基于液态合金可控微切割的快速TSV技术以及在MEMS器件封装上的应用-顾杰斌

基于液态合金可控微切割的快速TSV技术以及在MEMS器件封装上的应用ApplicationsofTSVTSV的广泛应用领域!合金TSV的意义TSV的孔径小到几微米大到几百微米不等，但对于尺寸在几十微米到几百微米之间的TSV，至今仍然没有一种高效低成本的填充方式。对于这个尺度的TSV,主流的思想是想依靠将原来微米级尺度填充的铜电镀延申应用来实现。但是对于这个尺度的TSV,电镀工艺有些“力不从心”，存在着填充速度过慢，填充过程复杂，质量难以保证等问题。电镀是一种原子层级的沉积方式，对于这个尺度的TSV从根本上讲不再是一个合适的工具。从另一种视角看，在这个尺度上，液体的表面张力成为主导其形态的主要作用力。因此以表面张力的成型能力来实现这一尺度的TSV液态合金填充是一项非常具有应用价值的研究。“在一个给定的规模上，谨慎考虑不同力的比例因子可以揭示其中最相关的物理现象。表面张力的比例因子是S1，压力以及静电相关的力是S2，磁场力是S3，以及重力为S4。”--MEMS:ABriefOverviewbyDavidAskew,Mouser

ElectronicsCVD液态合金?丝网印刷0um10um500um

1mm200um电镀50um

100umTSV孔径(Log10)在这个尺度上，表面张力开始主导！不同封装应用中的TSV尺寸合金TSV的意义很

多

应

用

中

的TSV

的尺寸都落

在几十微米至一、二百多微米的范围中。--MEMS:ABriefOverviewbyDavidAskew,Mouser

Electronics液态合金压力填充铜电镀填充填充原理物理效应(基于表面张力)复杂的化学过程，本质上是原子级的沉积。填充速度几分钟需要几小时到几十个小时通充通孔大小对通孔孔径无选择性，可同时填充不同孔径的通孔只能填充相同孔径的通孔材料成本常用锡合金的成本很低铜电镀液成本较高，抑制剂和加速剂等添加剂的使用进一步提高成本前期/后期处理无需种子层填充前需要铺种子层；填充后需要化学机械抛光平整化安全性无毒电镀液有一定毒害性*此表格只争对尺寸较大的TSV

>~60um合金TSV的意义Liquidbridge

&Pinch-off

effectConstant-pressureLiquid

bridgeLiquidXReduceLiquidPressureCauseLiquidBridge

Rupture本技术使用恒压液桥的夹断效应实现液态合金的微切割。基于Capillary-bridge

pinch-offeffect

的液态合金可控切割技术常压液桥

(Constant-PressureLiquidBridge)水银体温计以类似的原理工作。W

afe

r-

to

-

filN

ozzle

w

aferN

ozzlePi(内部压力)ΔP拉普拉斯压力

Po(外部压力)吸入切割时间压力T

hrough-

holes V

entilatin

g

gapC

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w

aferPoPiL

iquid

A

loy

Pool填充结构图填充过程中液态合金在喷嘴和通孔中的变化图填充过程中的压力变化图每个喷嘴中的断裂都是独立的，不会相互影响。吸入与切割一起完成整个填充过程！SimulationinSurface

EvolverNozzlewithhigh

aspect-ratioReduce

liquidpressureReduce

liquidpressureNozzleViaViaNozzleNozzlewithlow

aspect-ratioϕ120μmϕ

30μmϕ120μmϕ

30μm喷嘴的尺寸是关键。同样的喷嘴孔径，只有长度达到一定值才能实现微切割。Conditionfor‘Micro-cutting’of

alloyPressureneededtosustainliquidin

via:Pressureneededtosustainliquidbridgein

nozzle:Working

condition:喷嘴孔的孔径需要小于被填充孔的一半，喷嘴孔的高宽比要大于Pi倍。Rupturepressureofconstant-pressureliquid

bridgeLaplace-youngequation:

Constant-pressureliquid

(恒压液桥)Non-wettablecapillary(不浸润毛细)Boundary

condition:设备研制试制设备样机设备研制—夹具争对圆片和小片填充设计制造的夹具液态合金填充工艺流程填充效果(1)TopTrailafterliquidbridge

ruptureBottom填充效果(2)TopTopBottomBottomTopBottomφ120um填充效果(3)TopBottomφ

375umφ

316umφ

255umφ

193umφ133um不同孔径一次填充填充效果(4)盲孔填充80um本技术的优势：1. 快速填充，只需几分钟。2. 可同时填充不同孔径的通孔和盲孔3. 可填充孔径之规格：几十微米至几百微米；

无高宽比要求；对通孔密度无限制。4. 通孔侧壁无需金属层。5. 可扩展至任意尺寸圆片。6. 适用基板类型：硅，玻璃，陶瓷等。7. 使用低成本的合金。8. 过程清洁，无污染。MEMS封装应用目前主流的MEMS封装形式集成液态合金TSV的MEMS圆片级封装形式A

S

ICC

apM

E

M

SC

apA

S

ICM

E

M

SC

apor• 简单工艺实现MEMS的TSV集成封装• 减小封装尺寸• 扩大晶圆产出率• 提高性能• 尺寸较大•无法兼容表面贴装技术(SMT)AlloyTSV

afterCapping(ATAC)工艺液态合金TSV填充C

apM

E

M

SM

E

M

SC

apM

E

M

SC

apM

E

M

SA

S

IC封盖引线键合互连使用这项技术，可以以简单工艺实现MEMS的TSV集成封装C

apM

E

M

SC

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E

M

SM

E

M

S盖板键合再布线(RDL)TSV填充盖板制作UBM制作ASIC集成M

E

M

SC

apC

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SA

S

ICM

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M

SC

ap基于液态金属TSV填充技术的MEMS圆片级封装工艺图MEMS封装应用

C

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SM

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SM

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ool(a1)(a2)(b1)(b2)(c)(d1)(d2)(d3)(e)(f)C

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