[发明专利]一种把金属材料插入玻璃的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种把金属材料插入玻璃以制造玻璃转接板的方法，以及实施该方法的装置，属于微电子封装技术中的三维堆叠技术领域。

背景技术

近年来，先进的封装技术已在IC制造行业出现，特别是三维(3D)封装首先突破传统的平面封装的概念，组装效率高达200％以上。在三维封装技术中，在单个封装体内可以堆叠多个芯片，实现了存储容量的倍增，业界称之为叠层式3D封装。其次，通过将芯片直接互连，互连线长度显著缩短，信号传输得更快且所受干扰更小。再次，通过将多个不同功能芯片堆叠在一起，使单个封装体能够实现更多的功能，从而形成系统芯片封装新思路。另外，采用3D封装的芯片还有功耗低、速度快等优点，这使电子信息产品的尺寸和重量减小了数十倍。通过垂直堆叠芯片建立3D封装结构，硅通孔(TSV)能够提供更高的封装集成度。3DTSV互连可以减小物理尺寸，节省有用的空间，缩短互连长度，减小信号延迟以加快运行速度。2008国际半导体技术路线图确立的最终目标是在单一系统上进行异质集成，TSV互连在这个目标中扮演着重要角色，它可以提供低成本、可靠的通孔制备技术，适合的通孔填充材料的选择，全新的电学和热学问题设计解决方案。

随着半导体技术的发展，用于SiP技术的转接板技术在高密度3D封装领域变得越来越重要了。但是由于制作成本和应用领域的限制，硅基转接板的应用受到了非常大的制约。对于转接板所用的玻璃，由于其良好的光学、电学、机械和化学稳定性等特性，具有广泛的应用。另外，由于玻璃的热膨胀系数与硅和III-V族元素非常接近，可以代替硅作为转接板材料。玻璃转接板中玻璃通孔(TGV)填充导电材料时，不需要钝化层。玻璃材料具有透光性和良好的折射率，因而对于光学器件的封装和集成具有广泛的应用。对于Schott公司所用的Borofloat 33玻璃来说，其传输损耗tanδ(1MHz)为37×10^-4，而介电常数ε_r(1MHz)为4.6，所以其传输损耗和介电常数都比硅低很多。由上述特性可知，玻璃基转接板在光学器件、射频和微波器件以及MEMS传感器等半导体器件的封装和集成中具有广泛的应用。

目前，玻璃基转接板的制作主要分为减成法和加成法。减成法技术制作转接板，是首先在玻璃板上形成孔的结构，然后在孔中填入导电材料形成电互连。在玻璃上形成孔的方法一般采用激光钻孔、超声钻孔、喷砂、干法刻蚀及湿法刻蚀等。德国IZM即采用激光钻孔的方法制作玻璃转接板来集成光电收发模块(参见Michaelet al.，“3-D Thin Film Interposer Based on TGV(Through Glass Vias)：An Alternative to Si-Interposer”，ECTC，2010，pp66-73)。英国拉夫堡大学蔡晓云等也是采用准分子激光器在厚度50微米和100微米的CMZ玻璃上刻蚀微孔，利用这种多层玻璃板制作高密度电互连结构(参见Xiaoyun Cui，“Glass as a Substrate for High Density Electrical Interconnect，2008”，10^th，EPTC，pp12-17)。采用激光钻孔的主要问题是孔的形貌控制困难，孔的两端尺寸差别很大，而且孔壁比较粗糙，给后续的填孔带来很大困难。此外，一些研究人员也试图利用压模方法在玻璃上制作微孔。例如美国专利US20090205372 A1公开了一种改进的减成法来制作玻璃转接板，即用带有微柱形阵列的模具压入软化的玻璃中，待玻璃固化后取出模具，则在玻璃上形成了孔的结构。这种方法制备微孔，模具取出比较困难，通常需要借助刻蚀等附加工艺过程。利用减成法制备玻璃通孔转接板，孔的制作只是第一步，还需要进行种子层的制作，电镀填孔，化学机械抛光等步骤。这些工艺不但复杂，设备昂贵，而且材料成本也很高。