[发明专利]一种三维封装垂直通孔的填充方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及电子封装三维集成技术领域，具体地说是一种三维封装垂直通孔的填充方法及装置。

背景技术

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(Wire Bonding)、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，而提供一种三维封装垂直通孔的填充方法及装置。本发明主要通过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，进行三维封装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：

一种三维封装垂直通孔的填充装置，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，所述坩埚内设有与压电陶瓷相连的传动杆，所述坩埚外侧设有加热带所述坩埚顶部开有坩埚进气口Ⅰ、坩埚进气口Ⅱ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、内外嵌套圆环式结构，所述坩埚的内容纳腔的底部与所述坩埚的外容纳腔的底部设有相贯通的中心孔，所述内容纳腔的底部与所述外容纳腔的底部之间设有用于熔融金属流通的空间，所述内容纳腔的中心孔上方设有压片，所述传动杆与所述压片接触；所述外容纳腔的中心孔底部设有喷射孔；

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；

所述填充工作区包括用于承接所述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所述衬底且对所述衬底施加超声振动的衬底承载部；

所述喷射孔与所述衬底之间的垂直距离D与所述衬底的温度T之间满足以下关系，T≥100+(D-5)×5。

进一步地，当所述衬底承载部仅为工作平台时，所述填充工作区置于所述腔体底部，工作时，所述机械泵与所述扩散泵对所述腔体和所述坩埚抽真空；

当所述衬底承载部为带有传送带的工作平台时，所述填充工作区位于所述腔体下方，所述腔体下部无底，工作时，所述机械泵与所述扩散泵仅对所述坩埚抽真空；或者将所述腔体下部两侧侧壁开设对称的可供所述传送带穿过的侧拉门，工作时，所述机械泵与所述扩散泵对所述腔体和所述坩埚抽真空。

进一步地，所述衬底上已形成未贯穿所述衬底的微孔阵列图形，所述微孔的侧壁已完成扩散阻挡层及绝缘层处理。

进一步地，所述坩埚内置有热电偶，所述喷射孔的直径小于所述微孔的直径，所述喷射孔的直径与所述微孔的直径的比值为0.45-0.75。