CN107527861B - 一种用于微腔金属填充的喷嘴片结构、设备及填充方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于微腔金属填充的喷嘴片结构、设备及填充方法，所述喷嘴片结构包括：喷嘴片面板；贯穿所述面板上表面及下表面的通孔；与所述通孔连通的液态金属引流槽；所述引流槽由所述面板上表面开口，并往所述面板下表面方向延伸，但未贯穿所述面板下表面；至少两条设于所述面板边缘且两端分别与所述引流槽、所述面板侧面连通的通气槽；所述通气槽由所述面板上表面开口，并往所述面板下表面方向延伸，但未贯穿所述面板下表面。本发明的喷嘴片结构可以针对不同结构和形状的微腔进行不同种类金属单质或金属合金的有效、快速填充，且喷嘴通孔位置不需要与填充片上待填充的微腔位置一一对应，从而大大提高了喷嘴片结构的普适性。

Description

一种用于微腔金属填充的喷嘴片结构、设备及填充方法
技术领域
本发明属于微制造加工技术领域，涉及一种微腔金属填充技术，特别是涉及一种用于微腔金属填充的喷嘴片结构、设备及填充方法。
背景技术
在微制造加工领域，特别是MEMS领域，需要涉及到对基片上的微腔进行金属填充。这些基片可以是硅片，玻璃片或者陶瓷片等。这些微腔可以是不同的形状。可以是穿透基片的也可以是盲孔形的。对微腔的金属填充又被称为微腔的金属化。例如在通孔互连应用中，就需要对阵列的通孔进行金属填充以实现通孔的导电能力。又例如在刻蚀的螺线形槽中填充金属可以制造出埋置式的螺线式电感。
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。
因此，如何提供一种新的用于微腔金属填充的喷嘴片结构、设备及填充方法，以实现基板中微腔的可靠、快速金属填充，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
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用于微腔金属填充的喷嘴片结构、设备及填充方法，用于解决现有技术中在基板微腔中填充金属速度慢及填充成品率低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于微腔金属填充的喷嘴片结构，所述喷嘴片结构包括：
喷嘴片面板；所述面板包括上表面和下表面；
贯穿所述面板上表面及下表面的通孔；
与所述通孔连通的液态金属引流槽；所述引流槽由所述面板上表面开口，并往所述面板下表面方向延伸，但未贯穿所述面板下表面；
至少两条设于所述面板边缘且两端分别与所述引流槽、所述面板侧面连通的通气槽；所述通气槽由所述面板上表面开口，并往所述面板下表面方向延伸，但未贯穿所述面板下表面。
可选地，所述引流槽为线型引流槽，包括：
与所述通孔连通的线型主槽；
至少两条两端分别与所述线型主槽、所述通气槽连通的线型喷嘴槽。
可选地，所述线型主槽两侧均垂直连通有至少两条所述线型喷嘴槽。
可选地，所述线型喷嘴槽的宽度大于所述通气槽的宽度。
可选地，所述线型喷嘴槽的深度范围是1-1000微米，宽度范围是1-1000微米。
可选地，所述引流槽为面型引流槽，包括与所述通孔连通的面型槽；所述面型槽侧面与所述通气槽连通。
可选地，所述面型槽的外侧面轮廓为圆形。
可选地，所述面型槽的深度范围是1-1000微米。
可选地，所述引流槽为面补偿型引流槽，包括：
至少两条与所述通孔连通的线型喷嘴槽；
内侧面与外侧面分别与所述线型喷嘴槽、所述通气槽连通的面型槽。
可选地，所述面型槽的深度范围是1-1000微米；所述线型喷嘴槽的深度范围是1-1000微米，宽度范围是1-1000微米。
可选地，所述通孔位于所述面板下表面的开口面积大于或等于其位于所述面板上表面的开口面积。
可选地，所述通孔位于所述面板的中心或偏离所述面板的中心。
可选地，所述面板在水平面上的投影为圆形。
本发明还提供一种微腔金属填充设备，所述微腔金属填充设备包括上述任意一项所述的喷嘴片结构。
本发明还提供一种微腔金属填充方法，所述微腔金属填充方法使用上述任意一项所述的喷嘴片结构。
可选地，所述微腔金属填充方法包括如下步骤：
提供一液态金属槽，在所述液态金属槽上水平放置自下而上依次由所述喷嘴片结构、填充片及盖片叠加而成的三明治结构；其中，所述喷嘴片结构下表面紧贴槽内液态金属的上表面；所述填充片中具有填充微腔；所述填充微腔为上下贯穿所述填充片的通腔或仅贯穿所述填充片下表面的盲腔；
调整所述三明治结构的内部气压P1及所述液态金属的表面气压P2，使二者的气压差达到第一预设值，以将所述液态金属槽中的液态金属通过所述喷嘴片结构吸入所述填充微腔，完成所述填充微腔的金属填充；
进一步调整所述三明治结构的内部气压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，以将液态金属在所述填充片与所述喷嘴片结构界面处断开。
可选地，当所述填充微腔为通腔时，所述盖片与所述填充片之间设有通气间隙。
可选地，当所述填充微腔为通腔时，所述盖片面向所述填充片的一面设有用于收缩补偿的面型槽。
可选地，所述微腔金属填充方法包括如下步骤：
提供一液态金属槽，在所述液态金属槽上水平放置自下而上依次由所述喷嘴片结构及填充片叠加而成的双层结构；其中，所述喷嘴片结构下表面紧贴槽内液态金属的上表面；所述填充片中具有填充微腔；所述填充微腔为仅贯穿所述填充片下表面的盲腔；
调整所述双层结构的内部气压P1及所述液态金属的表面气压P2，使二者的气压差达到第一预设值，以将所述液态金属槽中的液态金属通过所述喷嘴片结构吸入所述填充微腔，完成所述填充微腔的金属填充；
进一步调整所述三明治结构的内部气压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，以将液态金属在所述填充片与所述喷嘴片结构界面处断开。
可选地，填充完毕后，将所述填充片取出，并去除所述填充片表面多余的填充金属。
可选地，通过化学机械抛光法将所述填充片表面平整化，同时去除所述填充片表面多余的填充金属。
可选地，所述喷嘴片结构的表面与待填充的液态金属不浸润。
可选地，所述填充片的材料包括Si、玻璃或陶瓷。
可选地，所述填充微腔为孔型、直线槽型、折线槽型或曲线槽型。
如上所述，本发明的用于微腔金属填充的喷嘴片结构、设备及填充方法，具有以下有益效果：本发明的用于微腔金属填充的喷嘴片结构可以针对不同结构和形状的微腔进行不同种类金属单质或金属合金的有效、快速填充，且喷嘴通孔位置不需要与填充片上待填充的微腔位置一一对应，从而大大提高了喷嘴片结构的普适性。本发明的用于微腔金属填充的喷嘴片结构包括贯穿所述面板上表面及下表面的通孔、与所述通孔连通的液态金属引流槽以及设于所述喷嘴片面板边缘且两端分别与所述引流槽、所述面板侧面连通的通气槽；所述引流槽与所述通孔共同构成所述喷嘴片的喷嘴，使得进入所述通孔的液态金属通过所述引流槽填充进填充片的微腔中。根据所述引流槽的不同图形设计，所述喷嘴片可分为三种类型：线型喷嘴片、面型喷嘴片及面补偿型喷嘴片。对于线型喷嘴片，液态金属通过主槽和线型喷嘴槽填入微腔；对于面型喷嘴片，液态金属通过面型槽填入微腔；对于面补偿型喷嘴片，液态金属通过线型喷嘴槽、面型槽填入微腔中。本发明的喷嘴片结构、设备及填充方法不仅适用于通孔互连中微腔的填充，同时适用于任何需要进行微腔填充的技术领域。
附图说明
图1显示为本发明的用于微腔金属填充的喷嘴片结构为线型喷嘴片时的俯视结构示意图。
图2显示为图1所示结构的A-A向剖视图。
图3显示为图1所示结构的B-B向剖视图。
图4显示为图1所示结构的C-C向剖视图。
图5显示为本发明的用于微腔金属填充的喷嘴片结构为面型喷嘴片时的俯视结构示意图。
图6显示为图5所示结构的D-D向剖视图。
图7显示为图5所示结构的E-E向剖视图。
图8显示为本发明的用于微腔金属填充的喷嘴片结构为面补偿型喷嘴片时的俯视结构示意图。
图9显示为图8所示结构的F-F向剖视图。
图10显示为图8所示结构的G-G向剖视图。
图11显示为本发明的微腔金属填充方法中由喷嘴片、填充片及盖片叠放而成的三明治结构的分解示意图。
图12显示为本发明的微腔金属填充方法在液态金属上方放置三明治结构的示意图，其中填充片中的填充微腔为上下贯穿所述填充片的通腔。
图13显示为本发明的微腔金属填充方法通过调整气压将液态金属通过所述喷嘴片结构吸入所述通腔的示意图。
图14显示为本发明的微腔金属填充方法通过调整气压将液态金属在所述填充片与所述喷嘴片结构界面处断开的示意图。
图15显示为本发明的微腔金属填充方法填充完毕后，将所述填充片取出的示意图。
图16显示为本发明的微腔金属填充方法去除所述填充片表面多余的填充金属的示意图。
图17显示为本发明的微腔金属填充方法在液态金属上方放置三明治结构的示意图，其中填充片中的填充微腔为仅贯穿所述填充片下表面的盲腔。
图18显示为本发明的微腔金属填充方法通过调整气压将液态金属通过所述喷嘴片结构吸入所述盲腔的示意图。
图19显示为本发明的微腔金属填充方法通过调整气压将液态金属在所述填充片与所述喷嘴片结构界面处断开的示意图。
图20显示为本发明的微腔金属填充方法填充完毕后，将所述填充片取出的示意图。
图21显示为本发明的微腔金属填充方法去除所述填充片表面多余的填充金属的示意图。
图22显示为设有螺旋管型空腔的填充片的立体结构示意图。
图23显示为设有螺旋管型空腔的填充片的立体剖视图。
图24a-图24b显示为本发明的微腔金属填充方法在液态金属上方放置三明治结构的示意图，其中填充片中的填充微腔为螺旋管型空腔。
图25显示为本发明的微腔金属填充方法通过调整气压将液态金属通过所述喷嘴片结构吸入所述螺旋管型空腔的示意图。
图26显示为本发明的微腔金属填充方法通过调整气压将液态金属在所述填充片与所述喷嘴片结构界面处断开的示意图。
图27显示为本发明的微腔金属填充方法填充完毕后，将所述填充片取出的示意图。
图28显示为本发明的微腔金属填充方法去除所述填充片表面多余的填充金属的示意图。
图29显示为本发明的微腔金属填充方法得到的螺旋管线圈的立体结构示意图。
元件标号说明
1 喷嘴片面板
2 通孔
301 线型引流槽
3011 线型主槽
3012 线型喷嘴槽
302 面型引流槽
3021 面型槽
303 面补偿型引流槽
3031 线型喷嘴槽
3032 面型槽
4 通气槽
5 喷嘴片结构
6 填充片
601 填充微腔
6011 通腔
6012 盲腔
7 盖片
8 液态金属
9 螺旋管型空腔
901 支柱孔
902 顶部线组槽
903 底部线组槽
10 线路槽
11 空腔
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21。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。
实施例一
本发明提供一种用于微腔金属填充的线型喷嘴片结构，请参阅图1，显示为所述线型喷嘴片结构的俯视图，包括：
喷嘴片面板1；所述面板1包括上表面和下表面；
贯穿所述面板1上表面及下表面的通孔2；
与所述通孔2连通的液态金属线型引流槽301；所述线型引流槽301由所述面板1上表面开口，并往所述面板1下表面方向延伸，但未贯穿所述面板1下表面；
至少两条设于所述面板1边缘且两端分别与所述线型引流槽301、所述面板1侧面连通的通气槽4；所述通气槽4由所述面板1上表面开口，并往所述面板1下表面方向延伸，但未贯穿所述面板1下表面。
作为示例，所述面板1在水平面上的投影为圆形。当然，在其它实施例中，所述面板1在水平面上的投影也可以为其它形状，例如椭圆形、多边形等，此处不应过分限制本发明的保护范围。
所述通孔2可以位于所述面板1的中心，也可以偏离所述面板1的中心。图1所示为所述通孔2位于圆形面板中心的情形。
如图1所示，所述线型引流槽包括与所述通孔2连通的线型主槽3011及至少两条两端分别与所述线型主槽3011、所述通气槽4连通的线型喷嘴槽3012。
本实施例中，所述线型主槽3011两侧均垂直连通有至少两条所述线型喷嘴槽3012。所述线型主槽3011的宽度大于所述线型喷嘴槽3012的宽度，所述线型喷嘴槽3012的宽度大于所述通气槽4的宽度。将所述通气槽4的宽度设置为小于所述线型喷嘴槽3012的宽度是为了防止液态金属填充时，液态金属从通气槽流到外面。在其它实施例中，所述线型喷嘴槽3012也可呈非垂直连接关系，且所述线型主槽3011的宽度也可以等于或小于所述线型喷嘴槽3012的宽度，此处不应过分限制本发明的保护范围。
本实施例中，所述线型主槽3011及所述线型喷嘴槽3012均为直线型，在其它实施例中，所述线型主槽3011或所述线型喷嘴槽3012也可以为曲线型、折线形或者混合型，此处不应过分限制本发明的保护范围。
需要指出的是，所述线型喷嘴槽3012的密度需要足够大，以让所述线性喷嘴槽3012可以通过填充片上所有微腔所在的位置。
请参阅图2、图3及图4，分别显示为图1所示结构的A-A向、B-B向及C-C向剖视图。
作为示例，所述通孔2位于所述面板1下表面的开口面积大于其位于所述面板1上表面的开口面积。较大的下开口面积有利于更多的液态金属进入所述通孔，较小的上开口有利于后续填充完毕后所述通孔中金属液桥的夹断。当然，在其它实施例中，所述通孔2位于所述面板1下表面的开口面积与其位于所述面板1上表面的开口面积也可以相等，此处不应过分限制本发明的保护范围。
作为示例，所述线型喷嘴槽的深度范围是1-1000微米，宽度范围是1-1000微米。
本发明的线型喷嘴片结构可以针对不同结构和形状的微腔进行不同种类金属单质或金属合金的有效、快速填充，且喷嘴通孔位置不需要与填充片上待填充的微腔位置一一对应，从而大大提高了喷嘴片结构的普适性。对于线型喷嘴片，液态金属通过主槽和线型喷嘴槽填入微腔。本发明的线型喷嘴片结构不仅适用于通孔互连中微腔的填充，同时适用于任何需要进行微腔填充的技术领域。
实施例二
本发明提供一种用于微腔金属填充的面型喷嘴片结构，请参阅图5，显示为所述面型喷嘴片结构的俯视图，包括：
喷嘴片面板1；所述面板1包括上表面和下表面；
贯穿所述面板1上表面及下表面的通孔2；
与所述通孔2连通的液态金属面型引流槽302；所述面型引流槽302由所述面板1上表面开口，并往所述面板1下表面方向延伸，但未贯穿所述面板1下表面；
至少两条设于所述面板1边缘且两端分别与所述面型引流槽302、所述面板1侧面连通的通气槽4；所述通气槽4由所述面板1上表面开口，并往所述面板1下表面方向延伸，但未贯穿所述面板1下表面。
作为示例，所述面板1在水平面上的投影为圆形。当然，在其它实施例中，所述面板1在水平面上的投影也可以为其它形状，例如椭圆形、多边形等，此处不应过分限制本发明的保护范围。
所述通孔2可以位于所述面板1的中心，也可以偏离所述面板1的中心。图5所示为所述通孔2位于圆形面板中心的情形。
如图5所示，所述面型引流槽302包括与所述通孔2连通的面型槽3021；所述面型槽3021侧面与所述通气槽4连通。
作为示例，所述面型槽3021的外侧面轮廓为圆形。所述面型槽的3021的深度范围是1-1000微米。圆形面型槽可以充分利用所述面板1的面积，从而覆盖更多的填充微腔。当然，所述面型槽3021也可以为其它形状，此处不应过分限制本发明的保护范围。
请参阅图6及图7，分别显示为图5所示结构的D-D向及E-E向剖视图。
作为示例，所述通孔2位于所述面板1下表面的开口面积大于其位于所述面板1上表面的开口面积。较大的下开口面积有利于更多的液态金属进入所述通孔，较小的上开口有利于后续填充完毕后所述通孔中金属液桥的夹断。
作为示例，所述面型槽的深度范围是1-1000微米。
本发明的面型喷嘴片结构可以针对不同结构和形状的微腔进行不同种类金属单质或金属合金的有效、快速填充，且喷嘴通孔位置不需要与填充片上待填充的微腔位置一一对应，从而大大提高了喷嘴片结构的普适性。对于面型喷嘴片，液态金属通过面型槽填入微腔。本发明的面型喷嘴片结构不仅适用于通孔互连中微腔的填充，同时适用于任何需要进行微腔填充的技术领域。
实施例三
本发明提供一种用于微腔金属填充的面补偿型喷嘴片结构，请参阅图8，显示为所述面补偿型喷嘴片结构的俯视图，包括：
喷嘴片面板1；所述面板1包括上表面和下表面；
贯穿所述面板1上表面及下表面的通孔2；
与所述通孔2连通的液态金属面补偿型引流槽303；所述面补偿型引流槽303由所述面板1上表面开口，并往所述面板1下表面方向延伸，但未贯穿所述面板1下表面；
至少两条设于所述面板1边缘且两端分别与所述面补偿型引流槽303、所述面板1侧面连通的通气槽4；所述通气槽4由所述面板1上表面开口，并往所述面板1下表面方向延伸，但未贯穿所述面板1下表面。
作为示例，所述面板1在水平面上的投影为圆形。当然，在其它实施例中，所述面板1在水平面上的投影也可以为其它形状，例如椭圆形、多边形等，此处不应过分限制本发明的保护范围。
所述通孔2可以位于所述面板1的中心，也可以偏离所述面板1的中心。图8所示为所述通孔2位于圆形面板中心的情形。
如图8所示，所述面补偿型引流槽303包括至少两条与所述通孔2连通的线型喷嘴槽3031及内侧面与外侧面分别与所述线型喷嘴槽3031、所述通气槽4连通的面型槽3032。
作为示例，所述面型槽3032的外侧面轮廓及内侧面轮廓均为圆形。
请参阅图9及图10，分别显示为图8所示结构的F-F向及G-G向剖视图。
作为示例，所述通孔2位于所述面板1下表面的开口面积大于其位于所述面板1上表面的开口面积。较大的下开口面积有利于更多的液态金属进入所述通孔，较小的上开口有利于后续填充完毕后所述通孔中金属液桥的夹断。
作为示例，所述面型槽3032的深度范围是1-1000微米；所述线型喷嘴槽3031的深度范围是1-1000微米，宽度范围是1-1000微米。
本实施例的面补偿型喷嘴片结构与实施例二的面型喷嘴片结构最大的区别在于：在面补偿型喷嘴片中，液态金属是在线型喷嘴槽3031中断裂的，所以在面型槽3032处会有完整的金属薄片生成。这些薄片可以补偿金属在冷却固化收缩时在微腔中体积的缩小。
本发明的面补偿型喷嘴片结构可以针对不同结构和形状的微腔进行不同种类金属单质或金属合金的有效、快速填充，且喷嘴通孔位置不需要与填充片上待填充的微腔位置一一对应，从而大大提高了喷嘴片结构的普适性。对于面补偿型喷嘴片，液态金属通过线型喷嘴槽、面型槽填入微腔中。本发明的面补偿型喷嘴片结构不仅适用于通孔互连中微腔的填充，同时适用于任何需要进行微腔填充的技术领域。
实施例四
本发明还提供一种微腔金属填充设备，所述微腔金属填充设备包括实施例一、实施例二及实施例三中任意一项所述的喷嘴片结构。
作为示例，所述微腔金属填充设备包括盖片及所述喷嘴片结构，用于将填充片夹在中间，形成自下而上依次为喷嘴片、填充片及盖片的三明治结构；当进行金属填充时，所述三明治结构水平放置于液态金属槽上，且所述喷嘴片结构下表面紧贴槽内液态金属的上表面。
请参阅图11，显示为由喷嘴片结构5、填充片6及盖片7叠放而成的三明治结构的分解示意图。其中，所述喷嘴片结构5以面补偿型喷嘴片结构为例。所述填充片6中具有填充微腔601；所述填充微腔601可以为上下贯穿所述填充片601的通腔或仅贯穿所述填充片601下表面的盲腔。
作为示例，所述微腔金属填充设备还包括第一密封腔，其与所述三明治结构中的间隙连通，用于调整所述三明治结构的内部气压。
作为示例，所述微腔金属填充设备还包括第二密封腔，贯穿所述液态金属槽侧壁或底部，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；所述第二密封腔不与所述三明治结构中的间隙连通。
作为示例，所述第二密封腔伸入所述液态金属的部分包括波纹管。所述第一密封腔及第二密封腔的腔壁上均设有管路，且所述管路上设有阀门，可通过抽气或通气来改变密封腔内的气压。
本发明的微腔金属填充设备不仅适用于通腔的填充，还适用于盲腔的填充。其中在进行盲腔填充时，也可以不需要所述盖片。
实施例五
本发明还提供一种微腔金属填充方法，所述微腔金属填充方法使用实施例一、实施例二及实施例三中任意一项所述的喷嘴片结构。
具体的，所述微腔金属填充方法包括如下步骤：
步骤S1：如图12所示，提供一液态金属槽，在所述液态金属槽上水平放置自下而上依次由所述喷嘴片结构5、填充片6及盖片7叠加而成的三明治结构；其中，所述喷嘴片结构5下表面紧贴槽内液态金属8的上表面；所述填充片6中具有填充微腔；所述填充微腔为上下贯穿所述填充片的通腔6011。
具体的，所述液态金属可以为金属单质或其合金，包括但不限于锡、铜、银、金等导电材料。
具体的，所述盖片7与所述填充片6之间设有通气间隙(未示出)。该通气间隙可通过在所述盖片7与所述填充片6之间放置垫片实现，也可以通过设置于所述盖片上的通气槽实现，该通气槽在所述盖片侧面具有开口。
具体的，所述喷嘴片结构5可采用线型喷嘴片结构、面型喷嘴片结构或面补偿型喷嘴片结构。所述喷嘴片结构5的表面与待填充的液态金属不浸润。
具体的，所述填充片6的材料包括但不限于Si、玻璃或陶瓷等。所述填充通腔6011包括但不限于孔型、直线通槽型、折线通槽型或曲线通槽型。所述填充微腔可以阵列形式排列，或根据具体应用按照预设规则排列，此处不应过分限制本发明的保护范围。所述填充片6的表面原则上需与待填充的液态金属不浸润，但是在浸润的情况下也不会影响填充结果。
具体的，所述盖片7的材料包括但不限于Si、玻璃或陶瓷等。本实施例中，所述盖片优选采用透明材料，例如玻璃，有利于观察填充的情况。所述盖片7的表面与待填充的液态金属不浸润。
步骤S2：如图13所示，调整所述三明治结构的内部气压P1及所述液态金属的表面气压P2，使二者的气压差达到第一预设值，以将所述液态金属槽中的液态金属通过所述喷嘴片结构6吸入所述通腔6011，完成所述通腔6011的金属填充。
步骤S3：如图14所示，进一步调整所述三明治结构的内部气压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，以将液态金属8在所述填充片6与所述喷嘴片结构5界面处断开。
需要指出的是，对于面补偿型喷嘴片结构(参见图8)，液态金属仅在线型喷嘴槽3031处断裂的，而在面型槽3032处会有完整的金属薄片生成。这些薄片可以补偿金属在冷却固化收缩时在微腔中体积的缩小。
如果在填充片6的上表面也需要有固化收缩补偿，在所述盖片7面向所述填充片6的一面也可制造一个用于收缩补偿的面型槽。图12-图14均示出了该面型槽。
步骤S4：如图15所示，填充完毕后，将所述填充片6取出。
具体的，在将填充片6从三明治片取出来之前，需要先让填充微腔中的液态金属冷却固化。
步骤S5：如图16所示，去除所述填充片6表面多余的填充金属。
作为示例，通过化学机械抛光法将所述填充片6上表面及下表面均平整化，同时去除所述填充片6上、下表面多余的填充金属。
至此，完成了填充片中填充微腔的金属填充。
本发明的理论依据如下：设三明治结构内的气压为P1，液态金属的表面气压为P2。由于喷嘴槽宽度、喷嘴槽高度、填充微腔、间隙高度等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。金属在喷嘴槽、填充微腔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。
填充过程：首先通过减小P1的方式增加ΔP。当ΔP增加到一定值时，液态金属就会通过喷嘴片结构吸入或者说压入填充微腔中。如果在P1已经被抽成真空的情况下，液态金属还不能吸入填充微腔中，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微腔的条件。
切割过程：在液态金属通过喷嘴片结构吸入/压入填充微腔后，填入填充微孔中的液态金属与液态金属槽通过喷嘴片结构还是相连的，液态金属在喷嘴片结构的通孔中形成恒压液桥，维持该液桥的压力为一定值。通过减小P2的方式来降低ΔP，使得恒压液桥在喷嘴中断裂，同时，填充微腔中的液态金属不会被拉回，从而实现填充微腔中的液态金属与液态金属槽的可控切割。
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。待液态金属固化，即可取出填充片。
本发明的微腔金属填充方法适用于孔径范围在1～1000微米的填充微孔，或宽度范围在1-1000微米的微槽，尤其是对于20～200微米孔径的填充微孔，本发明的填充方法优势尤为明显。
实施例六
本发明还提供一种微腔金属填充方法，所述微腔金属填充方法使用实施例一、实施例二及实施例三中任意一项所述的喷嘴片结构。与实施例五对微通腔进行填充不同的是，本实施例是对微盲腔进行填充。
具体的，所述微腔金属填充方法包括如下步骤：
步骤S1：如图17所示，提供一液态金属槽，在所述液态金属槽上水平放置自下而上依次由所述喷嘴片结构5、填充片6及盖片7叠加而成的三明治结构；其中，所述喷嘴片结构5下表面紧贴槽内液态金属8的上表面；所述填充片6中具有填充微腔；所述填充微腔为仅贯穿所述填充片下表面的盲腔6012。
具体的，所述液态金属可以为金属单质或其合金，包括但不限于锡、铜、银、金等导电材料。
具体的，与实施例五不同的是，所述盖片7与所述填充片6之间不用设置通气间隙。
具体的，所述喷嘴片结构5可采用线型喷嘴片结构、面型喷嘴片结构或面补偿型喷嘴片结构。所述喷嘴片结构5的表面与待填充的液态金属不浸润。
具体的，所述填充片6的材料包括但不限于Si、玻璃或陶瓷等。所述填充通腔6011包括但不限于孔型、直线通槽型、折线通槽型或曲线通槽型。所述填充片6的表面原则上需与待填充的液态金属不浸润，但是在浸润的情况下也不会影响填充结果。
具体的，所述盖片7的材料包括但不限于Si、玻璃或陶瓷等。本实施例中，所述盖片优选采用透明材料，例如玻璃，有利于观察填充的情况。所述盖片7的表面与待填充的液态金属不浸润。
步骤S2：如图18所示，调整所述三明治结构的内部气压P1及所述液态金属的表面气压P2，使二者的气压差达到第一预设值，以将所述液态金属槽中的液态金属通过所述喷嘴片结构6吸入所述盲腔6012，完成所述盲腔6012的金属填充。
步骤S3：如图19所示，进一步调整所述三明治结构的内部气压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，以将液态金属8在所述填充片6与所述喷嘴片结构5界面处断开。
需要指出的是，对于面补偿型喷嘴片结构(参见图8)，液态金属仅在线型喷嘴槽3031处断裂的，而在面型槽3032处会有完整的金属薄片生成。这些薄片可以补偿金属在冷却固化收缩时在微腔中体积的缩小。
由于所述盲腔6012未贯穿所述填充片6上表面，无需固化收缩补偿，因此，与实施例五不同的是，在所述盖片7面向所述填充片6的一面不用制造用于收缩补偿的面型槽。当然，即使设置所述面型槽，也不会对盲腔的金属填充产生影响。
步骤S4：如图20所示，填充完毕后，将所述填充片6取出。
具体的，在将填充片20从三明治片取出来之前，需要先让填充微腔中的液态金属冷却固化。
步骤S5：如图21所示，去除所述填充片6表面多余的填充金属。
作为示例，通过化学机械抛光法将所述填充片6表面平整化，同时去除所述填充片6表面多余的填充金属。
至此，完成了填充片中填充微腔的金属填充。
本实施例对盲腔金属填充的原理与实施例五对通腔金属填充的原理基本相同，此处不再赘述。
实施例七
本实施例与实施例六采用基本相同的技术方案，不同之处在于本实施例中未采用盖片。
具体的，所述微腔金属填充方法包括如下步骤：
提供一液态金属槽，在所述液态金属槽上水平放置自下而上依次由所述喷嘴片结构及填充片叠加而成的双层结构；其中，所述喷嘴片下表面紧贴槽内液态金属的上表面；所述填充片中具有填充微腔；所述填充微腔为仅贯穿所述填充片下表面的盲腔；
调整所述双层结构的内部气压P1及所述液态金属的表面气压P2，使二者的气压差达到第一预设值，以将所述液态金属槽中的液态金属通过所述喷嘴片结构吸入所述填充微腔，完成所述填充微腔的金属填充；
进一步调整所述三明治结构的内部气压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，以将液态金属在所述填充片与所述喷嘴片结构界面处断开。
进一步的，填充完毕后，将所述填充片取出，并去除所述填充片表面多余的填充金属。
作为示例，通过化学机械抛光法将所述填充片表面平整化，同时去除所述填充片表面多余的填充金属。
实施例八
本发明还提供一种微腔金属填充方法，所述微腔金属填充方法使用实施例一、实施例二及实施例三中任意一项所述的喷嘴片结构，其中，填充片的填充微腔包括螺旋管型空腔，用于得到螺旋管线圈。
请参阅图22及图23，分别显示为设有螺旋管型空腔9的填充片6的立体结构示意图及剖视图。所述设有螺旋管型空腔9的填充片6可通过双片键合得到，所述螺旋管型空腔9表面可设有用于将填充金属与填充片基材相隔离的钝化层。
具体的，所述螺旋管型空腔9包括支柱孔901、顶部线组槽902及底部线组槽903，所述螺旋管型空腔9周围还可设有线路槽10，所述线路槽10包括但不限于接地线槽、测试线槽等。
进一步的，所述填充片6中还设有不用于金属填充的空腔11，该空腔11的存在可以减小填充片基板感应电流损耗。
具体的，对设有螺旋管型空腔9的填充片6进行微腔金属填充的方法包括如下步骤：
步骤S1：如图24a所示，提供一液态金属槽，在所述液态金属槽上水平放置自下而上依次由所述喷嘴片结构5、设有螺旋管型空腔的填充片6及盖片7叠加而成的三明治结构；其中，所述喷嘴片结构5下表面紧贴槽内液态金属8的上表面。
作为示例，所述喷嘴片结构5中设有至少两个通孔2，所述通孔2由两部分组成：位于上部且孔径上下一致的上通孔，位于下部且孔径自上而下逐渐增大的下通孔。在其它实施例中，所述通孔2也可如图2、6或9一样仅由一部分组成。
此外，图24a所示为一个螺旋管型空腔对应一个面槽的情形，在另一实施例中，也可以是多个螺旋管型空腔共用一个面槽，如图24b所示，此处不应过分限制本发明的保护范围。
具体的，所述液态金属可以为金属单质或其合金，包括但不限于锡、铜、银、金等导电材料。
具体的，所述喷嘴片结构5可采用线型喷嘴片结构、面型喷嘴片结构或面补偿型喷嘴片结构。所述喷嘴片结构5的表面与待填充的液态金属不浸润。
具体的，所述填充片6的材料包括但不限于Si、玻璃或陶瓷等。所述填充片6的表面原则上需与待填充的液态金属不浸润，但是在浸润的情况下也不会影响填充结果。
具体的，所述盖片7的材料包括但不限于Si、玻璃或陶瓷等。本实施例中，所述盖片优选采用透明材料，例如玻璃，有利于观察填充的情况。所述盖片7的表面与待填充的液态金属不浸润。
步骤S2：如图25所示，调整所述三明治结构的内部气压P1及所述液态金属的表面气压P2，使二者的气压差达到第一预设值，以将所述液态金属槽中的液态金属通过所述喷嘴片结构6吸入所述螺旋管型空腔9，完成所述螺旋管型空腔9的金属填充。其中，所述螺旋管型空腔9内部及周围的空腔11、设于所述填充片6上表面的线路槽10未填充进液态金属。
步骤S3：如图26所示，进一步调整所述三明治结构的内部气压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，以将液态金属8在所述填充片6与所述喷嘴片结构5界面处断开。
需要指出的是，对于面补偿型喷嘴片结构(参见图8)，液态金属仅在线型喷嘴槽3031处断裂的，而在面型槽3032处会有完整的金属薄片生成。这些薄片可以补偿金属在冷却固化收缩时在微腔中体积的缩小。
步骤S4：如图27所示，填充完毕后，将所述填充片6取出。可见，所述填充片下表面有金属薄片生成。而本实施例中，所述盖片7面向所述填充片6的一面未制造用于收缩补偿的面型槽，因此所述填充片上表面无金属薄片生成。当然，在其它实施例中，也可以使用表面制作有用于收缩补偿的面型槽的盖片，此处不应过分限制本发明的保护范围。
具体的，在将填充片20从三明治片取出来之前，需要先让填充微腔中的液态金属冷却固化。
步骤S5：如图28所示，去除所述填充片6表面多余的填充金属。
作为示例，通过化学机械抛光法将所述填充片6表面平整化，同时去除所述填充片6表面多余的填充金属。
至此，完成了填充片中螺旋管型空腔的金属填充，一次成型得到了螺旋管线圈。图29显示为得到的螺旋管线圈的立体结构示意图(为了图示的方便，未示出其周围的基材)
本实施例对螺旋管型空腔金属填充的原理与实施例五对通腔金属填充的原理基本相同，此处不再赘述。
综上所述，本发明的用于微腔金属填充的喷嘴片结构可以针对不同结构和形状的微腔进行不同种类金属单质或金属合金的有效、快速填充，且喷嘴通孔位置不需要与填充片上待填充的微腔位置一一对应，从而大大提高了喷嘴片结构的普适性。本发明的用于微腔金属填充的喷嘴片结构包括贯穿所述面板上表面及下表面的通孔、与所述通孔连通的液态金属引流槽以及设于所述喷嘴片面板边缘且两端分别与所述引流槽、所述面板侧面连通的通气槽；所述引流槽与所述通孔共同构成所述喷嘴片的喷嘴，使得进入所述通孔的液态金属通过所述引流槽填充进填充片的微腔中。根据所述引流槽的不同图形设计，所述喷嘴片可分为三种类型：线型喷嘴片、面型喷嘴片及面补偿型喷嘴片。对于线型喷嘴片，液态金属通过主槽和线型喷嘴槽填入微腔；对于面型喷嘴片，液态金属通过面型槽填入微腔；对于面补偿型喷嘴片，液态金属通过线型喷嘴槽、面型槽填入微腔中。本发明的喷嘴片结构、设备及填充方法不仅适用于通孔互连中微腔的填充，同时适用于任何需要进行微腔填充的技术领域。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 (24)

1.一种用于微腔金属填充的喷嘴片结构，其特征在于，所述喷嘴片结构包括：
喷嘴片面板；所述面板包括上表面和下表面；
贯穿所述面板上表面及下表面的通孔；
与所述通孔连通的液态金属引流槽；所述引流槽由所述面板上表面开口，并往所述面板下表面方向延伸，但未贯穿所述面板下表面；
至少两条设于所述面板边缘且两端分别与所述引流槽、所述面板侧面连通的通气槽；所述通气槽由所述面板上表面开口，并往所述面板下表面方向延伸，但未贯穿所述面板下表面。
2.根据权利要求1所述的用于微腔金属填充的喷嘴片结构，其特征在于：所述引流槽为线型引流槽，包括：
与所述通孔连通的线型主槽；
至少两条两端分别与所线型述主槽、所述通气槽连通的线型喷嘴槽。
3.根据权利要求2所述的用于微腔金属填充的喷嘴片结构，其特征在于：所述线型主槽两侧均垂直连通有至少两条所述线型喷嘴槽。
4.根据权利要求2所述的用于微腔金属填充的喷嘴片结构，其特征在于：所述线型喷嘴槽的宽度大于所述通气槽的宽度。
5.根据权利要求2所述的用于微腔金属填充的喷嘴片结构，其特征在于：所述线型喷嘴槽的深度范围是1-1000微米，宽度范围是1-1000微米。
6.根据权利要求1所述的用于微腔金属填充的喷嘴片结构，其特征在于：所述引流槽为面型引流槽，包括与所述通孔连通的面型槽；所述面型槽侧面与所述通气槽连通。
7.根据权利要求6所述的用于微腔金属填充的喷嘴片结构，其特征在于：所述面型槽的外侧面轮廓为圆形。
8.根据权利要求6所述的用于微腔金属填充的喷嘴片结构，其特征在于：所述面型槽的深度范围是1-1000微米。
9.根据权利要求1所述的用于微腔金属填充的喷嘴片结构，其特征在于：所述引流槽为面补偿型引流槽，包括：
至少两条与所述通孔连通的线型喷嘴槽；
内侧面与外侧面分别与所述线型喷嘴槽、所述通气槽连通的面型槽。
10.根据权利要求9所述的用于微腔金属填充的喷嘴片结构，其特征在于：所述面型槽的深度范围是1-1000微米；所述线型喷嘴槽的深度范围是1-1000微米，宽度范围是1-1000微米。
11.根据权利要求1所述的用于微腔金属填充的喷嘴片结构，其特征在于：所述通孔位于所述面板下表面的开口面积大于或等于其位于所述面板上表面的开口面积。
12.根据权利要求1所述的用于微腔金属填充的喷嘴片结构，其特征在于：所述通孔位于所述面板的中心或偏离所述面板的中心。
13.根据权利要求12所述的用于微腔金属填充的喷嘴片结构，其特征在于：所述面板在水平面上的投影为圆形。
14.一种微腔金属填充设备，其特征在于：所述微腔金属填充设备包括如权利要求1-13任意一项所述的喷嘴片结构。
15.一种微腔金属填充方法，其特征在于，所述微腔金属填充方法使用如权利要求1-13任意一项所述的喷嘴片结构。
16.根据权利要求15所述的微腔金属填充方法，其特征在于，所述微腔金属填充方法包括如下步骤：
提供一液态金属槽，在所述液态金属槽上水平放置自下而上依次由所述喷嘴片结构、填充片及盖片叠加而成的三明治结构；其中，所述喷嘴片下表面紧贴槽内液态金属的上表面；所述填充片中具有填充微腔；所述填充微腔为上下贯穿所述填充片的通腔或仅贯穿所述填充片下表面的盲腔；
调整所述三明治结构的内部气压P1及所述液态金属的表面气压P2，使二者的气压差达到第一预设值，以将所述液态金属槽中的液态金属通过所述喷嘴片结构吸入所述填充微腔，完成所述填充微腔的金属填充；
进一步调整所述三明治结构的内部气压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，以将液态金属在所述填充片与所述喷嘴片结构界面处断开。
17.根据权利要求16所述的微腔金属填充方法，其特征在于：当所述填充微腔为通腔时，所述盖片与所述填充片之间设有通气间隙。
18.根据权利要求16所述的微腔金属填充方法，其特征在于：当所述填充微腔为通腔时，所述盖片面向所述填充片的一面设有用于收缩补偿的面型槽。
19.根据权利要求15所述的微腔金属填充方法，其特征在于，所述微腔金属填充方法包括如下步骤：
提供一液态金属槽，在所述液态金属槽上水平放置自下而上依次由所述喷嘴片结构及填充片叠加而成的双层结构；其中，所述喷嘴片下表面紧贴槽内液态金属的上表面；所述填充片中具有填充微腔；所述填充微腔为仅贯穿所述填充片下表面的盲腔；
调整所述双层结构的内部气压P1及所述液态金属的表面气压P2，使二者的气压差达到第一预设值，以将所述液态金属槽中的液态金属通过所述喷嘴片结构吸入所述填充微腔，完成所述填充微腔的金属填充；
进一步调整所述双层结构的内部气压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，以将液态金属在所述填充片与所述喷嘴片结构界面处断开。
20.根据权利要求16或19所述的微腔金属填充方法，其特征在于：填充完毕后，将所述填充片取出，并去除所述填充片表面多余的填充金属。
21.根据权利要求20所述的微腔金属填充方法，其特征在于：通过化学机械抛光法将所述填充片表面平整化，同时去除所述填充片表面多余的填充金属。
22.根据权利要求16或19所述的微腔金属填充方法，其特征在于：所述喷嘴片结构的表面与待填充的液态金属不浸润。
23.根据权利要求16或19所述的微腔金属填充方法，其特征在于：所述填充片的材料包括Si、玻璃或陶瓷。
24.根据权利要求16或19所述的微腔金属填充方法，其特征在于：所述填充微腔为孔型、直线槽型、折线槽型或曲线槽型。
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