CN113543527B

CN113543527B - 载板填孔工艺的填充基材选型方法及载板填孔工艺

Info

Publication number: CN113543527B
Application number: CN202110782313.7A
Authority: CN
Inventors: 杨冠南; 姚可夫; 李泽波; 崔成强
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong Yingke Materials Co ltd
Priority date: 2021-07-09
Filing date: 2021-07-09
Publication date: 2022-12-30
Anticipated expiration: 2041-07-09
Also published as: CN113543527A

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；

(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；

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

(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

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；

(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：

f＝c/2D；

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；

(3)将选定后的填充基材覆盖在载板表面；

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。