基于微流原理的通孔互联填充方法可行性研究

Through-Silicon Via(TSV) is a vertical feed-through interconnection technology, which is very important for advanced packaging. TSV not only dramatically reduces packaging footprint and energy consumption of devices, but also provides better anti-noise performance. Through-hole filling is the most difficult step in TSV fabrication. Currently Copper-plate is the most studied and used method for through-hole filling. However electro-plating is an atom-level deposition technology, which limits its filling efficiency. Using pressure differential to fill through-hole with liquid alloy is a much faster and cost-efficiency filling process for TSV with size from tens to hundreds of microns. But so far this method suffers from poor filling quality, furthermore the process is limited to die-level and not clean. In this project, we propose that using droplet formation mechanism in micro-fluidic to achieve “controlled-cut” between filled alloy pillars and liquid alloy surface. By this method, the filling quality of alloy can be dramatically improved. In addition, the method employs a “sandwich” structure, which not only make the process much cleaner, but also eliminate pressure differential during filling, thus make it scalable to wafer-level. The research can highly increase the probability of alloy-filling as a TSV fabrication method.

硅通孔互连(TSV)是穿透基片的垂直电互连技术，是先进封装中极其重要的技术。通孔互连可以显著减少器件的封装尺寸，降低能耗和提供更好的抗噪性能。在通孔互连制造中，通孔填充是难度最大的一步。铜电镀是目前研究最成熟使用最广泛的通孔填充方法。但这种原子层级的沉淀技术从本质上限制了其填充的速率。使用压力差将液态合金填充入通孔具有速度快成本低的优势，非常适合于几十到几百微米尺寸通孔的填充。但现在的合金填充方法存在着填充质量低，填充过程不清洁以及无法扩展到圆片级等问题。本项目提出并研究利用微流(Micro-fluidic)的微液滴分离技术，实现填入通孔中的微合金柱与合金液面的可控“切割“，从而可以显著的提高合金填充的质量。此外使用的“三明治”结构不仅保证了填充过程的清洁性，而且消除了填充片两面的压力差从而可以使这种方法扩展到圆片级。本项目的研究将极大的提高合金填充作为通孔互联制造的可行性。

随着半导体器件进一步向微型化发展，并且摩尔定律也渐渐走到极限。器件的微型化的主要推动力渐渐从先进封装获得。硅过孔互连(Through-silicon via: TSV)是一项穿透硅基板的垂直电互连技术，相对于传统的金线键合互连，TSV具有可以使封装尺寸更小，并且因为极大的缩短了互连的长度，在电性能方面也有较大的提升。TSV可以说是半导体先进封装的核心技术。.目前电镀几乎是唯一的TSV填充方法，但是电镀液有毒害，容易造成污染，而且填充速度也较慢。将融化的金属来实现TSV的金属填充一直受到业界和科研机构的兴趣，但相关机构的研究只停留在小片填充阶段，而且在孔的侧壁需要预镀金属层，对实际应用非常有限。.本项目研究了一项基于液桥夹断原理的TSV填充技术，这项液态合金合金填充技术最大的特点是使用了MEMS喷嘴片，即合金是通过MEMS喷嘴片进行TSV填充。并且在MEMS喷嘴片中通过恒压液桥进行夹断来实现填充。针对这项技术，本项目研究的内容包括液桥的夹断原理，液桥与毛细管的夹断条件；三种MEMS喷嘴片的结构，设计与制造；专用填充设备的结构、设计和试制以及基于恒压液桥夹断的TSV填充原理的实验验证。.本项目取得以下研究成果：计算出液桥切割的条件，以及可以实现填充的喷嘴尺寸条件，从而可用于MEMS喷嘴片的设计。探索出三种可行的MEMS喷嘴片结构，分别是孔对孔结构，线阵列结构和面补偿结构。完成了液态合金填充设备的基本结构的设计和研制。本项目试制了一台专用填充设备样机。该样机主要包括以下几个结构：作为整个设备的核心部分的工艺腔，气体管路、阀门、传感器部分，工控机和工艺控制程序和界面；用于观察填充情况的摄像头等。在试制设备上，完成了三种MEMS喷嘴片的TSV填充试验。.本项目的研究意义于在于为国民经济提供了一种快速无污染的液态合金TSV技术的可行性。