一種微孔金屬填充結構及方法
2023-06-19 06:25:51 8
專利名稱：一種微孔金屬填充結構及方法
技術領域：
本發明屬於微製造加工技術領域，涉及ー種微孔填充技術，尤其涉及ー種微孔金屬填充結構及方法。
背景技術：
電互接是用來實現將晶片間以及晶片與基板之間的電信號的傳輸的方式，是封裝的核心組成部分。現有的封裝技術中，電連接主要通過金線鍵合(wire-bonding)和倒裝焊(flip-chip)。wire-bonding通過將細小的金線(約25微米粗)兩端分別鍵合在需要進行電互連的電極上實現。Flip-chip 又被稱為 controlled collapse chip connection (C4),該方法通過在電極上直接製作凸點，通常是錫球，然後通過錫球回流的方式實現與基板上對應電極的連接。隨著電子器件的發展，上述兩種電連接形式特別是Wire-bonding已漸漸不能滿足更高的系統級封裝(SiP)集成度和更小的封裝體積的要求。隨之興起的對先進封裝有著重大影響的新型的電連接技術是TSV (Through-si I icon via)娃通孔技術,其是穿透基片(特別是矽基片)的垂直電連接技術。TSV幾乎可以代替所有封裝中的Wire-Bonding的地方，提高所有種類晶片封裝的電氣性能，包括大大提高集成度，縮小晶片尺寸，特別是在系統集封裝(System-1n-Packaging, SiP),圓片級封裝(Wafer-Level Packaging - WLP)以及三維垂直疊層封裝(3D Packaging)這些先進封裝之中。TSV的製造包括了通孔的製造，絕緣層的沉積，通孔的填充以及後續的化學機械平整化(CMP)和再布線(RDL)等エ藝。在這些エ藝中，通孔的填充是技術難度最大，成本最高的ー項。根據實際的應用，通孔的孔徑從幾十個微米到幾百微米不等，對於如此大塊的金屬填充，現有的主要技術是基於銅電鍍原理，通過首先在通孔壁上進行種子層的附著，然後再在種子層上電鍍銅的方式實現。除此外，其他的TSV技術也在不斷的研究中。如基於低阻率矽的Silex Via則是通過在低阻率的矽片用矽深度蝕刻出柱狀矽體作為傳導介質。另外基於Wire-bonding以及磁組裝技術的TSV技術也在研究中。這兩種技術分別通過在通孔中放置金屬引線或者鎳針來作為導電介質。目前常用的填充方式是通過電鍍來實現的，特別是銅電鍍，如果對於尺寸在幾個微米的也可以通過CVD來實現。但是無論是電鍍還是CVD，因為速度慢，想實現尺寸在幾十到幾百微米的填充都比較困難。
發明內容
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種微孔金屬填充結構及方法，用於解決現有技術中在幾十到幾百微米的微孔中填充速度慢以及填充成品率低的問題。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種微孔金屬填充結構及方法；所述微孔金屬填充結構包括密封腔、三明治結構；所述密封腔包括進出氣孔；所述三明治結構包括由上至下依次疊加阻擋片、填充基片和噴嘴片；所述填充基片夾在所述阻擋片和噴嘴片之間；所述填充基片上設有填充微孔；所述噴嘴片上設有與所述填充微孔垂直對應的噴嘴孔；所述阻擋片與填充基片之間設有第一間隙；所述填充基片與噴嘴片之間設有第二間隙；所述噴嘴孔最窄處的半徑小於所述填充微孔的半徑的1/2以上；所述三明治結構水平設置在所述空間中，且三明治結構的側壁全部嵌入到所述密封腔內；所述噴嘴片的下表面用以在金屬填充時緊貼ー液態金屬槽的上表面；所述密封腔內的氣壓與所述第一間隙、填充微孔、第二間隙以及噴嘴孔的氣壓均相同。優選地，每個所述填充微孔垂直對應至少ー個噴嘴孔。優選地，所述密封腔包括外密封圈、內密封圈、密封蓋、密封底；所述外密封圈的高度大於所述內密封圈的高度；所述外密封圈的底部與所述密封底的外邊緣連接，所述內密封圈的底端與所述密封底的內邊緣連接；所述密封蓋的外邊緣與所述外密封圈的頂部連接，密封蓋的內邊緣與所述三明治結構的頂部固定連接；所述內密封圈的頂部與所述三明治結構的底部固定連接；所述外密封圈、密封蓋、三明治結構、液態金屬槽、內密封圈和密封底構成密閉空間。優選地，所述密封腔包括外密封圈、內密封圈、密封架、密封底、壓蓋；所述外密封圈的高度大於所述內密封圈的高度；所述外密封圈的底部與所述密封底的外邊緣連接，所述內密封圈的底端與所述密封底的內邊緣連接；所述密封架的底部邊緣與所述外密封圈的頂部連接，密封架的頂部邊緣通過蝶形波紋管與所述壓蓋的邊緣緊密連接；所述壓蓋壓放在所述三明治結構的上表面；所述內密封圈的頂部與所述三明治結構的底部固定連接；所述外密封圈、密封架、蝶形波紋管、壓蓋、三明治結構、液態金屬槽、內密封圈和密封底構成密閉空間。優選地，所述密封腔包括外密封圈、密封架、密封底、壓蓋、第一蝶形波紋管、第二蝶形波紋管；所述外密封圈的底部與所述密封底的外邊緣連接；所述密封架的底部邊緣與所述外密封圈的頂部連接，密封架的頂部邊緣通過所述第一蝶形波紋管與所述壓蓋的邊緣緊密連接；所述壓蓋壓放在所述三明治結構的上表面；所述三明治結構壓放於所述液態金屬槽的上表面；所述液態金屬槽的側面通過所述第二蝶形波紋管與所述密封底的內邊緣連接；所述外密封圈、密封架、第一蝶形波紋管、壓蓋、三明治結構、液態金屬槽、第二蝶形波紋管和密封底構成密閉空間。優選地，所述阻擋片的下表面設有第一凸起結構，所述第一凸起結構使所述阻擋片與所述填充基片之間形成所述第一縫隙；所述噴嘴片的上表面設有第二凸起結構，所述第二凸起結構使所述噴嘴片與所述填充基片之間形成所述第二縫隙。優選地，所述阻擋片的下表面設有第一墊圈，所述第一墊圈使所述阻擋片與所述填充基片之間形成所述第一縫隙；所述噴嘴片的上表面設有第二墊圈，所述第二墊圈使所述噴嘴片與所述填充基片之間形成所述第二縫隙。優選地，所述第一間隙和第二間隙的垂直高度均為I 20微米。優選地，所述噴嘴孔的剖面形狀為梯形、拱形、或/和雙曲線形；在所述噴嘴孔的深度未達到所述噴嘴片的厚度時，所述噴嘴孔連通一個貫通孔穿透所述噴嘴片。所述微孔金屬填充方法包括:利用氣壓差將液態金屬槽中的液態金屬吸進需要進行填充的微孔中，再利用液態金屬的表面張カ將連著的所述微孔中的液態金屬與所述液態金屬槽中的液態金屬切斷。
優選地，所述利用氣壓差將液態金屬槽中的液態金屬吸進需要進行填充的微孔中的具體實現過程包括:由上至下依次疊加阻擋片、填充基片和噴嘴片構成三明治結構；所述填充基片夾在所述阻擋片和噴嘴片之間；所述填充基片上設有填充微孔；所述噴嘴片上設有與所述填充微孔垂直對應的噴嘴孔；所述阻擋片與填充基片之間設有第一間隙；所述填充基片與噴嘴片之間設有第二間隙；所述噴嘴孔最窄處的半徑小於所述填充微孔的半徑的1/2以上；將所述液態金屬槽的上表面緊貼所述噴嘴片的下表面；降低所述三明治結構的內部氣壓至小於外界大氣壓的第一氣壓值，形成向上的張力，此時所述液態金屬槽中的液態金屬在向上的張カ的作用下經所述噴嘴孔填充到所述微孔中。優選地，所述利用液態金屬的表面張カ將連著的所述微孔中的液態金屬與所述液態金屬槽中的液態金屬切斷的具體實現過程包括:升高所述三明治結構的內部氣壓至小於外界大氣壓且大於所述第一氣壓值的第二氣壓值，所述外界大氣壓和第二氣壓值之間的壓力差無法維持液態金屬在所述噴嘴孔中的連續性使得所述液態金屬在所述噴嘴孔中斷開，並回流到所述液態金屬槽中。優選地，所述噴嘴孔的剖面形狀為梯形、凸字形、拱形、或/和雙曲線形。優選地，所述第一間隙和第二間隙的垂直高度均以液態金屬被吸入微孔時不被吸入所述第一間隙和第二間隙為原則進行設置；所述第一間隙和第二間隙的垂直高度均為I 20微米。優選地，每個所述填充微孔垂直對應至少ー個噴嘴孔。如上所述，本發明所述的微孔金屬填充結構及方法，具有以下有益效果:本發明利用壓カ差將液態金屬槽中的液態金屬吸入微米級別的微孔中，再依據表面張カ原理將已經填充在微孔中的金屬與液態金屬槽切斷，填充速度極快，所需時間極短，且準確度高，切割效果好，易於實現，高效且實用。
圖1為本發明所述的微孔金屬填充結構的示意圖。圖2a為本發明所述的三明治結構的一種結構示意圖。圖2b為本發明所述的三明治結構的另ー種結構示意圖。圖3a為本發明所述的ー個填充微孔垂直對應ー個噴嘴孔的結構不意圖。圖3b為本發明所述的ー個填充微孔垂直對應多個噴嘴孔的結構示意圖。圖3c 圖3f為本發明所述的噴嘴孔的剖面結構示意圖。圖3g為本發明所述的ー個填充微孔對應多個噴嘴孔的剖面結構示意圖。圖4為本發明實施例ニ所述的微孔金屬填充結構的結構示意圖。圖5為本發明實施例三所述的微孔金屬填充結構的結構示意圖。圖6為本發明實施例四所述的微孔金屬填充結構的結構示意圖。圖7a 圖7d為本發明所述的微孔金屬填充方法的流程示意圖。圖8為填充後的填充基片的結 構示意圖。元件標號說明100密封腔101，407，509，609進出氣孔
200，405，507，607三明治結構201,701阻擋片202,702填充基片203,703噴嘴片204,704第一間隙205,705第二間隙206,706填充微孔207,707噴嘴孔208第一凸起結構209第二凸起結構210第一墊圈211第二墊圈300，406，508，608，708 液態金屬槽400空間401，501，601外密封圈
402，502，內密封圈403密封蓋404，504，603密封底503,602密封架505,604壓蓋506蝶形波紋管605第一蝶形波紋管606第二蝶形波紋管
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為ー種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。本發明涉及ー種用於微孔金屬填充的技術，主要用於微機電系統(MEMS),光電器件等封裝中的TSV電互連製造的填充，屬於微製造加工以及微電子封裝領域。本發明提出一種全新的基於液體氣壓夾斷原理的填充技術，解決了製造大孔徑和高深寬比的TSV(幾十微米到幾百微米)填充問題。但本發明不限於TSV填充，其還適用於任何需要進行微孔填充的技術領域。本發明利用液態金屬的流動性來實現微孔的填充，其關鍵點是利用液體的表面張力作為主要的驅動カ來切斷填充後的金屬與金屬槽。
下面結合實施例和附圖對本發明進行詳細說明。實施例一本實施例提供一種微孔金屬填充結構，如圖1所示，該填充結構包括:密封腔100、三明治結構200。所述密封腔100包括進出氣孔101 ;所述密封腔100可以圍成有容納液態金屬槽300的空間400。所述三明治結構200包括由上至下依次疊加的阻擋片201、填充基片202和噴嘴片203 ;所述填充基片202夾在所述阻擋片201和噴嘴片203之間。所述填充基片202上設有填充微孔206 ;所述噴嘴片203上設有與所述填充微孔206垂直對應的噴嘴孔207 ;所述阻擋片201與填充基片202之間設有第一間隙204 ;所述填充基片202與噴嘴片203之間設有第二間隙205。所述噴嘴孔207最窄處的半徑必須小於所述填充微孔206的半徑的1/2以上，具體小於程度可以通過軟體模擬得到。進ー步，如圖2a所示，所述阻擋片201的下表面設有第一凸起結構208，所述第一凸起結構208使所述阻擋片201與所述填充基片202之間形成所述第一縫隙204 ;所述噴嘴片203的上表面設有第二凸起結構209，所述第二凸起結構209使所述噴嘴片203與所述填充基片202之間形成所述第二縫隙205。或者所述第一凸起結構208和第二凸起結構209被墊圈替代，如圖2b所示，所述阻擋片201的下表面設有第一墊圈210，所述第一墊圈210使所述阻擋片201與所述填充基片202之間形成所述第一縫隙204 ;所述噴嘴片203的上表面設有第二墊圈211，所述第二墊圈211使所述噴嘴片203與所述填充基片202之間形成所述第二縫隙205。進ー步，所述第一間隙204和第二間隙205的垂直高度均以液態金屬被吸入填充微孔時不被吸入所述第一間隙204和第二間隙205中為原則進行設置。所述第一間隙204和第二間隙205的垂直高度相同，該垂直高度需要足夠大以保證氣體可以在裡面通過，同時也要足夠小以防止液態金屬被吸入間隙中，一般可在10微米左右，如所述第一間隙204和第二間隙205的垂直高度均為I 20微米，也可優選為8、9、10、11或12微米。所述三明治結構200水平設置在所述空間400中，且三明治結構200的側壁全部嵌入到所述密封腔100內，即所述阻擋片201、填充基片202和噴嘴片203的側壁全部嵌入到所述密封腔100內。所述噴嘴片203的下表面用以在金屬填充時緊貼所述液態金屬槽300的上表面；液態金屬與噴嘴片203是完全不浸潤的,液態金屬的上表面蓋住所有的噴嘴孔203。所述密封腔100內的氣壓與所述第一間隙204、填充微孔206、第二間隙205以及噴嘴孔207的氣壓均相同。如圖3a所示，ー個填充微孔206垂直對應ー個噴嘴孔207。其中，r/R〈0.5，r表示噴嘴孔207最窄處的半徑，R表示填充微孔206的半徑；5 <R-r,圖3a中半徑為5的區域表示允許噴嘴孔207的軸心偏差的距離區域。如圖3b所示，ー個填充微孔206垂直對應多個噴嘴孔207。例如噴嘴孔207以六角形排列的方式垂直對應於ー個填充微孔206。相對於圖3a所示的一対一的形式，這樣的排列可以大大減少對準精度的要求。為了保證無論處在什麼位置，總有ー個噴嘴孔是完整的對應著填充微孔，得符合下面的關係:LL〈=1.73 (R_r)，其中R為填充微孔的半徑，r為噴嘴孔半徑，L為排成六邊形的噴嘴孔中任意兩個噴嘴孔孔心之間的距離。L只有符合這個關係，才能保證在一定範圍內，每個填充微孔總有ー個噴嘴孔是完整的垂直對應著。圖3b中的灰色區域為允許偏差的區域，相對於圖3a可以大大減少對垂直對準精度的要求。本發明中，每個所述填充微孔206垂直對應至少ー個噴嘴孔207。本發明所述的垂直對應是指填充微孔的軸線與所述噴嘴孔的軸線在一條垂直直線上。如圖3c 圖3f所示，所述噴嘴孔207的剖面形狀為可以為長方形、拱形、梯形、雙曲線形等。當所述噴嘴孔207的剖面形狀為為長方形時，所述噴嘴孔207的半徑需要小於所述填充微孔206的半徑的1/2以上。在所述噴嘴孔的深度未達到所述噴嘴片的厚度時，所述噴嘴孔可以連通ー個貫通孔以達到穿透所述噴嘴片的目的。本實施例所述的微孔金屬填充結構的工作過程為:降低所述密封腔100的內部氣壓至小於外界大氣壓的第一氣壓值，此時所述第一間隙204、填充微孔206、第二間隙205以及噴嘴孔207的氣壓均降至與所述密封腔100內的氣壓相同的第一氣壓值，在這種情況下，填充微孔206噴嘴孔207中均形成向上的張力，此時所述液態金屬槽300中的液態金屬在向上的張カ的作用下經所述噴嘴孔207填充到所述填充微孔206中；逐漸升高所述密封腔100的內部氣壓至小於外界大氣壓且大於所述第一氣壓值的第二氣壓值，此時所述第一間隙204、填充微孔206、第二間隙205以及噴嘴孔207的氣壓均升高至與所述密封腔100內的氣壓相同的第二氣壓值，在這種情況下，外界大氣壓和密封腔內的第二氣壓值之間的氣壓差無法維持液態金屬在所述噴嘴孔中的連續性，液態金屬的表面張カ將噴嘴孔中的液態金屬夾斷，使得所述液態金屬在所述噴嘴孔207中斷開，井回流到所述液態金屬槽300中。實施例ニ本實施例提供一種微孔金屬填充結構，其與實施例一的區別在於，所述密封腔的結構不同，如圖4所示，所述密封腔包括外密封圈401、內密封圈402、密封蓋403、密封底404 ;所述外密封圈401的高度大於所述內密封圈402的高度；所述外密封圈401的底部與所述密封底404的外邊緣連接，所述內密封圈402的底端與所述密封底404的內邊緣連接；所述密封蓋403的外邊緣與所述外密封圈401的頂部連接，密封蓋403的內邊緣與所述三明治結構405的頂部固定連接；所述內密封圈402的頂部與所述三明治結構405的底部固定連接；所述液態金屬槽406的上表面緊貼所述三明治結構405的下表面。所述外密封圈401、密封蓋403、三明治結構405、液態金屬槽406、內密封圈402和密封底404構成密閉空間；所述密封底404上設有進出氣孔407。實施例三本實施例提供一種微孔金屬填充結構，其與實施例一、ニ的區別在於，所述密封腔的結構不同，如圖5所示，所述密封腔包括外密封圈501、內密封圈502、密封架503、密封底504、壓蓋505 ;所述外密封圈501的高度大於所述內密封圈502的高度；所述外密封圈501的底部與所述密封底504的外邊緣連接，所述內密封圈502的底端與所述密封底504的內邊緣連接；所述密封架503的底部邊緣與所述外密封圈501的頂部連接，密封架503的頂部邊緣通過蝶形波紋管506與所述壓蓋505的邊緣緊密連接；所述壓蓋505壓放在所述三明治結構507的上表面；所述內密封圈502的頂部與所述三明治結構507的底部固定連接；所述液態金屬槽508的上表面緊貼所述三明治結構507的下表面。所述外密封圈501、密封架503、蝶形波紋管506、壓蓋505、三明治結構507、液態金屬槽508、內密封圈502和密封底504構成密閉空間。所述密封底504上設有進出氣孔509。實施例四本實施例提供一種微孔金屬填充結構，其與實施例一、ニ、三的區別在於，所述密封腔的結構不同，如圖6所不,優選地,所述密封腔包括外密封圈601、密封架602、密封底603、壓蓋604、第一蝶形波紋管605、第二蝶形波紋管606 ;所述外密封圈601的底部與所述密封底603的外邊緣連接；所述密封架602的底部邊緣與所述外密封圈601的頂部連接，密封架602的頂部邊緣通過所述第一蝶形波紋管605與所述壓蓋604的邊緣緊密連接；所述壓蓋604壓放在所述三明治結構607的上表面；所述三明治結構607壓放於所述液態金屬槽608的上表面；所述液態金屬槽608的側面通過所述第二蝶形波紋管606與所述密封底603的內邊緣連接；所述外密封圈601、密封架602、第一蝶形波紋管605、壓蓋604、三明治結構607、液態金屬槽608、第二蝶形波紋管606和密封底603構成密閉空間。所述密封底603上設有進出氣孔609。實施例五本實施例提供一種微孔金屬填充方法，如圖7a 圖7d所示，該方法的主要實現過程包括:利用氣壓差將液態金屬槽中的液態金屬吸進需要進行填充的微孔中，再利用液態金屬的表面張カ將連著的所述微孔中的液態金屬與所述液態金屬槽中的液態金屬切斷。進ー步，所述利用氣壓差將液態金屬槽中的液態金屬吸進需要進行填充的微孔中的過程簡稱為填充過程，具體包括:由上至下依次疊加阻擋片701、填充基片702和噴嘴片703構成三明治結構；所述填充基片夾702在所述阻擋片701和噴嘴片703之間；所述填充基片702上設有填充微孔706 ;所述噴嘴片703上設有與所述填充微孔706垂直對應的噴嘴孔707 ;所述阻擋片701與填充基片702之間設有第一間隙704 ;所述填充基片702與噴嘴片703之間設有第二間隙705 ;所述噴嘴孔最窄處的半徑小於所述填充微孔的半徑的1/2。其中，所述第一間隙704和第二間隙705的垂直高度均以液態金屬被吸入微孔時不被吸入所述第一間隙和第二間隙為原則進行設置；所述第一間隙和第二間隙的垂直高度相同，該垂直高度需要足夠大以保證氣體可以在裡面通過，同時也要足夠小以防止液態金屬被吸入間隙中，一般可在10微米左右，如所述第一間隙和第二間隙的垂直高度均為I 20微米，也可優選為8、9、10、11或12微米。將所述液態金屬槽708的上表面緊貼所述噴嘴片703的下表面；液態金屬與噴嘴片是完全不浸潤的，液態金屬的上表面蓋住所有的噴嘴孔。降低所述三明治結構的內部氣壓至小於外界大氣壓的第一氣壓值，在所述填充微孔和噴嘴孔中形成向上的張力，此時所述液態金屬槽中的液態金屬在向上的張カ的作用下經所述噴嘴孔填充到所述微孔中。填充過程的實現原理為:假設噴嘴孔和填充孔都為軸對稱圓柱狀(如圖3c)，並且液態金屬的表面張カ是各向同性的。因為噴嘴孔，填充孔以及間隙的尺寸都只有微米級別，重力對微米尺寸的液態金屬的作用可以忽略不計。因為金屬槽的尺寸較大，液態金屬內部的壓カ也可以忽略不計。金屬在噴嘴孔，填充孔以及間隙中的形狀由其受到的作用於各表面的壓強所決定。又假設外界的氣壓為Po，三明治結構內部的氣壓為Pi，兩者之間的氣壓差Po-Pi為Pdiff。這其中外界壓カPo是不變的，通過控制三明治結構內部的氣壓Pi來實現整個填充和切割的過程。當Pi減少到Pdiff > 2y/r時，外界環境和內部的氣壓差將使液態金屬槽中的液態金屬通過噴嘴孔壓入填充微孔中，其中，Y是液態金屬的表面張カ係數，r是噴嘴孔的半徑。因為三明治結構的間隙足夠小，並且因為液態金屬對阻擋片、填充基片和噴嘴片的表面都是完全不浸潤的，所以氣壓差不會把液態金屬壓入第一縫隙和第二縫隙中。而阻擋片也阻止了金屬被壓出填充微孔的外面。因為構成的密閉空間的上下面分別是由阻擋片和噴嘴片組成的，這兩個面所承受的外在氣壓是相等的，所以三明治結構不會因承受壓カ差而導致形變甚至斷裂。進一歩，所述利用液態金屬的表面張カ將連著的所述微孔中的液態金屬與所述液態金屬槽中的液態金屬切斷的過程簡稱為切斷過程，具體包括:升高所述三明治結構的內部氣壓Pi至小於外界大氣壓且大於所述第一氣壓值的第二氣壓值Pbreak時，所述Po和腔體內的第二氣壓值Ptoak之間的氣壓差Pdiff無法維持液態金屬在所述噴嘴孔中的連續性使得所述液態金屬在所述噴嘴孔中斷開。斷開之後噴嘴孔中的上部金屬回流到填充孔中，下部回流到所述液態金屬槽中。切斷過程的實現原理為:吸入填充微孔中的液態金屬還是通過噴嘴孔與金屬槽連在一起的，將它們切斷是通過慢慢回升三明治結構內部氣壓Pi來實現的。液態金屬在填充微孔和噴嘴孔中的形狀由Pdiff和表面張カ作用共同決定。Pdiff使液態金屬膨脹，表面張カ則使液態金屬收縮。隨著Pi的升高，Pdiff會減小，。在填充微孔中，因為表面張カ的作用液態金屬柱的兩端會漸漸變圓，當Pdiff達到Y /2R時，其中R為填充微孔的半徑，金屬柱兩端會形成半圓形。繼續升高Pi，Pdiff進ー步降低，表面張カ會把金屬從填充孔中壓回去。在噴嘴孔中，當Pdiff大於Y/r時，液態金屬會被緊貼在噴嘴孔的壁上；當氣壓差正好達到Y/r時，液態金屬對噴嘴孔壁的壓強降為零；當氣壓差減小到小於Y/r時，根據噴嘴孔的高寬比(高度和直徑的比值)又會有兩種情況。如果噴嘴孔的高寬比大於約1.5，只要氣壓差小於Y/r，噴嘴孔中的金屬會立刻斷掉；如果噴嘴孔的高寬比小於約1.5，那麼氣壓差還得繼續降到一定值才會斷掉，具體斷掉所需要的氣壓差的值和噴嘴孔的尺寸有夫，該值可以能過軟體模擬得到。根據以上的分析，通過設計填充孔和噴嘴孔的尺寸，可以做到Pi在回升到把金屬從填充孔中壓回去所需要的氣壓之前，金屬先在噴嘴孔中斷掉，這樣金屬柱就會留在填充孔中。在切割過程中每ー個填充微孔之間都是相互獨立的，他們之間的填充情況不會相
互影響。待填充在填充微孔中的液態金屬固化，填充後的填充基片的結構如圖8所示。本發明中的液態金屬槽(如錫槽)，噴嘴片和阻擋片都可以重複使用。本發明中，每個所述填充微孔垂直對應至少ー個噴嘴孔，而每個所述填充微孔垂直對應多個噴嘴孔的情況比每個填充微孔垂直對應ー個噴嘴孔的情況對對準精度的要求低些。本發明所述的微孔金屬填充方法的實現結構包括但不限於本發明所述的幾種微孔金屬填充結構。本發明所述的微孔金屬填充結構及方法的實現原理是:通過氣壓差將液態金屬槽中的液態金屬吸進需要進行填充的微孔中，接著利用金屬的表面張カ將連著的液態金屬與金屬槽切斷。當液體的尺寸在微米級別時，液體的表面張カ將遠遠大於重力，所以重力可以忽略不計，即在微米尺度，液體的行為受表面張カ和外表壓カ驅使。本發明利用壓カ差將液態金屬槽中的液態金屬吸入微米級別的微孔中，再依據表面張カ原理將已經填充在微孔中的金屬與液態金屬槽切斷，填充速度極快，所需時間極短，且準確度高，切割效果好，易於實現，高效且實用。綜上所述，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所掲示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種微孔金屬填充結構，其特徵在於，所述微孔金屬填充結構包括: 密封腔，包括進出氣孔； 三明治結構，包括由上至下依次疊加阻擋片、填充基片和噴嘴片；所述填充基片夾在所述阻擋片和噴嘴片之間；所述填充基片上設有填充微孔；所述噴嘴片上設有與所述填充微孔垂直對應的噴嘴孔；所述阻擋片與填充基片之間設有第一間隙；所述填充基片與噴嘴片之間設有第二間隙；所述噴嘴孔最窄處的半徑小於所述填充微孔的半徑的1/2以上； 所述三明治結構水平設置在所述空間中，且三明治結構的側壁全部嵌入到所述密封腔內；所述噴嘴片的下表面用以在金屬填充時緊貼ー液態金屬槽的上表面；所述密封腔內的氣壓與所述第一間隙、填充微孔、第二間隙以及噴嘴孔的氣壓均相同。
2.根據權利要求1所述的微孔金屬填充結構，其特徵在於:每個所述填充微孔垂直對應至少ー個噴嘴孔。
3.根據權利要求1所述的微孔金屬填充結構，其特徵在於:所述密封腔包括外密封圏、內密封圈、密封蓋、密封底；所述外密封圈的高度大於所述內密封圈的高度；所述外密封圈的底部與所述密封底的外邊緣連接，所述內密封圈的底端與所述密封底的內邊緣連接；所述密封蓋的外邊緣與所述外密封圈的頂部連接，密封蓋的內邊緣與所述三明治結構的頂部固定連接；所述內密封圈的頂部與所述三明治結構的底部固定連接；所述外密封圏、密封蓋、三明治結構、液態金屬槽、內密封圈和密封底構成密閉空間。
4.根據權利要求1所述的微孔金屬填充結構，其特徵在於:所述密封腔包括外密封圏、內密封圈、密封架、密封底、壓蓋；所述外密封圈的高度大於所述內密封圈的高度；所述外密封圈的底部與所述密封底的外邊緣連接，所述內密封圈的底端與所述密封底的內邊緣連接；所述密封架的底部邊緣與所述外密封圈的頂部連接，密封架的頂部邊緣通過蝶形波紋管與所述壓蓋的邊緣緊密連接；所述壓蓋壓放在所述三明治結構的上表面；所述內密封圈的頂部與所述三明 治結構的底部固定連接；所述外密封圈、密封架、蝶形波紋管、壓蓋、三明治結構、液態金屬槽、內密封圈和密封底構成密閉空間。
5.根據權利要求1所述的微孔金屬填充結構，其特徵在於:所述密封腔包括外密封圏、密封架、密封底、壓蓋、第一蝶形波紋管、第二蝶形波紋管；所述外密封圈的底部與所述密封底的外邊緣連接；所述密封架的底部邊緣與所述外密封圈的頂部連接，密封架的頂部邊緣通過所述第一蝶形波紋管與所述壓蓋的邊緣緊密連接；所述壓蓋壓放在所述三明治結構的上表面；所述三明治結構壓放於所述液態金屬槽的上表面；所述液態金屬槽的側面通過所述第二蝶形波紋管與所述密封底的內邊緣連接；所述外密封圈、密封架、第一蝶形波紋管、壓蓋、三明治結構、液態金屬槽、第二蝶形波紋管和密封底構成密閉空間。
6.根據權利要求1所述的微孔金屬填充結構，其特徵在於:所述阻擋片的下表面設有第一凸起結構，所述第一凸起結構使所述阻擋片與所述填充基片之間形成所述第一縫隙；所述噴嘴片的上表面設有第二凸起結構，所述第二凸起結構使所述噴嘴片與所述填充基片之間形成所述第二縫隙。
7.根據權利要求1所述的微孔金屬填充結構，其特徵在於:所述阻擋片的下表面設有第一墊圈，所述第一墊圈使所述阻擋片與所述填充基片之間形成所述第一縫隙；所述噴嘴片的上表面設有第二墊圈，所述第二墊圈使所述噴嘴片與所述填充基片之間形成所述第二縫隙。
8.根據權利要求6或7所述的微孔金屬填充結構，其特徵在於:所述第一間隙和第二間隙的垂直高度均為I 20微米。
9.根據權利要求1所述的微孔金屬填充方法，其特徵在於:所述噴嘴孔的剖面形狀為梯形、拱形、或/和雙曲線形；在所述噴嘴孔的深度未達到所述噴嘴片的厚度時，所述噴嘴孔連通ー個貫通孔穿透所述噴嘴片。
10.一種微孔金屬填充方法，其特徵在於，所述微孔金屬填充方法包括:利用氣壓差將液態金屬槽中的液態金屬吸進需要進行填充的微孔中，再利用液態金屬的表面張カ將連著的所述微孔中的液態金屬與所述液態金屬槽中的液態金屬切斷。
11.根據權利要求10所述的微孔金屬填充方法，其特徵在於，所述利用氣壓差將液態金屬槽中的液態金屬吸進需要進行填充的微孔中的具體實現過程包括: 由上至下依次疊加阻擋片、填充基片和噴嘴片構成三明治結構；所述填充基片夾在所述阻擋片和噴嘴片之間；所述填充基片上設有填充微孔；所述噴嘴片上設有與所述填充微孔垂直對應的噴嘴孔；所述阻擋片與填充基片之間設有第一間隙；所述填充基片與噴嘴片之間設有第二間隙； 所述噴嘴孔最窄處的半徑小於所述填充微孔的半徑的1/2以上； 將所述液態金屬槽的上表面緊貼所述噴嘴片的下表面； 降低所述三明治結構的內部氣壓至小於外界大氣壓的第一氣壓值，形成向上的張力，此時所述液態金屬槽中的液態金屬在向上的張カ的作用下經所述噴嘴孔填充到所述微孔中。
12.根據權利要求11所述的微孔金屬填充方法，其特徵在於，所述利用液態金屬的表面張カ將連著的所述微孔中的液態金屬與所述液態金屬槽中的液態金屬切斷的具體實現過程包括: 升高所述三明治結構的內部氣壓至小於外界大氣壓且大於所述第一氣壓值的第二氣壓值，所述外界大氣壓和第二氣壓值之間的氣壓差無法維持液態金屬在所述噴嘴孔中的連續性使得所述液態金屬在所述噴嘴孔中斷開，並回流到所述液態金屬槽中。
13.根據權利要求10所述的微孔金屬填充方法，其特徵在於:所述噴嘴孔的剖面形狀為梯形、拱形、或/和雙曲線形。
14.根據權利要求10所述的微孔金屬填充方法，其特徵在於:所述第一間隙和第二間隙的垂直高度均以液態金屬被吸入微孔時不被吸入所述第一間隙和第二間隙為原則進行設置；所述第一間隙和第二間隙的垂直高度均為I 20微米。
15.根據權利要求10所述的微孔金屬填充方法，其特徵在於:每個所述填充微孔垂直對應至少ー個噴嘴孔。
全文摘要
本發明提供一種微孔金屬填充結構及方法，該填充結構包括密封腔、三明治結構；密封腔包括進出氣孔；密封腔圍成有容納液態金屬槽的空間；三明治結構包括由上至下依次疊加阻擋片、填充基片和噴嘴片；填充基片上設有填充微孔；噴嘴片上設有與填充微孔垂直對應的噴嘴孔；阻擋片與填充基片之間設有第一間隙；填充基片與噴嘴片之間設有第二間隙；噴嘴孔最窄處的半徑小於填充微孔的半徑的1/2以上；三明治結構的側壁全部嵌入到密封腔內；噴嘴片的下表面在金屬填充時緊貼液態金屬槽的上表面。本發明利用壓力差將液態金屬槽中的金屬吸入微米級別的填充微孔中，依據表面張力原理將已填充在微孔中的金屬與金屬槽在噴嘴孔中切斷，填充速度快，時間短，準確度高。
文檔編號H01L21/768GK103107129SQ20131006423
公開日2013年5月15日 申請日期2013年2月28日 優先權日2013年2月28日
發明者顧傑斌, 黃緒國, 李昕欣, 楊恆, 江翔 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所, 湖州中微科技有限公司