从几十个微米到几百微米不等，对于如此大块的金属填充，现有的主要技术是基于铜电镀原理，通过首先在通孔壁上进行种子层的附着，然后再在种子层上电镀铜的方式实现。除此外，其他的TSV技术也在不断的研究中。如基于低阻率硅的Silex Via则是通过在低阻率的硅片用硅深度蚀刻出柱状硅体作为传导介质。另外基于Wire-bonding以及磁组装技术的TSV技术也在研究中。这两种技术分别通过在通孔中放置金属引线或者镍针来作为导电介质。目前常用的填充方式是通过电镀来实现的，特别是铜电镀，如果对于尺寸在几个微米的也可以通过CVD来实现。但是无论是电镀还是CVD，因为速度慢，想实现尺寸在几十到几百微米的通孔填充或盲孔填充都比较困难。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微孔填充设备，用于解决现有技术中在几十到几百微米的微通孔或盲孔中填充金属速度慢及填充成品率低的问题的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微孔填充设备，包括：

设备座；

设于所述设备座上的第一腔体，所述第一腔体上部开口；

设于所述第一腔体上方的盖体；

设于所述设备座上的升降装置，所述升降装置与所述盖体连接，用于带动所述盖体下降或上升，使所述盖体盖住或脱离所述第一腔体；当所述盖体盖住所述第一腔体时，所述盖体与所述第一腔体构成第一密封腔；

设于所述第一腔体内的用于容置液态金属的液态金属槽；所述液态金属槽上部开口，所述液态金属槽底部设有第二密封腔；所述第二密封腔贯穿所述液态金属槽底部，并伸入所述液态金属中，用于将所述第二密封腔内的气压传递至所述液态金属表面；

设于所述盖体下表面的托具架，用于承载托具；所述托具用于承载微孔填充组件；当所述盖体盖住所述第一腔体形成第一密封腔时，所述微孔填充组件下表面紧贴所述液态金属槽上表面；

所述第一腔体上设有用于调节所述第一密封腔内气压的第一气体进出孔，所述第二密封腔上设有用于调节所述第二密封腔内气压的第二气体进出孔。

可选地，所述微孔填充设备还包括设于所述设备座上的隔绝外罩，所述隔绝外罩罩住所述第一腔体、盖体及升降装置，用于隔绝空气；所述隔绝外罩上设有第一托具进出窗口及用于置换空气的第三气体进出口。

可选地，所述隔绝外罩上设有至少两个手套操作接口。

可选地，所述隔绝外罩与一预热箱连接，其中，所述预热箱与所述隔绝外罩共用部分侧壁，且所述第一托具窗口位于共用的侧壁上；所述预热箱另一侧壁上还设有第二托具进出窗口。

可选地，所述预热箱中设有一托具传送装置，用于将预热完毕的托具通过所述第一托具窗口传送至所述托具架上。

可选地，所述隔绝外罩内连接有一用于观察微孔填充状态的显微镜。

可选地，所述隔绝外罩内设有导轨，所述显微镜与所述导轨连接，并在驱动装置的作用下沿所述导轨移动；所述导轨通过设于所述隔绝外罩内顶部或内侧壁的支架支撑，或者通过设于所述底座上的支架支撑。

可选地，所述显微镜与一影像显示设备连接。

可选地，所述盖体上设有至少一个透明观察窗口。

可选地，所述盖体下方设有一用于将所述填充组件压紧的压盖；所述压盖通过弹性装置与所述盖体连接。

可选地，所述压盖为透明压盖。

可选地，所述盖体中部设有一开口；所述弹性装置为第一波纹管；所述第一波纹管下端通过第一法兰与所述压盖密封连接、上端通过第二法兰与所述开口边沿密封连接。

可选地，所述第二法兰上还叠加有第三法兰；所述第三法兰中设有至少三个螺丝孔，所述螺丝孔中设有用于顶住所述压盖、以使所述压盖紧压所述填充组件的压紧螺丝。

可选地，所述第二法兰上还叠加有密封盖；所述密封盖、第一波纹管及压块组成第三密封腔；所述密封盖上设有用于调节所述第三密封腔内气压的第四气体进出口。

可选地，所述密封盖中间透明。

可选地，所述托具架包括一对相向设置的承载梁；所述承载梁上部通过紧固件与所述盖体连接，下部向内弯折以承托住托具边缘。

可选地，所述第二密封腔包括第二波纹管；所述第二波纹管底部与所述液态金属槽底部密封连接，所述第二波纹管顶部封闭，并伸入所述液态金属中。

可选地，所述第二密封腔还包括底腔；所述底腔与所述第一腔体底部下表面连接，并通过设置于所述第一腔体底部的通孔与所述第二波纹管连通；所述第二气体进出口设于所述底腔上。

可选地，所述液态金属槽底部或侧壁设有加热装置。

可选地，所述液态金属槽底部通过紧固件与所述第一腔体底部连接。

可选地，所述液态金属槽底部与所述第一腔体底部之间设有绝热环。

可选地，所述第一腔体底部设有至少两根用于定位的导柱，所述托具上设有与所述导柱相对应的导柱孔。

可选地，所述微孔填充组件包括自下而上依次叠加的喷嘴片、填充片及盖片；所述喷嘴片与所述填充片之间设有第一间隙，所述填充片与所述盖片之间设有第二间隙；所述第一密封腔与所述第一间隙及第二间隙中的至少一个连通；所述填充片中具有填充微孔，所述喷嘴片中设有与所述填充微孔垂直对应的喷嘴孔结构；所述填充微孔为通孔或盲孔。

可选地，所述微孔填充组件包括自下而上依次叠加的喷嘴片及填充片；所述喷嘴片与所述填充片之间设有第一间隙；所述第一密封腔与所述第一间隙连通；所述填充片中具有填充微孔，所述喷嘴片中设有与所述填充微孔垂直对应的喷嘴孔结构；所述填充微孔为盲孔。

可选地，当所述填充片为芯片时，所述微孔填充组件通过芯片托盘放置于所述托具上。

可选地，所述托具中部设有通孔；所述通孔边缘设有用于承载芯片托盘的芯片托盘槽；所述芯片托盘中部设有穿透窗口，所述穿透窗口边缘设有芯片槽；所述芯片托盘表面设有至少一条通气槽，所述通气槽从所述芯片托盘边缘延伸至所述芯片托盘槽；所述芯片托盘上方设有一透明压块。

可选地，当所述填充片为圆片时，所述微孔填充组件通过圆片夹具放置于所述托具上。

可选地，所述托具中部设有通孔；所述圆片夹具设于所述托具背面；所述圆片夹具上设有至少三个用于固定微孔填充组件的夹角。

可选地，所述圆片夹具通过紧固件固定于所述托具背面。

可选地，所述液态金属槽顶端设有与所述夹脚相对应的凹槽。

如上所述，本发明的微孔填充设备，具有以下有益效果：本发明的微孔填充设备可通过调整微孔填充组件的内部气压P₁(即第一密封腔内的气压)及所述液态金属的表面气压P₂(即第二密封腔内的气压)，使二者的气压差达到第一预设值，从而将所述液态金属槽中的液态金属通过所述喷嘴孔结构吸入所述填充微孔，完成所述填充微孔的金属填充；随后通过进一步调整所述微孔填充组件的内部气压P₁及所述液态金属的表面气压P₂，使二者的气压差达到第二预设值，利用液桥的夹断效应实现填充在微孔中的液态金属与液态金属槽的可控微切割，从而吸入和微切割一起完成整个填充过程。本发明的微孔填充设备不仅适用于芯片状态的填充片微孔填充，而且适用于整片圆片状态的填充片微孔填充，填充速度极快，准确度高、切割效果好、过程简单并且无污染，并可同时实现不同孔径微孔的填充。由于本发明的微孔填充设备可同时调整所述微孔填充组件的内部气压P₁及所述液态金属的表面气压P₂，可实现更大的压差，不仅可以实现通孔的填充，还可以实现盲孔的填充；同时，填充微孔与待填充的液态金属可以浸润，也可以不浸润。本发明微孔填充设备不仅适用于通孔互连中微孔的填充，同时适用于任何需要进行微孔填充的技术领域。

附图说明

图1显示为本发明的微孔填充设备的结构示意图。

图2显示为本发明的微孔填充设备中隔绝外罩与一预热箱连接的示意图。

图3显示为本发明的微孔填充设备中盖体的结构示意图。

图4显示为本发明的微孔填充设备于另一实施例中盖体的结构示意图。

图5显示为本发明的微孔填充设备中第一腔体及其内部结构的示意图。

图6显示为微孔填充组件的结构示意图。

图7显示为另一实施例中微孔填充组件的结构示意图。

图8显示为本发明的微孔填充设备中托具、芯片托盘与透明压块的分解结构示意图。

图9显示为本发明的微孔填充设备中圆片通过圆片夹具放置于托具中的示意图。

图10显示为利用本发明的微孔填充设备进行微孔填充时，填充过程开始前的示意图。

图11显示为利用本发明的微孔填充设备进行微孔填充时，填充过程的示意图。

图12显示为利用本发明的微孔填充设备进行微孔填充时，切割过程的示意图。

图13显示为利用本发明的微孔填充设备进行微孔填充时，切割过程完毕后的示意图。

图14显示为喷嘴孔中液桥的无量纲断裂压力值σ与喷嘴孔的高宽比(高度h和半径r的比值)的关系。

图15显示为整个填充过程中P₂、P₁和ΔP的变化关系。

图16显示为气压自动控制电气线路图。

图17显示为气压自动控制过程中的气压变化曲线。

元件标号说明

1 设备座

2 第一腔体

3 盖体

4 升降装置

5 液态金属槽

6 第二密封腔

7 托具架

8 托具

9 微孔填充组件

901 喷嘴片

902 填充片

903 盖片

904 第一间隙

905 第二间隙

906 填充微孔

907 喷嘴孔结构

10 第一气体进出孔

11 第二气体进出孔

13 第一托具进出窗口

14 第三气体进出口

15 预热箱

16 第二托具进出窗口

17 托具传送装置

18 显微镜

19 导轨

20 透明观察窗口

21 压盖

22 第一波纹管

23 第一法兰

24 第二法兰

25 第三法兰

26 压紧螺丝

27 密封盖

28 第四气体进出口

29 第二波纹管

30 液态金属

31 底腔

32，40 通孔

33 加热装置

34 紧固件

35 绝热环

36 导柱

37 导柱孔

38 密封圈

39 芯片托盘

41 芯片托盘槽

42 穿透窗口

43 芯片槽

44 通气槽

45 透明压块

46 圆片夹具

47 夹脚

48，49 紧固件

50 凹槽

51 圆片

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图15。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种微孔填充设备，请参阅图1，显示为该设备的结构示意图，包括：

设备座1；

设于所述设备座1上的第一腔体2，所述第一腔体2上部开口；

设于所述第一腔体2上方的盖体3；

设于所述设备座1上的升降装置4，所述升降装置4与所述盖体3连接，用于带动所述盖体3下降或上升，使所述盖体3盖住或脱离所述第一腔体2；当所述盖体3盖住所述第一腔体2时，所述盖体3与所述第一腔体2构成第一密封腔；

设于所述第一腔体2内的用于容置液态金属30的液态金属槽5；所述液态金属槽5上部开口，所述液态金属槽5底部设有第二密封腔6；所述第二密封腔6贯穿所述液态金属槽5底部，并伸入所述液态金属30中，用于将所述第二密封腔6内的气压传递至所述液态金属30表面；

设于所述盖体3下表面的托具架7，用于承载托具8；所述托具8用于承载微孔填充组件9；当所述盖体3盖住所述第一腔体2形成第一密封腔时，所述微孔填充组件9下表面紧贴所述液态金属槽5上表面；

所述第一腔体2上设有用于调节所述第一密封腔内气压的第一气体进出孔10，所述第二密封腔6上设有用于调节所述第二密封腔内气压的第二气体进出孔11。当然，所述第一腔体2及所述第二密封腔6上还可设有压力监测表接口，以实现腔内气压的实时监测，气压实时监测技术为本领域技术人员所熟知，此处不再详述。

为了减少外部环境对微孔填充时的影响，所述微孔填充设备还可包括设于所述设备座1上的隔绝外罩12，所述隔绝外罩12罩住所述第一腔体2、盖体3及升降装置4，用于隔绝空气；所述隔绝外罩12上设有第一托具进出窗口13及用于置换空气的第三气体进出口14。所述第一托具进出窗口13包括但不限于推拉门、旋转门等形式，作用是便于托具的进出，同时在托具进出后可关闭。

作为示例，所述隔绝外罩12由四个侧面及一个顶面围成，所述隔绝外罩的横截面为矩形。为了便于观察，所述隔绝外罩12优选采用透明材料制成，如玻璃、透明塑料等。

进行微孔填充前，托具及放置于其上的微孔填充组件通常需要经过预热箱预热。所述预热箱可为独立于所述微孔填充设备的装置，也可以与所述微孔填充设备相连。

请参阅图2，显示为所述隔绝外罩12与一预热箱15连接的示意图。作为示例，所述预热箱15与所述隔绝外罩12共用部分侧壁，且所述第一托具窗口13位于共用的侧壁上；所述预热箱15另一侧壁上还设有第二托具进出窗口16。需要进行微孔填充的微孔填充组件可放置于托具上从所述第一托具窗口13进入所述预热箱15，预热完毕后经所述第一托具进出窗口13直接从所述预热箱15进入所述隔绝外罩12中，避免了外界污染。

具体的，所述预热箱15中设有一托具传送装置17，用于将预热完毕的托具通过所述第一托具窗口13传送至所述托具架7上。所述传送装置17可采用现有的机械手臂。

为了便于技术人员手动操作，所述隔绝外罩12上可设有至少两个手套操作接口(未予图示)。所述手套操作接口可分布于所述隔绝外罩12的同一侧面，也可以分布于所述隔绝外罩12的不同侧面。

当然，所述隔绝外罩12也可采用现有的手套箱，手套箱是将高纯惰性气体充入箱体内，并循环过滤掉其中的活性物质的实验室设备，也称真空手套箱、惰性气体保护箱等，主要功能在于对O₂，H₂O，有机气体的清除，广泛应用于无水、无氧、无尘的超纯环境。主要由主箱体、过渡室两部分组成。过渡室是作为主箱体与箱体外的过渡空间，是由二个密封门和二个阀门以及一个室体组成。内外二个门能够有效地隔绝主箱体与外界的联系，使得箱体内外的东西能够在主箱体与大气隔绝的情况下进出，从而避免了反复对主箱体抽真空与充气的麻烦。

如图1所示，为了监控微孔填充过程，所述隔绝外罩12内可连接有一用于观察微孔填充状态的显微镜18。

具体的，所述隔绝外罩12内设有导轨19，所述显微镜18与所述导轨19连接，并在驱动装置的作用下沿所述导轨19移动。所述导轨19可通过设于所述隔绝外罩内顶部或内侧壁的支架支撑，也可以通过设于所述底座上的支架支撑。所述显微镜18可移动一方面有利于观察不同部位的填充情况，另一方面可以在所述盖体3的上升或下降时移至一旁，避免碰撞所述盖体3。

进一步的，所述显微镜18可与一影像显示设备(未图示)连接，实时显示微孔填充过程，以便于微孔填充过程中的工艺控制。

如图1所示，本实施例中，所述升降装置4包括分布于所述盖体3两侧的滑轨及安装于所述滑轨内并在所述滑轨内上下移动的滑块，所述滑块与所述盖体3边缘连接。当所述滑块在驱动装置的驱动下沿所述滑轨上下移动时，可以带动所述盖体3上升或下降。所述驱动装置可以是气缸，气缸控制系统可设于所述设备座内或所述隔绝外罩旁。当然，在其它实施例中，所述升降装置4也可采用其它现有方式，如包括滑轮、铰链等，此处不应过分限制本发明的保护范围。

请参阅图3，显示为所述盖体3的结构示意图。优选的，所述盖体3上设有至少一个透明观察窗口20。所述透明观察窗口20可采用玻璃或塑料，其可通过一中间带孔的法兰密封。所述透明观察窗口20的形状不限。作为示例，所述盖体3上对称分布有两个长条形透明观察窗口20。

具体的，所述盖体3下方可设有一用于将所述填充组件9压紧的压盖21；所述压盖21通过弹性装置与所述盖体3连接。作为示例，所述弹性装置为第一波纹管22，所述盖体3中部设有一开口，所述第一波纹管22上端通过第二法兰24与所述开口边沿密封连接、下端通过第一法兰23与所述压盖21密封连接。所述压盖21优选为透明压盖，以便于观察到整个填充过程。所述压盖21优选采用采用石英片。所述压盖21与所述第一法兰23之间可通过焊接或粘接的方式连接。

进一步的，所述第二法兰24上还叠加有第三法兰25；所述第三法兰25中设有至少三个螺丝孔，所述螺丝孔中设有用于顶住所述压盖21、以使所述压盖21紧压所述填充组件9的压紧螺丝26。

请参阅图4，在另一实施例中，也可通过气压来使所述压块21紧压所述填充组件9。如图所示，所述第二法兰24上还叠加有密封盖27；所述密封盖27、第一波纹管22及压块21组成第三密封腔；所述密封盖27上设有用于调节所述第三密封腔内气压的第四气体进出口28。所述密封盖27中间透明以便于观察填充情况，所述第四气体进出口28分布于中间透明部分周围。

如图3或4所示，本实施例中，所述托具架7包括一对相向设置的承载梁；所述承载梁上部通过紧固件与所述盖体3连接，下部向内弯折以承托住托具8边缘。在其它实施例中，所述托具架7也可采用其它现有形式，只要能够承托住所述托具8即可，此处不应过分限制本发明的保护范围。

请参阅图5，显示为所述第一腔体2及其内部结构的示意图。本实施例中，所述第二密封腔6包括第二波纹管29；所述第二波纹管29底部与所述液态金属槽5底部密封连接，所述第二波纹管29顶部封闭，并伸入所述液态金属30中。

波纹管是指用可折叠皱纹片沿折叠伸缩方向连接成的管状弹性敏感元件。波纹管在仪器仪表中应用广泛，主要用途是作为压力测量仪表的测量元件，将压力转换成位移或力。波纹管管壁较薄，灵敏度较高，测量范围为数十帕至数十兆帕。它的开口端固定，密封端处于自由状态，并可利用辅助的螺旋弹簧或簧片增加弹性。工作时在内部压力的作用下沿管子长度方向伸长，使活动端产生与压力成一定关系的位移。本实施例中采用波纹管，可以将所述第二密封腔6内的气压很好地传至所述液态金属30表面。

具体的，所述液态金属槽5底部或侧壁设有加热装置33。所述加热装置33包括加热棒。加热控制系统可设于所述设备座内或所述隔绝外罩12旁，电子线路可通过设于所述第一腔体2底部的气密性电路连接孔与外部控制装置连接。

进一步的，所述液态金属槽5底部与所述第一腔体2底部之间设有绝热环35。所述液态金属槽5底部通过紧固件34与所述第一腔体2底部连接。

所述第二密封腔6可进一步还包括底腔31；所述底腔31与所述第一腔体2底部下表面连接，并通过设置于所述第一腔体2底部的通孔32与所述第二波纹管29连通；所述第二气体进出口11设于所述底腔31上。当然，若没有所述底腔31，则所述第二气体进出口11可直接设于所述第一腔体底部。

所述第一腔体38顶部可设有密封圈38，以利于所述盖体3与所述第一腔体2之间紧密闭合，提高所述第一密封腔的密封性能。

具体的，所述第一气体进出孔10及所述第二气体进出口11均与气压控制系统相连(未图示)。需要指出的是，通过抽气或充气改变腔体内气压、并通过气压检测元件实时监控腔室内气压的技术为本领域技术人员所熟知，此处不再详述。

为了使所述微孔组件9正对所述液态金属槽5，所述第一腔体2底部可设有至少两根用于定位的导柱36，所述托具8上设有与所述导柱36相对应的导柱孔37。在所述盖体3下降过程中，所述导柱36可套设于所述导柱孔37中。

本发明的微孔填充设备可以用于通孔或盲孔的填充。请参阅图6，所述微孔填充组件9包括自下而上依次叠加的喷嘴片901、填充片902及盖片903；所述喷嘴片901与所述填充片902之间设有第一间隙904，所述填充片902与所述盖片903之间设有第二间隙905；所述第一密封腔与所述第一间隙904及第二间隙905中的至少一个连通；所述填充片902中具有填充微孔906，所述喷嘴片901中设有与所述填充微孔906垂直对应的喷嘴孔结构907；所述填充微孔906为通孔或盲孔。需要指出的是，当所述填充微孔906为盲孔时，所述微孔填充组件9也可以不包括所述盖片903，如图7所示。

具体的，可通过设于所述喷嘴片上表面的第一凸起结构形成所述第一间隙，通过设于所述盖片下表面的第二凸起结构形成所述第二间隙。当然，也可通过在所述喷嘴片与所述填充片之间放置第一垫圈形成所述第一间隙；通过在所述喷嘴片与所述盖片之间放置第二垫圈形成所述第二间隙。所述第一间隙、第二间隙的垂直高度需要足够大以保证气体在里面通过，同时又要足够小以防止液态金属被吸入间隙中。所述喷嘴孔结构包括分为上下两部分，其中，上部分为穿透所述喷嘴片上表面的喷嘴孔，下部分为穿透所述喷嘴片下表面的贯穿孔，所述喷嘴孔下端与所述贯穿孔上端连通。特别的，当所述喷嘴孔及所述填充微孔均为圆柱孔时，优选为满足所述喷嘴孔的孔径(半径r)小于所述填充微孔的孔径(半径R)的一半(r<R/2)，所述喷嘴孔的高宽比大于π。当然，在其它实施例中，所述喷嘴孔也可以为其他形状，如方孔、双曲线孔等，其尺寸要求可根据理论计算优化，此处不应过分限制本发明的保护范围。所述贯穿孔的作用是为了满足喷嘴片可以做得更厚，所述贯穿孔的尺寸大于所述喷嘴孔27，以容纳更多的液态金属。本实施例中，所述贯穿孔的尺寸自上而下逐渐增大，所述贯穿孔的纵截面为梯形。在另一实施例中，所述贯穿孔的上部分尺寸与下部尺寸也可以一致。另外，本实施例中，一个贯穿孔对应一个喷嘴孔，在另一实施例中，一个贯穿孔也可以对应一个喷嘴孔阵列，所述喷嘴孔阵列由至少两个分立的喷嘴孔组成。此外，所述喷嘴孔结构的侧壁及所述填充微孔的侧壁可均与待填充的液态金属不浸润；或者，所述喷嘴孔结构的侧壁与待填充的液态金属不浸润，所述填充微孔的侧壁与待填充的液态金属浸润。本发明的微孔填充设备适用于孔径范围在1～1000微米的填充微孔，对于50～200微米孔径的填充微孔，本发明的微孔金属填充结构及填充方法的优势尤为明显。

本发明的微孔填充设备不仅适用于整片的圆片，也适用于小块的芯片。当所述填充片902为芯片时，所述微孔填充组件9可通过芯片托盘放置于所述托具上，由于此时微孔填充组件面积较小，芯片托盘上方还可设置一块透明压块，用于盖住所述微孔填充组件。当所述填充片902为圆片时，所述微孔填充组件9通过圆片夹具放置于所述托具上。

作为示例，图8显示为托具8、芯片托盘39与透明压块45的分解结构示意图。如图所示，所述托具8中部设有通孔40；所述通孔40边缘设有用于承载芯片托盘39的芯片托盘槽41；所述芯片托盘39中部设有穿透窗口42，所述穿透窗口42边缘设有芯片槽43；所述芯片托盘39表面设有至少一条通气槽44，所述通气槽44从所述芯片托盘39边缘延伸至所述芯片托盘槽43；所述芯片托盘39上方设有一透明压块45。所述通气槽44有利于所述第一密封腔与所述微孔填充组件9中的间隙连通。本实施例中，所述导柱孔37的数目为两个，分布与所述托具8的一对对角上。

图9显示为圆片51通过圆片夹具46放置于托具8中的示意图。本实施例中，所述圆片夹具46设于所述托具8背面(图9为背面视图)。作为示例，所述圆片夹具46通过紧固件48固定于所述托具8背面。所述圆片夹具46上设有至少三个用于固定微孔填充组件的夹脚47，所述夹脚47亦通过紧固件49固定于所述圆片夹具46上。使用时，先将所述微孔填充组件反向放置于与所述圆片夹具46中，并通过所述夹脚47固定，然后将所述托具8翻过来放置于所述托具架7上。所述托具8中部设有通孔，使得所述微孔填充组件能够与所述液态金属槽中的液态金属接触。如图5所示，所述液态金属槽5顶端设有与所述夹脚47相对应的凹槽50。

当然在其它实施例中，所述微孔填充组件与所述托具之间也可采用其它固定方式，此处不应过分限制本发明的保护范围。

下面通过一个具体示例来详述如何利用本发明的微孔填充设备实现微孔的填充。

一、准备工作：

1、将待填充的填充片与喷嘴片、盖板一起装载入托具中。如果填充是小片进行的，则先载入芯片托盘，再放进托具中。

2、整个填充片在预热箱中进行预热，托具也可一起进行预热。

3、同时对隔绝外罩内进行空气置换，用氮气置换掉有害的氧气。

4、将设备开启，加热液态金属槽中的加热棒，等温度升到待填充金属融点以上，待填充金属融化。

二、填充过程：

5、将预热后的片子与托具，通过第一托具进出窗口一起装载入盖体下方的托具架上。

6、将盖体缓缓下降并最终盖紧。

7、在下降过程中托具中的导柱孔正好落入导柱中。

8、随着盖子的下降，片子落在液态金属槽表面，将压紧螺丝缓缓下旋，直至接触到波纹管的底部法兰为止。如果是使用的是波纹管密封腔(第三密封腔)，则通过控制该腔的压力保证在整个过程中底部的法兰始终可以压住液态金属表面，不让液态金属顶上来，否则液态金属会从芯片托盘或者片子和液态金属槽的边缘溢出。一般情况下该密封腔的气压与第二密封腔的气压一致保持。如有必要，该腔的压力可以适当加大一点。

9、通过抽真空的方式降低第一密封腔内的气压。根据具体应用，并不一定需要抽到真空。第二密封腔与第一密封腔的压力差将液态金属压入填充孔中。

10、如将第一密封腔抽到真空的情况下，压力差依然不足以将液态金属压入填充孔中，则可对第二密封腔加压，直到产生足够的压力差。

11、将第二密封腔的压力缓缓降低，直到与第一密封腔一致，或者降到真空。

12、将第一密封腔与第二密封腔的压力一起缓缓上升。

三、结束：

13、将盖体打开。

14、待片子冷却，填充孔中的液态金属固化后，将压紧螺丝缓缓往上旋上一段，并通过托具窗口将片子/芯片取出。

本发明的理论依据如下：设微孔填充组件内的气压为P₁，液态金属的表面气压为P₂。由于喷嘴孔、填充孔、以及间隙的尺寸都只有微米级别，重力对微米尺寸的液态金属的作用可以忽略不计。同时，由于液态金属槽的尺寸较大，液态金属内部的压力也可以忽略不计。金属在喷嘴孔、填充孔以及间隙中的形状由其受到的作用于各表面的压强所决定。

在填充过程开始前，P₁＝P₂，ΔP＝P₂-P₁＝0。金属液面为水平状态，如图10所示。

填充过程：首先通过减小P₁的方式增加ΔP。假设喷嘴孔及填充微孔均为圆柱孔，当ΔP＞2γ/r时，液态金属就会通过喷嘴孔结构吸入或者说压入填充微孔中，如图11所示。其中r为喷嘴孔的半径，γ为液态金属的表面张力。如果在P₁已经被抽成真空的情况下，ΔP还是小于2γ/r，那么可以通过增加P₂的方式继续增加ΔP，以达到将液态合金吸入填充孔的条件。

切割过程：在液态金属通过喷嘴结构吸入/压入填充微孔后，填入填充微孔中的液态金属与液态金属槽通过喷嘴结构还是相连的。如果填充微孔与液态金属是不浸润的，那么需要维持液态金属在填充孔中的压力为2γ/R，其中R为填充微孔的半径。与此同时，液态金属在喷嘴中形成恒压液桥，维持该液桥的压力为σγ/r，其中σ＝P_断裂/(γ/r)，为无量纲的断裂压力。σ与喷嘴孔的高宽比(高度h和半径r的比值)的关系如图14所示。接着通过减小P₂的方式来降低ΔP。如果2γ/R＞σγ/r，那么随着ΔP的降低，填充微孔中的液态金属会被表面张力拉回液态金属槽。但反过来，如果σγ/r＞2γ/R，那么恒压液桥在喷嘴中会断裂，同时，填充微孔中的液态金属不会被拉回，从而实现填充微孔中的液态金属与液态金属槽的可控切割，如图12及13所示。

液桥在喷嘴孔中的断裂无法从外界观察到，因此P₂被一直降到真空，与P₁一致，从而ΔP也降为零。最后P₂和P₁一同慢慢回升到大气压。图15给出了整个过程中P₂、P₁和ΔP的变化关系。

恒压液桥在各个喷嘴中的断裂是完全独立的，不会互相影响。因此，可同时填充不同孔径的填充微孔，即所述填充片中具有若干填充微孔，且至少有两个填充微孔的尺寸互不相同。填充及切断过程中，P₂、P₁的值以最小孔径的填充微孔的参数来计算确定。本发明中，填充的液态金属可以是单质金属，也可以为合金。

因为由盖片、填充片和喷嘴片组成的三明治结构在整个填充过程中可以保证上下两面承受的压力是一样的，因而不会产生因为压力差而导致的将片子压碎的问题。这也同时可以保证该技术可以扩展至任意尺寸的基片。

在将填充片从三明治片取出来之前，需要先让填充孔中的液态合金冷却固化。

在另一实施例中，如果填充微孔侧壁上沉积有与液态金属可以浸润(无论是反应浸润还是不反应浸润)的材料，上述过程依然成立，并且在填充微孔与液态金属可以浸润的情况下，喷嘴孔的要求可以放宽，即喷嘴孔的半径r并不一定非要满足小于填充孔半径R的一半的条件，同时，喷嘴孔的高宽比也可以放宽，或许可以小于π倍。

在另一实施例中，如果填充的是侧壁不浸润的盲孔，整个过程同上，只是当P₁抽为真空时，合金还不能被吸入盲孔中，只有通过对P₂加压的方式才能产生足够的压力差将液态金属压入盲孔中。其余步骤不变。并且，在所述填充微孔为盲孔时，所述第二间隙的垂直高度可以为0，即所述盖片紧贴所述填充片上表面。当然，由于所述盲孔上端封闭，也可以不需要所述盖片，在此情形下，通过调整所述第一间隙内的气压及所述液态金属的表面气压即可完成盲孔的金属填充及切割。

本发明不仅适用于硅通孔、硅盲孔的填充，还适用于陶瓷基片的带金属层的通孔的填充及其它任何需要进行微孔填充的领域。

需要指出的是，上述过程中，对于所述第一密封腔内的气压及第二密封腔内的气压的调控，既可以通过手动控制实现，也可以通过自动控制实现。作为示例，图16示出了一种气压自动控制电气线路图。如图16所示，所述第一密封腔及第二密封腔分别连接有用于监测压力的气压表P，所述第一密封腔与开关阀C连接，所述第二密封腔与比例阀B、开关阀A及开关阀B连接，所述开关阀B与开关阀C均与比例阀A连接，所述比例阀A与真空泵连接。各阀门的初始状态及功能如表一所示：

表一

阀门	初始状态	功能
			开关阀A	开	释放加热时第二腔体的压力
开关阀B	关	第二腔出气
			开关阀C	关	第一腔进出气
比例阀A	关	抽气快慢控制
			比例阀B	关	进气快慢控制

请参阅图17，显示为气压自动控制过程中的气压变化曲线，其中，R1-R4代表气压升降速率控制，通过比例阀控制；P_min代表两个腔抽到的最小气压，范围是0Bar～1Bar，P_max代表第二密封腔升到的最高气压，范围是1Bar～3Bar。

气压自动控制步骤如下：

1)打开真空泵；

2)调整比例阀A，打开开关阀C，第一密封腔降压到P_min，关闭开关阀C和比例阀A；

3)等t1时间；

4)关闭开关阀A，打开比例阀B，第二密封腔升压到P_max，关闭比例阀B；

5)等t2时间；

6)调整比例阀A，打开开关阀B，将第二密封腔降到P_min；

7)等t3时间；

8)打开开关阀C及开关阀B，打开比例阀B，等两个腔都回升到大气压；

9)将所有阀门调整到初始状态

气压控制系统可以与加热控制系统、气缸控制系统等集成在一起，也可以各自独立。

综上所述，本发明的微孔填充设备可通过调整微孔填充组件的内部气压P₁(即第一密封腔内的气压)及所述液态金属的表面气压P₂(即第二密封腔内的气压)，使二者的气压差达到第一预设值，从而将所述液态金属槽中的液态金属通过所述喷嘴孔结构吸入所述填充微孔，完成所述填充微孔的金属填充；随后通过进一步调整所述微孔填充组件的内部气压P₁及所述液态金属的表面气压P₂，使二者的气压差达到第二预设值，利用液桥的夹断效应实现填充在微孔中的液态金属与液态金属槽的可控微切割，从而吸入和微切割一起完成整个填充过程。本发明的微孔填充设备不仅适用于芯片状态的填充片微孔填充，而且适用于整片圆片状态的填充片微孔填充，填充速度极快，准确度高、切割效果好、过程简单并且无污染，并可同时实现不同孔径微孔的填充。由于本发明的微孔填充设备可同时调整所述微孔填充组件的内部气压P₁及所述液态金属的表面气压P₂，可实现更大的压差，不仅可以实现通孔的填充，还可以实现盲孔的填充；同时，填充微孔与待填充的液态金属可以浸润，也可以不浸润。本发明微孔填充设备不仅适用于通孔互连中微孔的填充，同时适用于任何需要进行微孔填充的技术领域。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种微孔填充设备，其特征在于，包括：

设备座；

设于所述设备座上的第一腔体，所述第一腔体上部开口；

设于所述第一腔体上方的盖体；

2.根据权利要求1所述的微孔填充设备，其特征在于：所述微孔填充设备还包括设于所述设备座上的隔绝外罩，所述隔绝外罩罩住所述第一腔体、盖体及升降装置，用于隔绝空气；所述隔绝外罩上设有第一托具进出窗口及用于置换空气的第三气体进出口。

3.根据权利要求2所述的微孔填充设备，其特征在于：所述隔绝外罩上设有至少两个手套操作接口。

4.根据权利要求2所述的微孔填充设备，其特征在于：所述隔绝外罩与一预热箱连接，其中，所述预热箱与所述隔绝外罩共用部分侧壁，且所述第一托具窗口位于共用的侧壁上；所述预热箱另一侧壁上还设有第二托具进出窗口。

5.根据权利要求4所述的微孔填充设备，其特征在于：所述预热箱中设有一托具传送装置，用于将预热完毕的托具通过所述第一托具窗口传送至所述托具架上。

6.根据权利要求2所述的微孔填充设备，其特征在于：所述隔绝外罩内连接有一用于观察微孔填充状态的显微镜。

7.根据权利要求6所述的微孔填充设备，其特征在于：所述隔绝外罩内设有导轨，所述显微镜与所述导轨连接，并在驱动装置的作用下沿所述导轨移动；所述导轨通过设于所述隔绝外罩内顶部或内侧壁的支架支撑，或者通过设于底座上的支架支撑。

8.根据权利要求6所述的微孔填充设备，其特征在于：所述显微镜与一影像显示设备连接。

9.根据权利要求1所述的微孔填充设备，其特征在于：所述盖体上设有至少一个透明观察窗口。

10.根据权利要求1所述的微孔填充设备，其特征在于：所述盖体下方设有一用于将所述填充组件压紧的压盖；所述压盖通过弹性装置与所述盖体连接。

11.根据权利要求10所述的微孔填充设备，其特征在于：所述压盖为透明压盖。

12.根据权利要求10所述的微孔填充设备，其特征在于：所述盖体中部设有一开口；所述弹性装置为第一波纹管；所述第一波纹管下端通过第一法兰与所述压盖密封连接、上端通过第二法兰与所述开口边沿密封连接。

13.根据权利要求12所述的微孔填充设备，其特征在于：所述第二法兰上还叠加有第三法兰；所述第三法兰中设有至少三个螺丝孔，所述螺丝孔中设有用于顶住所述压盖、以使所述压盖紧压所述填充组件的压紧螺丝。

14.根据权利要求12所述的微孔填充设备，其特征在于：所述第二法兰上还叠加有密封盖；所述密封盖、第一波纹管及压块组成第三密封腔；所述密封盖上设有用于调节所述第三密封腔内气压的第四气体进出口。

15.根据权利要求14所述的微孔填充设备，其特征在于：所述密封盖中间透明。

16.根据权利要求1所述的微孔填充设备，其特征在于：所述托具架包括一对相向设置的承载梁；所述承载梁上部通过紧固件与所述盖体连接，下部向内弯折以承托住托具边缘。

17.根据权利要求1所述的微孔填充设备，其特征在于：所述第二密封腔包括第二波纹管；所述第二波纹管底部与所述液态金属槽底部密封连接，所述第二波纹管顶部封闭，并伸入所述液态金属中。

18.根据权利要求17所述的微孔填充设备，其特征在于：所述第二密封腔还包括底腔；所述底腔与所述第一腔体底部下表面连接，并通过设置于所述第一腔体底部的通孔与所述第二波纹管连通；所述第二气体进出口设于所述底腔上。

19.根据权利要求1所述的微孔填充设备，其特征在于：所述液态金属槽底部或侧壁设有加热装置。

20.根据权利要求1所述的微孔填充设备，其特征在于：所述液态金属槽底部通过紧固件与所述第一腔体底部连接。

21.根据权利要求1所述的微孔填充设备，其特征在于：所述液态金属槽底部与所述第一腔体底部之间设有绝热环。

22.根据权利要求1所述的微孔填充设备，其特征在于：所述第一腔体底部设有至少两根用于定位的导柱，所述托具上设有与所述导柱相对应的导柱孔。

23.根据权利要求1所述的微孔填充设备，其特征在于：所述微孔填充组件包括自下而上依次叠加的喷嘴片、填充片及盖片；所述喷嘴片与所述填充片之间设有第一间隙，所述填充片与所述盖片之间设有第二间隙；所述第一密封腔与所述第一间隙及第二间隙中的至少一个连通；所述填充片中具有填充微孔，所述喷嘴片中设有与所述填充微孔垂直对应的喷嘴孔结构；所述填充微孔为通孔或盲孔。

24.根据权利要求1所述的微孔填充设备，其特征在于：所述微孔填充组件包括自下而上依次叠加的喷嘴片及填充片；所述喷嘴片与所述填充片之间设有第一间隙；所述第一密封腔与所述第一间隙连通；所述填充片中具有填充微孔，所述喷嘴片中设有与所述填充微孔垂直对应的喷嘴孔结构；所述填充微孔为盲孔。

25.根据权利要求23或24所述的微孔填充设备，其特征在于：当所述填充片为芯片时，所述微孔填充组件通过芯片托盘放置于所述托具上。

26.根据权利要求25所述的微孔填充设备，其特征在于：所述托具中部设有通孔；所述通孔边缘设有用于承载芯片托盘的芯片托盘槽；所述芯片托盘中部设有穿透窗口，所述穿透窗口边缘设有芯片槽；所述芯片托盘表面设有至少一条通气槽，所述通气槽从所述芯片托盘边缘延伸至所述芯片托盘槽；所述芯片托盘上方设有一透明压块。

27.根据权利要求23或24所述的微孔填充设备，其特征在于：当所述填充片为圆片时，所述微孔填充组件通过圆片夹具放置于所述托具上。

28.根据权利要求27所述的微孔填充设备，其特征在于：所述托具中部设有通孔；所述圆片夹具设于所述托具背面；所述圆片夹具上设有至少三个用于固定微孔填充组件的夹脚。

29.根据权利要求28所述的微孔填充设备，其特征在于：所述圆片夹具通过紧固件固定于所述托具背面。

30.根据权利要求28所述的微孔填充设备，其特征在于：所述液态金属槽顶端设有与所述夹脚相对应的凹槽。