微纳金属膏体填孔的紧实化处理方法及微孔填充工艺与流程

1.本发明涉及一种电路基板填充技术领域，具体涉及微纳金属膏体填充的紧实化处理及微孔填充工艺。


背景技术：

2.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，这样的填孔方式，容易产生孔洞和夹口填充等缺陷，并且具有影响通孔、盲孔的导电导热性能和热膨胀系数不匹配等问题。
3.纳米金属具有低温工艺、高温服役、高导电导热等优点，已经在半导体器件封装互连技术领域中应用。例如，申请公布号为cn 102651249 a的发明专利申请和授权公告号为cn 109935563 b的发明专利，均公开了一种纳米金属膏体，具体是铜纳米金属膏体，并利用金属膏体的低温工艺和高温服役的特点，在电路基板电极的形成过程中，有效地降低了加工成本，并且能够实现良好的导热导电和热膨胀系数匹配等优点。现有技术中，在电路基板、载板的通孔盲孔填充工艺中，未出现将纳米金属(微纳金属)作为填充材质的技术；为了让纳米金属更好地应用至电路基板的微孔填充领域中，有必要提出一种紧实化处理方法，以提高微孔填充工艺的效率和精度。


技术实现要素：

4.本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种微纳金属膏体填孔的紧实化处理方法，该方法有效地将样品基板待填孔表面的微纳金属膏体填充进入待填孔中，以提高填充效率和填充质量。
5.本发明的另一目的在于提供一种包含上述紧实化处理方法的微孔填充工艺。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.微纳金属膏体填孔的紧实化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.(1)通过抽真空让样品基板上待填孔中的气体溢出，促使微纳金属膏体渗入至所述待填孔中；
9.(2)通过外部仪器对样品基板或待填孔中的微纳金属膏体产生作用力，促使待填孔中的微纳金属膏体具有向待填孔底部移动的加速度，从而实现待填孔中的微纳金属膏体紧实化。
10.本发明的一个优选方案，在步骤(1)中，先将微纳金属膏体涂覆填充于样品基板的待填孔表面，再对样品基板上的待填孔进行抽真空处理，使得微纳金属膏体在自身张力以及压强差的条件下快速流入待填孔中。
11.本发明的一个优选方案，在步骤(1)中，先对样品基板上的待填孔进行抽真空处理，使得待填孔中的气体溢出，随后再将微纳金属膏体涂覆填充于待填孔表面。
12.本发明的一个优选方案，在步骤(2)中，将样品基板竖直放置在旋转离心装置中，
通过旋转离心装置对样品基板的待填孔中的微纳金属膏体产生离心力，从而促使待填孔中的微纳金属膏体不断压实压紧在待填孔中，实现微纳金属膏体的紧实化；所述离心力与待填孔的轴向方向平行，且所述离心力指向待填孔的底部。
13.本发明的一个优选方案，在步骤(2)中，通过对样品基板产生冲击载荷的方式，促使微纳金属膏体具有向待填孔底部移动的加速度，从而使得微纳金属膏体与待填孔发生相对移动，实现微纳金属膏体的紧实化。
14.优选地，对样品基板产生载荷的方式选用以下其中一种方法实现：
15.(a)样品基板水平放置，对样品基板产生向上的冲击载荷，促使微纳金属膏体具有向待填孔底部移动的加速度，向待填孔底部移动，实现微纳金属膏体的紧实化；
16.(b)样品基板水平放置，对样品基板产生向下的冲击载荷，随后通过急停促使微纳金属膏体具有向待填孔底部移动的加速度，向待填孔底部移动，实现微纳金属膏体的紧实化。
17.本发明的一个优选方案，在步骤(2)中，对待填孔中的微纳金属膏体进行非对称波形的超声波处理，并让微纳金属膏体向待填孔底部移动的加速度大于其他方向的加速度，实现微纳金属膏体的紧实化处理。
18.优选地，在对微纳金属膏体进行非对称波形的超声波处理时，超声波波形需要满足以下公式：
19.|f
″
(t)
·
ε[f
″
(t)
]|
max
≤|f
″
(t)
·
ε[-f
″
(t)
]|
max
[0020]
其中，
[0021]
式中，f(t)为超声波波形函数，t为时间，ε
(x)
为阶跃函数，|f
″
(t)
·
ε[f
″
(t)
]|
max
代表正向加速度的最大值，|f
″
(t)
·
ε[-f
″
(t)
]|
max
代表负向加速度的最大值，且定义正方向为指向待填孔外，负方向为指向待填孔内。
[0022]
优选地，在对微纳金属膏体进行非对称波形的超声波处理时，选择以下其中一种函数：
[0023]
(a)相同振幅不同频率的耦合函数，具体如下：
[0024][0025]
式中，n为自然数，t为时间，t为周期，a为振幅，ω1、ω2为圆频率；
[0026]
(b)不同振幅相同频率的耦合函数，具体如下：
[0027][0028]
式中，n为自然数，t为时间，t为周期，a1、a2为振幅，ω为圆频率。
[0029]
微孔填充工艺，其特征在于，包括以下步骤：
[0030]
(1)采用上述微纳金属膏体填孔的紧实化处理方法，在样品基板的待填孔中填充微纳金属膏体并进行紧实化处理；
[0031]
(2)对样品基板的待填孔表面的微纳金属膏体干燥处理；
[0032]
(3)向样品基板的待填孔表面继续添加固含量高于步骤(1)的微纳金属膏体的微纳金属膏体，形成微纳金属干湿混合体；
[0033]
(4)对样品基板的待填孔中的微纳金属干湿混合体进行二次紧实化处理；
[0034]
(5)重复步骤(2)～(4)若干次；
[0035]
(6)对样品基板待填孔中的微纳金属干湿混合体进行热压烧结，完成微孔填充加工。
[0036]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0037]
1、本发明实现对样品基板上的微纳金属膏体进行紧实化处理，让填充在待填孔中的微纳金属膏体能够更加贴合、紧致地填充在待填孔中，以提高通孔、盲孔(待填孔)的致密度以及热压烧结后的质量。
[0038]
2、本发明的微孔填充工艺，在利用紧实化处理后，结合多次添加固含量较高的微纳金属膏体，形成干湿混合体，有利于将膏体中的溶液吸出，从而提高待填孔中微纳金属的固含量，致密度有效提高，有效解决孔洞和夹口问题，且有利于提高待填孔的导电导热性能。
附图说明
[0039]
图1为本发明的微纳金属膏体填孔的紧实化处理方法的加工过程示意图。
[0040]
图2为本发明第一个实施例中采用旋转离心装置进行微纳金属膏体紧实化处理的示意图。
[0041]
图3为本发明第二个实施例中采用冲击装置对样品基板产生向上冲击载荷进行微纳金属膏体紧实化处理的示意图。
[0042]
图4为本发明第四个实施例中采用非对称波形的超声波进行微纳金属膏体紧实化处理的示意图。
[0043]
图5为本发明第四个实施例中所采用的超声波波形示意图。
[0044]
图6为本发明第五个实施例中所采用的超声波波形示意图。
[0045]
图7-图9为本发明的微孔填充工艺的示意图，其中，图7为流程框图，图8为步骤(1)-(2)的示意图，图9为步骤(3)-(6)的示意图。
具体实施方式
[0046]
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。
[0047]
实施例1
[0048]
参见图1-图2，本实施公开一种微纳金属膏体填孔的紧实化处理方法，包括以下步骤：
[0049]
(1)将样品基板3固定装夹在基板夹具8上；先将微纳金属膏体1涂覆填充于样品基
板3的待填孔2表面，再对样品基板3上的待填孔2进行抽真空处理，使得微纳金属膏体1在自身张力以及压强差的条件下快速流入待填孔2中。当然，也可先对样品基板3上的待填孔2进行抽真空处理，使得待填孔2中的气体溢出，随后再将微纳金属膏体1涂覆填充于待填孔2表面，以实现微纳金属膏体1的渗入。
[0050]
(2)通过外部仪器对样品基板3或待填孔2中的微纳金属膏体1产生作用力，促使待填孔2中的微纳金属膏体1具有向待填孔2底部移动的加速度，从而实现待填孔2中的微纳金属膏体1紧实化。具体地，本实施例中，将样品基板3竖直固定放置在旋转离心装置中，通过旋转离心装置9对样品基板3的待填孔2中的微纳金属膏体1产生离心力，从而促使待填孔2中的微纳金属膏体1不断压实压紧在待填孔2中，实现微纳金属膏体1的紧实化；所述离心力与待填孔2的轴向方向平行，且所述离心力指向待填孔2的底部。采用旋转离心装置9对样品基板3进行离心旋转处理，利用产生的离心力加速度实现对微纳金属膏体1的紧实化处理，工艺简单且效果好，并且避免对样品基板3、待填孔2以及微纳金属膏体1的表面产生损坏，有利于保护样品基板3的结构，提高填孔工艺的技术精度和质量。
[0051]
本实施例中的微纳金属膏体1可选用微纳银包铜膏体；旋转离心装置的转速可参考数据12000rpm/min。
[0052]
实施例2
[0053]
参见图1和图3，本实施例与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)中，通过冲击装置10对样品基板3产生冲击载荷的方式，促使微纳金属膏体1具有向待填孔2底部移动的加速度，从而使得微纳金属膏体1与待填孔2发生相对移动，实现微纳金属膏体1的紧实化。另外，样品基板3的材料刚性不能过大，保证基板在受到冲击后不会出现损伤。
[0054]
参见图3，进一步地，样品基板3水平放置，冲击装置10从下往上对样品基板3产生向上的冲击载荷，促使微纳金属膏体1具有向待填孔2底部(向下)移动的加速度，从而向待填孔2底部移动，实现微纳金属膏体1的紧实化。
[0055]
实施例3
[0056]
本实施例与实施例2的不同之处在于，冲击装置10从上往上下对样品基板3产生向下的冲击载荷，随后通过急停促使微纳金属膏体1具有向待填孔2底部移动的加速度(向下移动的惯性力)，从而向待填孔2底部移动，实现微纳金属膏体1的紧实化。
[0057]
实施例4
[0058]
参见图1和图4，本实施例与实施例1-实施例3的不同之处在于，在步骤(2)中，将超声波头4对准待填孔2表面的微纳金属膏体1，对待填孔2中的微纳金属膏体1进行非对称波形的超声波处理，并让微纳金属膏体1向待填孔2底部移动的加速度大于其他方向的加速度，实现微纳金属膏体1的紧实化处理。
[0059]
具体地，在对微纳金属膏体1进行非对称波形的超声波处理时，超声波波形需要满足以下公式：
[0060]
|f
″
(t)
·
ε[f
″
(t)
]|
max
≤|f
″
(t)
·
ε[-f
″
(t)
]|
max
[0061]
其中，
[0062]
式中，f(t)为超声波波形函数，t为时间，ε
(x)
为阶跃函数，x为自变量，|f
″
(t)
·
ε[f
″
(t)
]|
max
代表正向加速度的最大值，|f
″
(t)
·
ε[-f
″
(t)
]|
max
代表负向加速度的最大值，且定
义正方向为指向待填孔2外，负方向为指向待填孔2内。
[0063]
同时，在对微纳金属膏体1进行非对称波形的超声波处理时，选择以下相同振幅不同频率的耦合函数，具体如下：
[0064][0065]
式中，n为自然数，t为时间，t为周期，a为振幅，ω1、ω2为圆频率。
[0066]
针对本实施例的紧实化处理方法，公开一种具体的实施方式，具体如下：
[0067]
样品基板3上的待填孔2为通孔，该通孔直径d为300nm，深度h为700nm。选用纳米银包铜颗粒制成的膏体作为填充料，纳米银包铜颗粒的粒径d＝0.001～0.1d。同时，选用超声波的频率分别为25khz和50khz，振幅a为24μm，如图5所示。
[0068]
实施例5
[0069]
本实施例与实施例4的不同之处在于，选择的函数为不同振幅相同频率的耦合函数，具体如下：
[0070][0071]
式中，n为自然数，t为时间，t为周期，a1、a2为振幅，ω为圆频率。
[0072]
针对本实施例的紧实化处理方法，公开一种具体的实施方式，具体如下：
[0073]
样品基板3上的待填孔2为通孔，该通孔直径d为300nm，深度h为700nm。选用纳米银包铜颗粒制成的膏体作为填充料，纳米银包铜颗粒的粒径d＝0.001～0.1d。同时，选用超声波的频率为30khz，振幅a1为24μm，a2为40μm，如图6所示。
[0074]
实施例6
[0075]
参见图7-图9，本实施例公开一种微孔填充工艺，包括以下步骤：
[0076]
(1)对样品基板3的待填孔2表面进行等离子清洗处理，使得微纳金属膏体与样品基板3浸润。接着，采用上述实施例1-实施例5任意一种微纳金属膏体填孔的紧实化处理方法，在样品基板的待填孔中填充微纳金属膏体并进行紧实化处理。通过等离子清洗机对样品基板3的待填孔2进行清洗，有利于改善待填孔2表面的润湿性能，以便微纳金属膏体1更加容易地进入待填孔2中，在清洗时所用的气体包括氩气、氢气、氮气、氧气、压缩空气、四氟化碳等。本实施例中所述的待填孔2，包括通孔、盲孔。
[0077]
(2)对样品基板3的待填孔2表面的微纳金属膏体1干燥处理，如图8所示。对待填孔2表面的微纳金属膏体1进行干燥处理，可采用激光、热辐射、热风、加热或以上方式与真空配合实现。同时，在干燥处理过程中，控制温度范围为：25℃-100℃。通过干燥处理，使得待填孔2中位于顶部的微纳金属膏体1的溶液蒸发，提高此位置的固含量，从而使得在后续继续填充涂覆微纳金属颗粒固体或固含量更高的微纳金属膏体时，更加容易地与待填孔2中
表面的微纳金属膏体融合，并且能够更加快速有效地将待填孔2中原来微纳金属膏体位于较下方的溶液被向上吸取，从而有效降低待填孔2中微纳金属膏体的溶液，进而提高后续热压烧结后的致密度。
[0078]
(3)向样品基板3的待填孔2表面继续添加固含量高于步骤(1)的微纳金属膏体1的微纳金属膏体5，形成微纳金属干湿混合体6，如图9所示。具体地，可添加固含量较高的微纳金属膏体5，也可添加100％固含量的微纳金属颗粒固体。这样，一方面能够利用其较高干燥度的微纳金属膏体去吸收原有的微纳金属膏体的水分，将待填孔2中底部的水分向上吸取，提高干燥度，减少水分；另一方面，能够向待填孔2中继续向下填充微纳金属颗粒，有效提高待填孔2中微纳金属膏体的固含量，也就是即干的金属粉末含量更高，实现高质密填充，避免发生孔洞与夹口填充等缺陷，在后续进行热压烧结时有利于提高填充后的结构稳定性以及最终的成品质量。
[0079]
(4)对样品基板的待填孔中的微纳金属干湿混合体6进行二次紧实化处理，如图9所示。具体地，通过滚压装置11对待填孔2中的微纳金属膏体干湿混合体6表面施压(也可采用冲压)，并同时产生振动，促进待填孔2外的微纳金属膏体5挤入到待填孔2中以及对待填孔2中的微纳金属膏体干湿混合体6进行压实；在施压前，可用石墨纸7包覆已填孔的样品基材，对包覆好的已填孔的样品基板3施加垂直于样品基板3表面的下压力，如图9所示。采用振动与施压的方式实现填充，简单方便，能够实现高质密填充，且不会发生孔洞与夹口填充等缺陷；另外，这样的填充工艺的填孔效率高，填充后结构稳定，质量更好。
[0080]
另外，本实施例中的二次紧实化处理，也可采用实施例1-实施例5中任意一种微纳金属膏体填孔的紧实化处理方法。
[0081]
(5)重复步骤(2)～(4)若干次。
[0082]
(6)对样品基板3待填孔2中的微纳金属干湿混合体6进行热压烧结，温度控制范围为：300℃以下，使微纳金属颗粒形成烧结筋，完成样品基板3的填孔加工。经过多次重复步骤(2)～(4)，即通过多次少量增加100％固含量的微纳金属颗粒固体或固含量较高的微纳金属膏体5，有利于让待填孔2中的填充料逐步压紧压实，并且其中的成分也发生变化，微纳金属的固体含量逐渐增高，从而有利于在待填孔2中填充高固含量的微纳金属，有效解决热压烧结后待填孔2的孔洞和夹口问题，并且有效提高导电导热性能，填孔质量明显提升。
[0083]
本实施例中，所述微纳金属膏体包括微纳金属颗粒以及醇类或醇基类溶液；所述微纳金属颗粒的粒径为5nm-100μm，并且，微纳金属膏体中微纳金属颗粒的直径小于待填孔2的直径，以便金属膏体伸入待填孔2中，建议微纳金属膏体中的微纳金属颗粒的直径是待填孔2直径的0.01～0.001倍；其中的微纳金属膏体可选用微纳银包铜膏体。本实施例中，其中的微纳金属颗粒可采用高导电低屈服强度纳米金属粉末，微纳金属颗粒可采用2-5级且粒径为5nm-100μm尺寸的颗粒；所述醇类或醇基类溶液包括松油醇、乙二醇、正丁醇和乙醇。当然，所述微纳金属膏体的成分和制作方法，可参见现有技术，例如申请公布号为cn102651249a的发明专利申请“铜纳米膏、形成其方法、和利用其形成电极的方法”和授权公告号为cn 109935563 b的发明专利“一种多尺寸混合纳米颗粒膏体及其制备方法”等。
[0084]
另外，微纳金属膏体的涂覆，通过点涂、打印或印刷的方式完成。当然，也可根据实际情况和需求，采用现有技术中的其他涂覆和置入方式。
[0085]
本实施例中的样品基板3或待填孔2的材料可以为：玻璃、硅、陶瓷、pi或者fr4。
[0086]
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。