[发明专利]一种填充垂直通孔的方法及装置

说明书

本发明公开了一种填充垂直通孔的方法及装置，包括金属液喷射装置和填充工作区，其特征在于：坩埚是以中心线为轴的圆筒形结构，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，腔体中部两侧还设有维持腔体温度的腔体温度控制器；填充工作区包括用于承接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衬底的衬底承载部。本发明还公开了应用上述装置填充垂直通孔的方法。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。

技术领域

本发明涉及电子封装三维集成技术领域，具体地说是一种填充垂直通孔的方法及装置。

背景技术

目前，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(Through Silicon Via，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(Tape Automated Bonding)和倒装芯片(Flip Chip)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，而提供一种填充垂直通孔的方法及装置。本发明主要利用金属液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：

一种填充垂直通孔的装置，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、设置在所述坩埚顶部的压电陶瓷，与所述压电陶瓷相连的且深入所述坩埚及其中熔体内部的传动杆，所述坩埚的底部设有中心孔，所述坩埚底部还连有与所述中心孔相通的薄片，所述薄片上设有喷射孔，所述坩埚外侧设有加热带，所述坩埚顶部设有坩埚进气口和坩埚排气口，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圆筒形结构，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；