專利名稱：一種微孔金屬填充結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微制造加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種微孔填充技術(shù)，尤其涉及ー種微孔金屬填充結(jié)構(gòu)及方法。
背景技術(shù)：
電互接是用來(lái)實(shí)現(xiàn)將芯片間以及芯片與基板之間的電信號(hào)的傳輸?shù)姆绞?，是封裝的核心組成部分?，F(xiàn)有的封裝技術(shù)中，電連接主要通過(guò)金線鍵合(wire-bonding)和倒裝焊(flip-chip)。wire-bonding通過(guò)將細(xì)小的金線(約25微米粗)兩端分別鍵合在需要進(jìn)行電互連的電極上實(shí)現(xiàn)。Flip-chip 又被稱為 controlled collapse chip connection (C4),該方法通過(guò)在電極上直接制作凸點(diǎn)，通常是錫球，然后通過(guò)錫球回流的方式實(shí)現(xiàn)與基板上對(duì)應(yīng)電極的連接。隨著電子器件的發(fā)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(tǒng)級(jí)封裝(SiP)集成度和更小的封裝體積的要求。隨之興起的對(duì)先進(jìn)封裝有著重大影響的新型的電連接技術(shù)是TSV (Through-si I icon via)娃通孔技術(shù),其是穿透基片(特別是硅基片)的垂直電連接技術(shù)。TSV幾乎可以代替所有封裝中的Wire-Bonding的地方，提高所有種類芯片封裝的電氣性能，包括大大提高集成度，縮小芯片尺寸，特別是在系統(tǒng)集封裝(System-1n-Packaging, SiP),圓片級(jí)封裝(Wafer-Level Packaging - WLP)以及三維垂直疊層封裝(3D Packaging)這些先進(jìn)封裝之中。TSV的制造包括了通孔的制造，絕緣層的沉積，通孔的填充以及后續(xù)的化學(xué)機(jī)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(shù)難度最大，成本最高的ー項(xiàng)。根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用，通孔的孔徑從幾十個(gè)微米到幾百微米不等，對(duì)于如此大塊的金屬填充，現(xiàn)有的主要技術(shù)是基于銅電鍍?cè)恚ㄟ^(guò)首先在通孔壁上進(jìn)行種子層的附著，然后再在種子層上電鍍銅的方式實(shí)現(xiàn)。除此外，其他的TSV技術(shù)也在不斷的研究中。如基于低阻率硅的Silex Via則是通過(guò)在低阻率的硅片用硅深度蝕刻出柱狀硅體作為傳導(dǎo)介質(zhì)。另外基于Wire-bonding以及磁組裝技術(shù)的TSV技術(shù)也在研究中。這兩種技術(shù)分別通過(guò)在通孔中放置金屬引線或者鎳針來(lái)作為導(dǎo)電介質(zhì)。目前常用的填充方式是通過(guò)電鍍來(lái)實(shí)現(xiàn)的，特別是銅電鍍，如果對(duì)于尺寸在幾個(gè)微米的也可以通過(guò)CVD來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是無(wú)論是電鍍還是CVD，因?yàn)樗俣嚷?，想?shí)現(xiàn)尺寸在幾十到幾百微米的填充都比較困難。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種微孔金屬填充結(jié)構(gòu)及方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)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(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種微孔金屬填充結(jié)構(gòu)及方法；所述微孔金屬填充結(jié)構(gòu)包括密封腔、三明治結(jié)構(gòu)；所述密封腔包括進(jìn)出氣孔；所述三明治結(jié)構(gòu)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(shè)有填充微孔；所述噴嘴片上設(shè)有與所述填充微孔垂直對(duì)應(yīng)的噴嘴孔；所述阻擋片與填充基片之間設(shè)有第一間隙；所述填充基片與噴嘴片之間設(shè)有第二間隙；所述噴嘴孔最窄處的半徑小于所述填充微孔的半徑的1/2以上；所述三明治結(jié)構(gòu)水平設(shè)置在所述空間中，且三明治結(jié)構(gòu)的側(cè)壁全部嵌入到所述密封腔內(nèi)；所述噴嘴片的下表面用以在金屬填充時(shí)緊貼ー液態(tài)金屬槽的上表面；所述密封腔內(nèi)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(yōu)選地，每個(gè)所述填充微孔垂直對(duì)應(yīng)至少ー個(gè)噴嘴孔。優(yōu)選地，所述密封腔包括外密封圈、內(nèi)密封圈、密封蓋、密封底；所述外密封圈的高度大于所述內(nèi)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(nèi)密封圈的底端與所述密封底的內(nèi)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(nèi)邊緣與所述三明治結(jié)構(gòu)的頂部固定連接；所述內(nèi)密封圈的頂部與所述三明治結(jié)構(gòu)的底部固定連接；所述外密封圈、密封蓋、三明治結(jié)構(gòu)、液態(tài)金屬槽、內(nèi)密封圈和密封底構(gòu)成密閉空間。優(yōu)選地，所述密封腔包括外密封圈、內(nèi)密封圈、密封架、密封底、壓蓋；所述外密封圈的高度大于所述內(nèi)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(nèi)密封圈的底端與所述密封底的內(nèi)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(guò)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(jié)構(gòu)的上表面；所述內(nèi)密封圈的頂部與所述三明治結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、液態(tài)金屬槽、內(nèi)密封圈和密封底構(gòu)成密閉空間。優(yōu)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(guò)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(jié)構(gòu)的上表面；所述三明治結(jié)構(gòu)壓放于所述液態(tài)金屬槽的上表面；所述液態(tài)金屬槽的側(cè)面通過(guò)所述第二蝶形波紋管與所述密封底的內(nèi)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(jié)構(gòu)、液態(tài)金屬槽、第二蝶形波紋管和密封底構(gòu)成密閉空間。優(yōu)選地，所述阻擋片的下表面設(shè)有第一凸起結(jié)構(gòu)，所述第一凸起結(jié)構(gòu)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(shè)有第二凸起結(jié)構(gòu)，所述第二凸起結(jié)構(gòu)使所述噴嘴片與所述填充基片之間形成所述第二縫隙。優(yōu)選地，所述阻擋片的下表面設(shè)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(shè)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(yōu)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(yōu)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(dá)到所述噴嘴片的厚度時(shí)，所述噴嘴孔連通一個(gè)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(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬吸進(jìn)需要進(jìn)行填充的微孔中，再利用液態(tài)金屬的表面張カ將連著的所述微孔中的液態(tài)金屬與所述液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬切斷。
優(yōu)選地，所述利用氣壓差將液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬吸進(jìn)需要進(jìn)行填充的微孔中的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括:由上至下依次疊加阻擋片、填充基片和噴嘴片構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)；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(shè)有填充微孔；所述噴嘴片上設(shè)有與所述填充微孔垂直對(duì)應(yīng)的噴嘴孔；所述阻擋片與填充基片之間設(shè)有第一間隙；所述填充基片與噴嘴片之間設(shè)有第二間隙；所述噴嘴孔最窄處的半徑小于所述填充微孔的半徑的1/2以上；將所述液態(tài)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(jié)構(gòu)的內(nèi)部氣壓至小于外界大氣壓的第一氣壓值，形成向上的張力，此時(shí)所述液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬在向上的張カ的作用下經(jīng)所述噴嘴孔填充到所述微孔中。優(yōu)選地，所述利用液態(tài)金屬的表面張カ將連著的所述微孔中的液態(tài)金屬與所述液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬切斷的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括:升高所述三明治結(jié)構(gòu)的內(nèi)部氣壓至小于外界大氣壓且大于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(wú)法維持液態(tài)金屬在所述噴嘴孔中的連續(xù)性使得所述液態(tài)金屬在所述噴嘴孔中斷開(kāi)，并回流到所述液態(tài)金屬槽中。優(yōu)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(yōu)選地，所述第一間隙和第二間隙的垂直高度均以液態(tài)金屬被吸入微孔時(shí)不被吸入所述第一間隙和第二間隙為原則進(jìn)行設(shè)置；所述第一間隙和第二間隙的垂直高度均為I 20微米。優(yōu)選地，每個(gè)所述填充微孔垂直對(duì)應(yīng)至少ー個(gè)噴嘴孔。如上所述，本發(fā)明所述的微孔金屬填充結(jié)構(gòu)及方法，具有以下有益效果:本發(fā)明利用壓カ差將液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬吸入微米級(jí)別的微孔中，再依據(jù)表面張カ原理將已經(jīng)填充在微孔中的金屬與液態(tài)金屬槽切斷，填充速度極快，所需時(shí)間極短，且準(zhǔn)確度高，切割效果好，易于實(shí)現(xiàn)，高效且實(shí)用。


圖1為本發(fā)明所述的微孔金屬填充結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2a為本發(fā)明所述的三明治結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖2b為本發(fā)明所述的三明治結(jié)構(gòu)的另ー種結(jié)構(gòu)示意圖。圖3a為本發(fā)明所述的ー個(gè)填充微孔垂直對(duì)應(yīng)ー個(gè)噴嘴孔的結(jié)構(gòu)不意圖。圖3b為本發(fā)明所述的ー個(gè)填充微孔垂直對(duì)應(yīng)多個(gè)噴嘴孔的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3c 圖3f為本發(fā)明所述的噴嘴孔的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3g為本發(fā)明所述的ー個(gè)填充微孔對(duì)應(yīng)多個(gè)噴嘴孔的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例ニ所述的微孔金屬填充結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例三所述的微孔金屬填充結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例四所述的微孔金屬填充結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7a 圖7d為本發(fā)明所述的微孔金屬填充方法的流程示意圖。圖8為填充后的填充基片的結(jié) 構(gòu)示意圖。元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明100密封腔101，407，509，609進(jìn)出氣孔
200，405，507，607三明治結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)209第二凸起結(jié)構(gòu)210第一墊圈211第二墊圈300，406，508，608，708 液態(tài)金屬槽400空間401，501，601外密封圈
402，502，內(nèi)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(shí)施例方式以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。請(qǐng)參閱附圖。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為ー種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。本發(fā)明涉及ー種用于微孔金屬填充的技術(shù)，主要用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS),光電器件等封裝中的TSV電互連制造的填充，屬于微制造加工以及微電子封裝領(lǐng)域。本發(fā)明提出一種全新的基于液體氣壓夾斷原理的填充技術(shù)，解決了制造大孔徑和高深寬比的TSV(幾十微米到幾百微米)填充問(wèn)題。但本發(fā)明不限于TSV填充，其還適用于任何需要進(jìn)行微孔填充的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明利用液態(tài)金屬的流動(dòng)性來(lái)實(shí)現(xiàn)微孔的填充，其關(guān)鍵點(diǎn)是利用液體的表面張力作為主要的驅(qū)動(dòng)カ來(lái)切斷填充后的金屬與金屬槽。
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例一本實(shí)施例提供一種微孔金屬填充結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該填充結(jié)構(gòu)包括:密封腔100、三明治結(jié)構(gòu)200。所述密封腔100包括進(jìn)出氣孔101 ;所述密封腔100可以圍成有容納液態(tài)金屬槽300的空間400。所述三明治結(jié)構(gòu)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(shè)有填充微孔206 ;所述噴嘴片203上設(shè)有與所述填充微孔206垂直對(duì)應(yīng)的噴嘴孔207 ;所述阻擋片201與填充基片202之間設(shè)有第一間隙204 ;所述填充基片202與噴嘴片203之間設(shè)有第二間隙205。所述噴嘴孔207最窄處的半徑必須小于所述填充微孔206的半徑的1/2以上，具體小于程度可以通過(guò)軟件模擬得到。進(jìn)ー步，如圖2a所示，所述阻擋片201的下表面設(shè)有第一凸起結(jié)構(gòu)208，所述第一凸起結(jié)構(gòu)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(shè)有第二凸起結(jié)構(gòu)209，所述第二凸起結(jié)構(gòu)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?；蛘咚龅谝煌蛊鸾Y(jié)構(gòu)208和第二凸起結(jié)構(gòu)209被墊圈替代，如圖2b所示，所述阻擋片201的下表面設(shè)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(shè)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(jìn)ー步，所述第一間隙204和第二間隙205的垂直高度均以液態(tài)金屬被吸入填充微孔時(shí)不被吸入所述第一間隙204和第二間隙205中為原則進(jìn)行設(shè)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里面通過(guò)，同時(shí)也要足夠小以防止液態(tài)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(yōu)選為8、9、10、11或12微米。所述三明治結(jié)構(gòu)200水平設(shè)置在所述空間400中，且三明治結(jié)構(gòu)200的側(cè)壁全部嵌入到所述密封腔100內(nèi)，即所述阻擋片201、填充基片202和噴嘴片203的側(cè)壁全部嵌入到所述密封腔100內(nèi)。所述噴嘴片203的下表面用以在金屬填充時(shí)緊貼所述液態(tài)金屬槽300的上表面；液態(tài)金屬與噴嘴片203是完全不浸潤(rùn)的,液態(tài)金屬的上表面蓋住所有的噴嘴孔203。所述密封腔100內(nèi)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(gè)填充微孔206垂直對(duì)應(yīng)ー個(gè)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(qū)域表示允許噴嘴孔207的軸心偏差的距離區(qū)域。如圖3b所示，ー個(gè)填充微孔206垂直對(duì)應(yīng)多個(gè)噴嘴孔207。例如噴嘴孔207以六角形排列的方式垂直對(duì)應(yīng)于ー個(gè)填充微孔206。相對(duì)于圖3a所示的一対一的形式，這樣的排列可以大大減少對(duì)準(zhǔn)精度的要求。為了保證無(wú)論處在什么位置，總有ー個(gè)噴嘴孔是完整的對(duì)應(yīng)著填充微孔，得符合下面的關(guān)系:L<=2cos (Ji/6) (R_r) =>L〈=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(gè)噴嘴孔孔心之間的距離。L只有符合這個(gè)關(guān)系，才能保證在一定范圍內(nèi)，每個(gè)填充微孔總有ー個(gè)噴嘴孔是完整的垂直對(duì)應(yīng)著。圖3b中的灰色區(qū)域?yàn)樵试S偏差的區(qū)域，相對(duì)于圖3a可以大大減少對(duì)垂直對(duì)準(zhǔn)精度的要求。本發(fā)明中，每個(gè)所述填充微孔206垂直對(duì)應(yīng)至少ー個(gè)噴嘴孔207。本發(fā)明所述的垂直對(duì)應(yīng)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(zhǎng)方形、拱形、梯形、雙曲線形等。當(dāng)所述噴嘴孔207的剖面形狀為為長(zhǎng)方形時(shí)，所述噴嘴孔207的半徑需要小于所述填充微孔206的半徑的1/2以上。在所述噴嘴孔的深度未達(dá)到所述噴嘴片的厚度時(shí)，所述噴嘴孔可以連通ー個(gè)貫通孔以達(dá)到穿透所述噴嘴片的目的。本實(shí)施例所述的微孔金屬填充結(jié)構(gòu)的工作過(guò)程為:降低所述密封腔100的內(nèi)部氣壓至小于外界大氣壓的第一氣壓值，此時(shí)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(nèi)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(shí)所述液態(tài)金屬槽300中的液態(tài)金屬在向上的張カ的作用下經(jīng)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(nèi)部氣壓至小于外界大氣壓且大于所述第一氣壓值的第二氣壓值，此時(shí)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(nèi)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(nèi)的第二氣壓值之間的氣壓差無(wú)法維持液態(tài)金屬在所述噴嘴孔中的連續(xù)性，液態(tài)金屬的表面張カ將噴嘴孔中的液態(tài)金屬夾斷，使得所述液態(tài)金屬在所述噴嘴孔207中斷開(kāi)，井回流到所述液態(tài)金屬槽300中。實(shí)施例ニ本實(shí)施例提供一種微孔金屬填充結(jié)構(gòu)，其與實(shí)施例一的區(qū)別在于，所述密封腔的結(jié)構(gòu)不同，如圖4所示，所述密封腔包括外密封圈401、內(nèi)密封圈402、密封蓋403、密封底404 ;所述外密封圈401的高度大于所述內(nèi)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(nèi)密封圈402的底端與所述密封底404的內(nèi)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(nèi)邊緣與所述三明治結(jié)構(gòu)405的頂部固定連接；所述內(nèi)密封圈402的頂部與所述三明治結(jié)構(gòu)405的底部固定連接；所述液態(tài)金屬槽406的上表面緊貼所述三明治結(jié)構(gòu)405的下表面。所述外密封圈401、密封蓋403、三明治結(jié)構(gòu)405、液態(tài)金屬槽406、內(nèi)密封圈402和密封底404構(gòu)成密閉空間；所述密封底404上設(shè)有進(jìn)出氣孔407。實(shí)施例三本實(shí)施例提供一種微孔金屬填充結(jié)構(gòu)，其與實(shí)施例一、ニ的區(qū)別在于，所述密封腔的結(jié)構(gòu)不同，如圖5所示，所述密封腔包括外密封圈501、內(nèi)密封圈502、密封架503、密封底504、壓蓋505 ;所述外密封圈501的高度大于所述內(nèi)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(nèi)密封圈502的底端與所述密封底504的內(nèi)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(guò)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(jié)構(gòu)507的上表面；所述內(nèi)密封圈502的頂部與所述三明治結(jié)構(gòu)507的底部固定連接；所述液態(tài)金屬槽508的上表面緊貼所述三明治結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)507、液態(tài)金屬槽508、內(nèi)密封圈502和密封底504構(gòu)成密閉空間。所述密封底504上設(shè)有進(jìn)出氣孔509。實(shí)施例四本實(shí)施例提供一種微孔金屬填充結(jié)構(gòu)，其與實(shí)施例一、ニ、三的區(qū)別在于，所述密封腔的結(jié)構(gòu)不同，如圖6所不,優(yōu)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(guò)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(jié)構(gòu)607的上表面；所述三明治結(jié)構(gòu)607壓放于所述液態(tài)金屬槽608的上表面；所述液態(tài)金屬槽608的側(cè)面通過(guò)所述第二蝶形波紋管606與所述密封底603的內(nèi)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(jié)構(gòu)607、液態(tài)金屬槽608、第二蝶形波紋管606和密封底603構(gòu)成密閉空間。所述密封底603上設(shè)有進(jìn)出氣孔609。實(shí)施例五本實(shí)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(shí)現(xiàn)過(guò)程包括:利用氣壓差將液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬吸進(jìn)需要進(jìn)行填充的微孔中，再利用液態(tài)金屬的表面張カ將連著的所述微孔中的液態(tài)金屬與所述液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬切斷。進(jìn)ー步，所述利用氣壓差將液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬吸進(jìn)需要進(jìn)行填充的微孔中的過(guò)程簡(jiǎn)稱為填充過(guò)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(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)；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(shè)有填充微孔706 ;所述噴嘴片703上設(shè)有與所述填充微孔706垂直對(duì)應(yīng)的噴嘴孔707 ;所述阻擋片701與填充基片702之間設(shè)有第一間隙704 ;所述填充基片702與噴嘴片703之間設(shè)有第二間隙705 ;所述噴嘴孔最窄處的半徑小于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(tài)金屬被吸入微孔時(shí)不被吸入所述第一間隙和第二間隙為原則進(jìn)行設(shè)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里面通過(guò)，同時(shí)也要足夠小以防止液態(tài)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(yōu)選為8、9、10、11或12微米。將所述液態(tài)金屬槽708的上表面緊貼所述噴嘴片703的下表面；液態(tài)金屬與噴嘴片是完全不浸潤(rùn)的，液態(tài)金屬的上表面蓋住所有的噴嘴孔。降低所述三明治結(jié)構(gòu)的內(nèi)部氣壓至小于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(shí)所述液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬在向上的張カ的作用下經(jīng)所述噴嘴孔填充到所述微孔中。填充過(guò)程的實(shí)現(xiàn)原理為:假設(shè)噴嘴孔和填充孔都為軸對(duì)稱圓柱狀(如圖3c)，并且液態(tài)金屬的表面張カ是各向同性的。因?yàn)閲娮炜?，填充孔以及間隙的尺寸都只有微米級(jí)別，重力對(duì)微米尺寸的液態(tài)金屬的作用可以忽略不計(jì)。因?yàn)榻饘俨鄣某叽巛^大，液態(tài)金屬內(nèi)部的壓カ也可以忽略不計(jì)。金屬在噴嘴孔，填充孔以及間隙中的形狀由其受到的作用于各表面的壓強(qiáng)所決定。又假設(shè)外界的氣壓為Po，三明治結(jié)構(gòu)內(nèi)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(guò)控制三明治結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氣壓Pi來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)填充和切割的過(guò)程。當(dāng)Pi減少到Pdiff > 2y/r時(shí)，外界環(huán)境和內(nèi)部的氣壓差將使液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬通過(guò)噴嘴孔壓入填充微孔中，其中，Y是液態(tài)金屬的表面張カ系數(shù)，r是噴嘴孔的半徑。因?yàn)槿髦谓Y(jié)構(gòu)的間隙足夠小，并且因?yàn)橐簯B(tài)金屬對(duì)阻擋片、填充基片和噴嘴片的表面都是完全不浸潤(rùn)的，所以氣壓差不會(huì)把液態(tài)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?yàn)闃?gòu)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(gè)面所承受的外在氣壓是相等的，所以三明治結(jié)構(gòu)不會(huì)因承受壓カ差而導(dǎo)致形變甚至斷裂。進(jìn)一歩，所述利用液態(tài)金屬的表面張カ將連著的所述微孔中的液態(tài)金屬與所述液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬切斷的過(guò)程簡(jiǎn)稱為切斷過(guò)程，具體包括:升高所述三明治結(jié)構(gòu)的內(nèi)部氣壓Pi至小于外界大氣壓且大于所述第一氣壓值的第二氣壓值Pbreak時(shí)，所述Po和腔體內(nèi)的第二氣壓值Ptoak之間的氣壓差Pdiff無(wú)法維持液態(tài)金屬在所述噴嘴孔中的連續(xù)性使得所述液態(tài)金屬在所述噴嘴孔中斷開(kāi)。斷開(kāi)之后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(tài)金屬槽中。切斷過(guò)程的實(shí)現(xiàn)原理為:吸入填充微孔中的液態(tài)金屬還是通過(guò)噴嘴孔與金屬槽連在一起的，將它們切斷是通過(guò)慢慢回升三明治結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣壓Pi來(lái)實(shí)現(xiàn)的。液態(tài)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(tài)金屬膨脹，表面張カ則使液態(tài)金屬收縮。隨著Pi的升高，Pdiff會(huì)減小，。在填充微孔中，因?yàn)楸砻鎻垾淖饔靡簯B(tài)金屬柱的兩端會(huì)漸漸變圓，當(dāng)Pdiff達(dá)到Y(jié) /2R時(shí)，其中R為填充微孔的半徑，金屬柱兩端會(huì)形成半圓形。繼續(xù)升高Pi，Pdiff進(jìn)ー步降低，表面張カ會(huì)把金屬?gòu)奶畛淇字袎夯厝?。在噴嘴孔中，?dāng)Pdiff大于Y/r時(shí)，液態(tài)金屬會(huì)被緊貼在噴嘴孔的壁上；當(dāng)氣壓差正好達(dá)到Y(jié)/r時(shí)，液態(tài)金屬對(duì)噴嘴孔壁的壓強(qiáng)降為零；當(dāng)氣壓差減小到小于Y/r時(shí)，根據(jù)噴嘴孔的高寬比(高度和直徑的比值)又會(huì)有兩種情況。如果噴嘴孔的高寬比大于約1.5，只要?dú)鈮翰钚∮赮/r，噴嘴孔中的金屬會(huì)立刻斷掉；如果噴嘴孔的高寬比小于約1.5，那么氣壓差還得繼續(xù)降到一定值才會(huì)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(guò)軟件模擬得到。根據(jù)以上的分析，通過(guò)設(shè)計(jì)填充孔和噴嘴孔的尺寸，可以做到Pi在回升到把金屬?gòu)奶畛淇字袎夯厝ニ枰臍鈮褐?，金屬先在噴嘴孔中斷掉，這樣金屬柱就會(huì)留在填充孔中。在切割過(guò)程中每ー個(gè)填充微孔之間都是相互獨(dú)立的，他們之間的填充情況不會(huì)相
互影響。待填充在填充微孔中的液態(tài)金屬固化，填充后的填充基片的結(jié)構(gòu)如圖8所示。本發(fā)明中的液態(tài)金屬槽(如錫槽)，噴嘴片和阻擋片都可以重復(fù)使用。本發(fā)明中，每個(gè)所述填充微孔垂直對(duì)應(yīng)至少ー個(gè)噴嘴孔，而每個(gè)所述填充微孔垂直對(duì)應(yīng)多個(gè)噴嘴孔的情況比每個(gè)填充微孔垂直對(duì)應(yīng)ー個(gè)噴嘴孔的情況對(duì)對(duì)準(zhǔn)精度的要求低些。本發(fā)明所述的微孔金屬填充方法的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)包括但不限于本發(fā)明所述的幾種微孔金屬填充結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述的微孔金屬填充結(jié)構(gòu)及方法的實(shí)現(xiàn)原理是:通過(guò)氣壓差將液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬吸進(jìn)需要進(jìn)行填充的微孔中，接著利用金屬的表面張カ將連著的液態(tài)金屬與金屬槽切斷。當(dāng)液體的尺寸在微米級(jí)別時(shí)，液體的表面張カ將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力，所以重力可以忽略不計(jì)，即在微米尺度，液體的行為受表面張カ和外表壓カ驅(qū)使。本發(fā)明利用壓カ差將液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬吸入微米級(jí)別的微孔中，再依據(jù)表面張カ原理將已經(jīng)填充在微孔中的金屬與液態(tài)金屬槽切斷，填充速度極快，所需時(shí)間極短，且準(zhǔn)確度高，切割效果好，易于實(shí)現(xiàn)，高效且實(shí)用。綜上所述，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所掲示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種微孔金屬填充結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微孔金屬填充結(jié)構(gòu)包括: 密封腔，包括進(jìn)出氣孔； 三明治結(jié)構(gòu)，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(shè)有填充微孔；所述噴嘴片上設(shè)有與所述填充微孔垂直對(duì)應(yīng)的噴嘴孔；所述阻擋片與填充基片之間設(shè)有第一間隙；所述填充基片與噴嘴片之間設(shè)有第二間隙；所述噴嘴孔最窄處的半徑小于所述填充微孔的半徑的1/2以上； 所述三明治結(jié)構(gòu)水平設(shè)置在所述空間中，且三明治結(jié)構(gòu)的側(cè)壁全部嵌入到所述密封腔內(nèi)；所述噴嘴片的下表面用以在金屬填充時(shí)緊貼ー液態(tài)金屬槽的上表面；所述密封腔內(nèi)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(jù)權(quán)利要求1所述的微孔金屬填充結(jié)構(gòu)，其特征在于:每個(gè)所述填充微孔垂直對(duì)應(yīng)至少ー個(gè)噴嘴孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微孔金屬填充結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述密封腔包括外密封圏、內(nèi)密封圈、密封蓋、密封底；所述外密封圈的高度大于所述內(nèi)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(nèi)密封圈的底端與所述密封底的內(nèi)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(nèi)邊緣與所述三明治結(jié)構(gòu)的頂部固定連接；所述內(nèi)密封圈的頂部與所述三明治結(jié)構(gòu)的底部固定連接；所述外密封圏、密封蓋、三明治結(jié)構(gòu)、液態(tài)金屬槽、內(nèi)密封圈和密封底構(gòu)成密閉空間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微孔金屬填充結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述密封腔包括外密封圏、內(nèi)密封圈、密封架、密封底、壓蓋；所述外密封圈的高度大于所述內(nèi)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(nèi)密封圈的底端與所述密封底的內(nèi)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(guò)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(jié)構(gòu)的上表面；所述內(nèi)密封圈的頂部與所述三明 治結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、液態(tài)金屬槽、內(nèi)密封圈和密封底構(gòu)成密閉空間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微孔金屬填充結(jié)構(gòu)，其特征在于: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(guò)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(jié)構(gòu)的上表面；所述三明治結(jié)構(gòu)壓放于所述液態(tài)金屬槽的上表面；所述液態(tài)金屬槽的側(cè)面通過(guò)所述第二蝶形波紋管與所述密封底的內(nèi)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(jié)構(gòu)、液態(tài)金屬槽、第二蝶形波紋管和密封底構(gòu)成密閉空間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微孔金屬填充結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述阻擋片的下表面設(shè)有第一凸起結(jié)構(gòu)，所述第一凸起結(jié)構(gòu)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(shè)有第二凸起結(jié)構(gòu)，所述第二凸起結(jié)構(gòu)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(jù)權(quán)利要求1所述的微孔金屬填充結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述阻擋片的下表面設(shè)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(shè)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(jù)權(quán)利要求6或7所述的微孔金屬填充結(jié)構(gòu)，其特征在于: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(jù)權(quán)利要求1所述的微孔金屬填充方法，其特征在于: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(dá)到所述噴嘴片的厚度時(shí)，所述噴嘴孔連通ー個(gè)貫通孔穿透所述噴嘴片。
10.一種微孔金屬填充方法，其特征在于，所述微孔金屬填充方法包括:利用氣壓差將液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬吸進(jìn)需要進(jìn)行填充的微孔中，再利用液態(tài)金屬的表面張カ將連著的所述微孔中的液態(tài)金屬與所述液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬切斷。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的微孔金屬填充方法，其特征在于，所述利用氣壓差將液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬吸進(jìn)需要進(jìn)行填充的微孔中的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括: 由上至下依次疊加阻擋片、填充基片和噴嘴片構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)；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(shè)有填充微孔；所述噴嘴片上設(shè)有與所述填充微孔垂直對(duì)應(yīng)的噴嘴孔；所述阻擋片與填充基片之間設(shè)有第一間隙；所述填充基片與噴嘴片之間設(shè)有第二間隙； 所述噴嘴孔最窄處的半徑小于所述填充微孔的半徑的1/2以上； 將所述液態(tài)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(jié)構(gòu)的內(nèi)部氣壓至小于外界大氣壓的第一氣壓值，形成向上的張力，此時(shí)所述液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬在向上的張カ的作用下經(jīng)所述噴嘴孔填充到所述微孔中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的微孔金屬填充方法，其特征在于，所述利用液態(tài)金屬的表面張カ將連著的所述微孔中的液態(tài)金屬與所述液態(tài)金屬槽中的液態(tài)金屬切斷的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括: 升高所述三明治結(jié)構(gòu)的內(nèi)部氣壓至小于外界大氣壓且大于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(wú)法維持液態(tài)金屬在所述噴嘴孔中的連續(xù)性使得所述液態(tài)金屬在所述噴嘴孔中斷開(kāi)，并回流到所述液態(tài)金屬槽中。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的微孔金屬填充方法，其特征在于:所述噴嘴孔的剖面形狀為梯形、拱形、或/和雙曲線形。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的微孔金屬填充方法，其特征在于:所述第一間隙和第二間隙的垂直高度均以液態(tài)金屬被吸入微孔時(shí)不被吸入所述第一間隙和第二間隙為原則進(jìn)行設(shè)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(jù)權(quán)利要求10所述的微孔金屬填充方法，其特征在于:每個(gè)所述填充微孔垂直對(duì)應(yīng)至少ー個(gè)噴嘴孔。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微孔金屬填充結(jié)構(gòu)及方法，該填充結(jié)構(gòu)包括密封腔、三明治結(jié)構(gòu)；密封腔包括進(jìn)出氣孔；密封腔圍成有容納液態(tài)金屬槽的空間；三明治結(jié)構(gòu)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(shè)有填充微孔；噴嘴片上設(shè)有與填充微孔垂直對(duì)應(yīng)的噴嘴孔；阻擋片與填充基片之間設(shè)有第一間隙；填充基片與噴嘴片之間設(shè)有第二間隙；噴嘴孔最窄處的半徑小于填充微孔的半徑的1/2以上；三明治結(jié)構(gòu)的側(cè)壁全部嵌入到密封腔內(nèi)；噴嘴片的下表面在金屬填充時(shí)緊貼液態(tài)金屬槽的上表面。本發(fā)明利用壓力差將液態(tài)金屬槽中的金屬吸入微米級(jí)別的填充微孔中，依據(jù)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(shí)間短，準(zhǔn)確度高。
文檔編號(hào)H01L21/768GK103107129SQ20131006423
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者顧杰斌, 黃緒國(guó), 李昕欣, 楊恒, 江翔 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 湖州中微科技有限公司