CN113543527B - 载板填孔工艺的填充基材选型方法及载板填孔工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种载板填孔工艺的填充基材选型方法及载板填孔工艺,其中的填充基材选型方法,包括以下步骤:(1)确定载板上通孔或盲孔的尺寸及所需性能情况;(2)选择合适的填充基材类型;(3)选择填充基材的粒径大小;其中,填充基材的粒径大小选择如下:(a)小粒填充,D=0.001~0.2d;(b)串式填充,D=0.5d~2d;(c)单粒整体填充,D=0.5(1.5d2h)0.5~2(1.5d2h)0.5;其中,上述式中D为填充料的直径,d为载板上通孔或盲孔的直径,h为载板上通孔或盲孔的深度。本发明的填充基材选型方法,为载板填孔技术提供填充基材选型方案,使得载板填孔工艺更加完善,且能够针对载板通孔、盲孔的所需性能选择合适的填充基材,有利于提高载板的线路结构性能。

Description

载板填孔工艺的填充基材选型方法及载板填孔工艺
技术领域
本发明涉及一种电路载板填孔技术,具体涉及载板填孔工艺的填充基材选型方法及填孔工艺。
背景技术
作为半导体与集成电路制造的核心技术之一,载板填孔技术可以获得通孔、盲孔互连结构,具有减少延时、降低能耗、提高集成度等优点。目前,通孔、盲孔互连结构的实现,主要是采用电镀铜填孔技术;但是,采用电镀溶液的方式进行填孔,具有以下缺点:(1)在微孔填孔过程中,容易产生孔洞、夹口填充等缺陷;一方面影响了通孔、盲孔的导电、导热性能,另一方面由于铜与基板材料的热膨胀系数不匹配,容易引起应力集中,诱发裂纹并导致失效。(2) 为了避免填充缺陷的产生,电镀铜填孔过程需要使用更低的电流,影响填充效率;对于大尺寸孔洞(>10μm)而言,电镀铜填孔效率极低。为此,申请人设计了一种基于金属压印的载板填孔技术,有效解决上述问题,并且具有效率高、填充效果好等优点。为进一步优化载板的填孔工艺,针对载板上的通孔或盲孔,有必要设计一种填充基材选型方法。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于金属压印的载板填孔工艺的填充基材选型方法,该方法为载板填孔技术提供填充基材选型方案,使得载板填孔工艺更加完善,且能够针对载板通孔、盲孔的所需性能选择合适的填充基材,有利于提高载板的线路结构性能。
本发明的另一目的在于提供一种包含上述选型方法的载板填孔工艺。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
载板填孔工艺的填充基材选型方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)确定载板上通孔或盲孔的尺寸及所需性能情况;
(2)选择合适的填充基材类型;
(3)选择填充基材的粒径大小;其中,填充基材的粒径大小选择如下:
(a)小粒填充,D=0.001~0.2d;
(b)串式填充,D=0.5d~2d;
(c)单粒整体填充,D=0.5(1.5d2h)0.5~2(1.5d2h)0.5
其中,上述式中D为填充基材的粒径直径,d为载板上通孔或盲孔的直径, h为载板上通孔或盲孔的深度。
本发明的一个优选方案,所述填充基材的类型包括纳米金属烧结体或金属块。
优选地,当填充基材为纳米金属烧结体时,填充基材的粒径大小通过烧结的方式控制加工而成;具体地,将纳米金属颗粒放置在温度为100~500℃、压力为0-30MPa的条件下烧结成块体,从而形成填充基材。
优选地,当填充基材为金属块时,选用以下其中一种加工方式获取所需粒径大小的填充基材:
(a)对金属块进行加热,在趋肤效应作用下,使得金属块表面受热升温,达到再结晶温度,获取所需粒径大小的金属块,从而形成填充基材;
(b)对金属块进行机械锻打,使金属块的晶粒细化,直至金属块的晶粒尺寸符合所选的粒径大小;
(c)对金属块进行超声震荡,控制温度达到再结晶温度以上,并控制超声频率满足以下关系,从而得到所需粒径大小的填充基材:
f=c/2D;
其中,f为超声频率,c为金属块表面波声速,D为所选的粒径大小;
(d)将金属熔体在熔点以上进行铸造形成金属块,控制凝固过程冷速,并在凝固后对金属块进行退火,利用冷速、退火温度和退火时间,控制金属块晶粒尺寸达到所选的粒径大小;
(e)对金属块表面进行激光扫描,激光能量使金属表面快速熔化且快速冷却,从而控制金属块表面晶粒尺寸达到所选的粒径大小。
载板填孔工艺,其特征在于,包括以下步骤:
(1)通过所述载板填孔工艺的填充基材选型方法,确定填充基材;
(2)对待填孔的载板表面进行预处理,使载板表面与金属不具有结合力;
(3)将选定后的填充基材覆盖在载板表面;
(4)对填充基材施加垂直于载板表面的下压力,使得填充基材发生形变并压入载板上的通孔或盲孔中;
(5)对载板和覆盖在载板表面的填充基材进行分离处理,去除载板表面的填充基材,并让载板上通孔或盲孔中的金属仍然保留在内部,完成载板的填孔加工。
优选地,在步骤(1)中,确定填充基材后,在填充基材的表面沉积一块润滑层。
优选地,所述润滑层为低熔点金属。具体地,所述润滑层可以为锡。
优选地,所述润滑层为分子级厚度的石墨层。
优选地,所述润滑层的厚度为5nm-1μm。
优选地,在步骤(4)中,在可控气氛下,对填充基材施加垂直于载板表面的下压力,并对填充基材进行局域化加热,使得填充基材发生形变并压入载板上的通孔或盲孔中。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
1、本发明的填充基材选型方法,实现在进行载板填孔加工前,对填充基材 (填孔结构)进行预先选型,针对载板上的通孔、盲孔尺寸类型以及相关要求,选择合适的填充基材,以让载板上的通孔、盲孔在填充完成后,与线路结构实现高性能工作,使得载板填孔工艺更加精细化、精准化。
2、本发明的填充基材选型方法,公开了三种不同粒径大小的选型。具体地,小粒填充类型,多用于获得正常多晶结构的填孔;串式填充类型,其填充基材 (填孔结构)由一串颗粒或晶粒组成,具有各向异性结构,有利于获得更好的电学、力学性能;单粒整体填充类型,其填充基材(填孔结构)由单个颗粒或晶粒组成,具有各向异性结构,有利于获得最好的电学、力学性能。
3、本发明的载板填孔工艺,结合金属压印的方式,通过填充基材发生形变实现对载板上通孔、盲孔的填充,有效提高填充效果,解决传统电镀铜填孔所产生的孔洞、夹口等缺陷,确保了通孔、盲孔的导热、导电性能,并且以便与载板材料的热膨胀系数匹配;同时,采用金属压印的方式实现载板填孔,速度快,效率高。
附图说明
图1为本发明的载板填孔工艺的填充集采选型方法的流程框图。
图2为纳米金属烧结体采用热压印和模具的方式制作过程示意图。
图3为填充基材表面沉积石墨层的示意图。
图4为本发明的基于金属压印的载板填孔工艺的工艺流程框图。
图5为载板表面预处理的示意图。
图6为对填充基材进行局域化加热的示意图。
图7为去除载板表面上的填充基材的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述,但本发明的实施方式不仅限于此。
实施例1
参见图1-图3,本实施例公开一种载板填孔工艺的填充基材选型方法,包括以下步骤:
(1)确定载板1上通孔或盲孔的尺寸及所需性能情况。
(2)选择合适的填充基材5类型,包括纳米金属烧结体、金属块等。
(3)选择填充基材5的粒径大小;其中,填充基材5的粒径大小选择如下:
(a)小粒填充,D=0.001~0.2d;
(b)串式填充,D=0.5d~2d;
(c)单粒整体填充,D=0.5(1.5d2h)0.5~2(1.5d2h)0.5
其中,上述式中D为填充基材5的粒径直径,d为载板1上通孔或盲孔的直径,h为载板1上通孔或盲孔的深度。
当填充基材5为纳米金属烧结体时,填充基材5的粒径大小通过烧结的方式控制加工而成;具体地,将纳米金属颗粒放置在温度为100~500℃、压力为 0-30MPa的条件下烧结成块体,从而形成填充基材5。纳米金属烧结体有利于通过原始纳米金属颗粒的尺寸,灵活地调节烧结体的平均粒径,便于生产加工出所需粒径大小的填充料,降低生产难度;同时,纳米金属烧结体具有孔洞,在压印填孔过程中,可以降低压印所需压强。
当填充基材5为金属块时,可选用以下其中一种加工方式获取所需粒径大小的填充基材5:
(a)对金属块进行加热,在趋肤效应作用下,使得金属块表面受热升温,达到再结晶温度,获取所需粒径大小的金属块,从而形成填充基材5;
(b)对金属块进行机械锻打,使金属块的晶粒细化,直至金属块的晶粒尺寸符合所选的粒径大小;
(c)对金属块进行超声震荡,控制温度达到再结晶温度以上,并控制超声频率满足以下关系,从而得到所需粒径大小的填充基材5:
f=c/2D;
其中,f为超声频率,c为金属块表面波声速,D为所选的粒径大小;采用超声波震荡的方式获得所需粒径大小的填充基材,使得晶粒大小更加均匀,实施更加方便,能够通过超声波的控制单独处理金属块的表面,有利于提高粒径大小的精度;
(d)将金属熔体在熔点以上进行铸造形成金属块,控制凝固过程冷速,并在凝固后对金属块进行退火,利用冷速、退火温度和退火时间,控制金属块晶粒尺寸达到所选的粒径大小;
(e)对金属块表面进行激光扫描,激光能量使金属表面快速熔化且快速冷却,从而控制金属块表面晶粒尺寸达到所选的粒径大小。
采用金属块作为填充基材5的加工对象,使得填充在通孔、盲孔的填孔结构更加致密,其电学性能更好。
实施例2
本实施例公开一种实施例1中具体的填充基材5选型方法实例。具体地,
(1)载板1上待填充的通孔尺寸:直径d为300nm,深度h为800nm。
(2)选择纳米银烧结体作为填充基材5。
(3)选择串式填充,即D=0.5d~2d;所选粒径大小为150nm~600nm。
参见图1,针对上述所选定的填充基材5,其加工方式如下:将纳米银颗粒 1a在350℃温度、20MPa压力条件下,在截面积10×10mm的模具2a中加压烧结成块体,形成金属银块3a,作为载板1填孔压印用的填充基材5。
实施例3
本实施例公开一种实施例1中具体的填充基材5选型方法实例。具体地,
(1)载板1上待填充的通孔尺寸:直径d为20μm,深度h为100μm。
(2)选择金属块作为填充基材5。
(3)选择小晶粒填充,即D=0.001~0.2d;所选粒径大小为0.02μm~4μm。
针对上述所选定的填充基材5,其加工方式如下:将形状10×10×2mm的铜块通入30MHz 5A的高频电流,使铜块表面加热升温。对铜块进行超声震荡,在铜块表面波声速为2260m/s的条件下,控制超声频率为2.26×108Hz,使表面平均晶粒尺寸达到5μm,从而制成小晶粒填充类型的填充基材5。
实施例4
参见图3-图7,本实施例公开一种载板填孔工艺,包括以下步骤:
(1)通过实施例1中的载板填孔工艺的填充基材5选型方法,确定填充基材5,具体步骤参见上述内容。
(2)在选定的填充基材5的上表面沉积一块润滑层4a;润滑层4a为低熔点金属或分子级厚度的石墨层,厚度为5nm-1μm,如图3所示。具体地,所述润滑层4a可以为锡。
(3)对待填孔的载板1表面进行预处理,使载板1表面与金属不具有结合力;
(4)将选定后的填充基材5倒置覆盖在载板1表面;
(5)在可控气氛下,对填充基材5施加垂直于载板1表面的下压力,压力范围为0-500Mpa;同时对填充基材5进行局域化加热,加热温度控制范围在室温-2000℃,使得填充基材5发生形变并压入载板1上的通孔或盲孔中;
(6)对载板1和覆盖在载板1表面的填充基材5进行分离处理,去除载板 1表面的填充基材5,并让载板1上通孔或盲孔中的金属仍然保留在内部,完成载板1的填孔加工。此时,完成载板1的填孔加工后,即可继续进行后续的图形电镀、固化通孔、盲孔中的金属,并形成线路层,从而获得带有通孔、盲孔互连结构及线路的载板1基材。
本实施例中,所述可控气氛为空气、氮气、氢气、惰性气体、氢气和惰性气体的混合气氛的其中一种。在步骤(5)中,下压填充基材5的同时进行局域化加热,此时提供可控气氛的环境,能对填充基材5的表面进行保护,避免氧化或脱碳,有利于保持填充基材5的质量,从而提高填孔质量。
参见图5,本实施例中,步骤(3)中,对待填孔的载板1表面进行预处理的方式为以下其中一种:
(a)将载板1浸泡于含有PVP、环氧树脂的大分子有机物溶液2中,使载板1表面形成有机包覆层,如图2所示;在完成载板1填孔加工,并将表面的填充基材5分离去除后,可通过有机溶剂浸泡载板1,清洗去除载板1表面有机包覆层,避免影响后续线路层的加工。
(b)在载板1表面沉积一层石墨3;石墨3具有良好的导热、导电性能,在填充过程中极小量地填充在载板1的通孔、盲孔中,也不会对其性能产生影响。
(c)在载板1表面铺洒少量二氧化硅粉末层4。
参见图6,本实施例中,步骤(5)中所述局域化加热的方式为以下的其中一种:
(a)对填充基材5施加高频电流6或脉冲电流,在趋肤效应的作用下,使得靠近载板1一侧的填充基材5表面软化。
(b)当载板1为玻璃或透光材料7时,在载板1一侧施加光照射,使得照射光穿透载板1后,直接加热填充基材5靠近载板1一侧的表面。本实施例中,所述光照射可采用激光照射8、闪灯照射或热辐射等,当使用激光照射时,直接照射通孔、盲孔附近的填充基材5,使得局域化加热效果更加精准有效。
(c)在载板1一侧施加交变电场9,实现对填充基材5靠近载板1一侧的表面进行涡流加热。采用涡流加热的方式,实现与填充基材5的非接触式局部加热,且加热效率高,减少表面氧化现象,同时便于控制温度,从而以便实现精准控制填充基材5的形变,提高填充效果。
(d)使用加热设备或热流体介质10对载板1进行整体加热。其中的加热设备可采用热炉;除了采用热流体介质10外,还可采用其他热介质对载板1进行加热,从而使得靠近载板1一侧的填充基材5发热变形软化,以便更好地压入至通孔或盲孔中,从而完成载板1填孔。
参见图7,本实施例中,步骤(6)中,对载板1和覆盖在载板1表面的填充基材5进行分离处理的方式为以下其中一种:
(a)采用机械研磨的方式,将上层填充基材5磨除;具体地,可参见现有技术中的机械研磨设备及工艺。
(b)对载板1施加横向冲击载荷13,使通孔、盲孔中的金属与载板1表面的填充基材5分离,接着撕除载板1表面的填充基材5。
(c)采用刀具12通过填充基材5的边缘将填充基材5撬起。进一步地,在载板1与填充基材5之间预制分离缺口11,在完成压入处理后,采用刀具12 通过所述分离缺口11将填充基材5撬起,使填充基材5的裂纹由分离缺口11 沿载板1与填充基材5的界面扩展,直到两者完全分离;其中载板1上通孔、盲孔中的金属仍保留于孔内。
所述填充基材5为金属箔或金属块。具体地,所述填充基材5的材质,可选用铜、银、金、铂等高导电低屈服强度金属。本实施例中,所述载板1材质为玻璃、硅、陶瓷、PI、FR4等基板材料。本实施例中的载板1上的通孔、盲孔的孔径范围为3nm-1mm,深度范围为3nm-10mm。
实施例5
本实施例公开一种实施例4中具体的载板填孔工艺实例。具体地,
(1)通过实施例1中的载板填孔工艺的填充基材5选型方法,确定填充基材5类型,具体包括以下步骤:
(a)确定待填充的通孔尺寸:直径d为3μm;
(b)选择金属块作为填充基材5;
(c)选择串式填充,即D=0.5d~2d;所选粒径大小为1.5μm~6μm;
针对上述所选定的填充基材5,通过以下加工方式获取:
通过水冷金属模铸造法获得平均晶粒尺寸为1μm的铂块,对铂块进行400℃退火10分钟,使平均晶粒尺寸提升至2μm。
(2)在选定的填充基材5的上表面沉积一层150nm厚度的锡。
(3)对待填孔的载板1表面进行预处理,使载板1表面与金属不具有结合力。
(4)将选定后的填充基材5倒置覆盖在载板1表面。
(5)在可控气氛下,对填充基材5施加垂直于载板1表面的下压力,压力具体为100MPa;同时对填充基材5进行局域化加热,同时加热到280℃,使得填充基材5发生形变并压入载板1上的通孔或盲孔中。
(6)通过机械剥离方法对载板1和覆盖在载板1表面的填充基材5进行分离处理,去除载板1表面的填充基材5,并让载板1上通孔或盲孔中的金属仍然保留在内部,完成载板1的填孔加工。此时,完成载板1的填孔加工后,即可继续进行后续的图形电镀、固化通孔、盲孔中的金属,并形成线路层,从而获得带有通孔、盲孔互连结构及线路的载板1基材。
上述为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述内容的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.载板填孔工艺的填充基材选型方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)确定载板上通孔或盲孔的尺寸及所需性能情况;
(2)选择合适的填充基材类型;
(3)选择填充基材的粒径大小;其中,填充基材的粒径大小选择如下:
(a)小粒填充,D=0.001~0.2d;
(b)串式填充,D=0.5d~2d;
(c)单粒整体填充,D=0.5(1.5d2h)0.5~2(1.5d2h)0.5
其中,上述式中D为填充基材的粒径直径,d为载板上通孔或盲孔的直径,h为载板上通孔或盲孔的深度;
所述填充基材的类型包括纳米金属烧结体或金属块。
2.根据权利要求1所述的载板填孔工艺的填充基材选型方法,其特征在于,当填充基材为纳米金属烧结体时,填充基材的粒径大小通过烧结的方式控制加工而成;具体地,将纳米金属颗粒放置在温度为100~500℃、压力为0-30MPa的条件下烧结成块体,从而形成填充基材。
3.根据权利要求1所述的载板填孔工艺的填充基材选型方法,其特征在于,当填充基材为金属块时,选用以下其中一种加工方式获取所需粒径大小的填充基材:
(a)对金属块进行加热,在趋肤效应作用下,使得金属块表面受热升温,达到再结晶温度,获取所需粒径大小的金属块,从而形成填充基材;
(b)对金属块进行机械锻打,使金属块的晶粒细化,直至金属块的晶粒尺寸符合所选的粒径大小;
(c)对金属块进行超声震荡,控制温度达到再结晶温度以上,并控制超声频率满足以下关系,从而得到所需粒径大小的填充基材:
f=c/2D;
其中,f为超声频率,c为金属块表面波声速,D为所选的粒径大小;
(d)将金属熔体在熔点以上进行铸造形成金属块,控制凝固过程冷速,并在凝固后对金属块进行退火,利用冷速、退火温度和退火时间,控制金属块晶粒尺寸达到所选的粒径大小;
(e)对金属块表面进行激光扫描,激光能量使金属表面快速熔化且快速冷却,从而控制金属块表面晶粒尺寸达到所选的粒径大小。
4.载板填孔工艺,其特征在于,包括以下步骤:
(1)通过权利要求1-3任一项所述的载板填孔工艺的填充基材选型方法,确定填充基材;
(2)对待填孔的载板表面进行预处理,使载板表面与金属不具有结合力;
(3)将选定后的填充基材覆盖在载板表面;
(4)对填充基材施加垂直于载板表面的下压力,使得填充基材发生形变并压入载板上的通孔或盲孔中;
(5)对载板和覆盖在载板表面的填充基材进行分离处理,去除载板表面的填充基材,并让载板上通孔或盲孔中的金属仍然保留在内部,完成载板的填孔加工。
5.根据权利要求4所述的载板填孔工艺,其特征在于,在步骤(1)中,确定填充基材后,在填充基材的表面沉积一块润滑层。
6.根据权利要求5所述的载板填孔工艺,其特征在于,所述润滑层为低熔点金属。
7.根据权利要求5所述的载板填孔工艺,其特征在于,所述润滑层为分子级厚度的石墨层。
8.根据权利要求5所述的载板填孔工艺,其特征在于,所述润滑层的厚度为5nm-1μm。
9.根据权利要求4所述的载板填孔工艺,其特征在于,在步骤(4)中,在可控气氛下,对填充基材施加垂直于载板表面的下压力,并对填充基材进行局域化加热,使得填充基材发生形变并压入载板上的通孔或盲孔中。
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