整平劑及電流密度對電子封裝用銅微凸點(diǎn)電鍍的影響

李超，孫江燕，韓贏，曹海勇，孫紅旗，李明, *

（1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.上海新陽半導(dǎo)體材料股份有限公司，上海 201616）

1 前言

倒扣型封裝是通過芯片與基板間的凸點(diǎn)(Bump)鍵合取代傳統(tǒng)引線鍵合的一種封裝技術(shù)，該技術(shù)具有縮小芯片封裝尺寸、提高運(yùn)行頻率、減少寄生效應(yīng)以及提高封裝密度等優(yōu)勢。成本高是倒扣型封裝的主要不足，所用基板材料成本為引線鍵合的2 ～ 3倍，但與引線鍵合中所用金線相比，在金價飆升的背景下，2種技術(shù)的成本差距在縮小。另外，過去單位尺寸內(nèi)節(jié)點(diǎn)高于1 000時，2種封裝技術(shù)成本才有差異，而如今單位尺寸內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)高于 200時，倒扣型封裝的成本優(yōu)勢就已十分明顯。因此，許多電子器件開始選用倒扣型封裝技術(shù)。

倒扣型封裝在性能方面尚需改進(jìn)之處主要有：改善封裝部位的電熱性能，抑制因電流密度過高在金屬部位發(fā)生的電遷移，減少芯片和基板熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的可靠性問題，滿足未來封裝尺寸減小、節(jié)點(diǎn)越來越密集的需要[1-12]。

銅微凸點(diǎn)的制備方法很多，而電鍍最可行且最具成本優(yōu)勢。電鍍除成本低廉外，還有設(shè)備投資少、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，一旦工藝成熟便可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)?？紤]到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中成本和工藝的繁簡問題，電鍍制備銅微凸點(diǎn)最好可一次成型，而不需通過表面研磨或腐蝕等二次處理來滿足尺寸精度的要求。因此，開發(fā)可直接獲得表面平滑、尺寸大小均勻的銅微凸點(diǎn)電鍍技術(shù)，是目前該項(xiàng)技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵，備受業(yè)界關(guān)注。

本文研究了不同電流密度下 2種有機(jī)整平劑對銅微凸點(diǎn)電鍍的影響，探討了添加劑的作用機(jī)制，并通過優(yōu)化 2種整平劑間的配比和電流密度，制得表面平整、尺寸均一以及無需二次加工即可滿足工業(yè)要求的銅微凸點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)

2. 1 銅微凸點(diǎn)的制備

銅微凸點(diǎn)電鍍基材為已圖形化處理的芯片(2 cm ×2 cm)，見圖1。待鍍孔徑與深度為60 μm，為考察凸點(diǎn)密度的影響，在同一芯片上設(shè)計(jì)了 4種孔間距不同的圖形，孔中心距分別為180、240、300和360 μm。

圖1 所用芯片示意圖Figure 1 Schematic diagram of the applied chip

采用硫酸銅酸性鍍液，鍍液組成和工藝為：CuSO475 g/L，H2SO4100 g/L，Cl-50 mg/L，整平劑H和W 0 ～ 10 mg/L，(25 ± 2) °C，60 r/min，1 ～ 8 A/dm2，35 min。鍍液體積為15 L，電鍍前先對鍍液排氣處理1 min，具體電鍍、芯片光刻的工藝流程見圖2、圖3。其中，濺射銅種子層厚度為800 ～ 1 000 ?。

圖2 電鍍銅微凸點(diǎn)工藝流程Figure 2 Process flow for copper micro-bump plating

圖3 芯片光刻工藝流程Figure 3 Process flow for lithography of chips

2. 2 性能測試

2. 2. 1 銅微凸點(diǎn)形貌

先用 MPC-300光學(xué)顯微鏡(上海泰康)初步觀察銅微凸點(diǎn)的表面形貌，用 DektakXT表面形貌輪廓儀(布魯克公司)精確測量銅微凸點(diǎn)的高度全貌，再用NanoSEM 230掃描電鏡(NOVA公司)觀察凸點(diǎn)表面，以研究整平劑H和W在不同電流密度下對平整度的影響和變化規(guī)律。

2. 2. 2 極化曲線測定

采用CHI 660C電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)測定不同鍍液的電化學(xué)伏安曲線，電解槽為三電極二回路體系，工作電極(直徑 1.0 cm)和對電極均為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。線性掃描的測試電壓區(qū)間為0.1 ～ -0.4 V，掃描速率為5 mV/s，電流靈敏度初始為1 × 10-6A/V。

2. 2. 3 平整度分析

為定量分析整平劑作用，定義表面形貌參數(shù)h、h1和h2，具體見圖4。其中，h為銅微凸點(diǎn)高度，h1和h2為高低不平邊緣的高度上限和下限，平整度統(tǒng)一用(h1+h2)/2表示，用表面形貌輪廓儀測得各參數(shù)便可算得平整度。一般平整度越小，表明試樣表面越平整。

圖4 表征銅微凸點(diǎn)平整度的參數(shù)Figure 4 Parameters for characterization of smoothness of copper micro-bump

3 結(jié)果與討論

3. 1 整平劑的影響

為獲得宏觀表面平整均勻且微觀表面細(xì)膩光滑的微凸點(diǎn)，采用了宏觀整平劑H和微觀整平劑W 2種整平劑。

3. 1. 1 宏觀整平劑H的影響

保持微觀整平劑W為5 mg/L不變，在6 A/dm2下，研究宏觀整平劑H質(zhì)量濃度的變化對銅微凸點(diǎn)表面形貌的影響，結(jié)果見圖5、圖6。從圖5可知，隨H質(zhì)量濃度的升高，銅微凸點(diǎn)表面平整度有明顯變化，銅微凸點(diǎn)中部和邊緣之間的高度差異縮小。從圖 6可知，當(dāng)H的質(zhì)量濃度為3 mg/L時，銅微凸點(diǎn)的平整度明顯改善。高于3 mg/L時，繼續(xù)增大H的質(zhì)量濃度，平整度基本不變。總之，H的質(zhì)量濃度過低時，銅微凸點(diǎn)表面呈明顯凹狀；增大H的質(zhì)量濃度，銅微凸點(diǎn)的表面變得越來越平整。

圖5 整平劑H的質(zhì)量濃度不同時，銅微凸點(diǎn)的表面形貌(× 1 000)Figure 5 Surface morphologies of copper micro-bumps obtained at different mass concentrations of leveling agent H

圖6 整平劑H濃度對銅微凸點(diǎn)平整度的影響Figure 6 Effect of mass concentration of leveling agent H on surface smoothness of copper micro-bump

3. 1. 2 微觀整平劑W的影響

保持宏觀整平劑H的質(zhì)量濃度為5 mg/L不變，在6 A/dm2下，研究微觀整平劑W質(zhì)量濃度的變化對銅微凸點(diǎn)表面形貌的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 整平劑W的質(zhì)量濃度不同時，銅微凸點(diǎn)的表面形貌Figure 7 Surface morphologies of copper micro-bumps obtained at different mass concentrations of leveling agent W

從圖7可知，微觀整平劑W的質(zhì)量濃度較低時，電鍍生長出的晶粒比較粗大，宏觀上表現(xiàn)為如圖7a中粗糙的銅微凸點(diǎn)表面。整平劑W的質(zhì)量濃度為5 mg/L時，鍍層微觀形貌明顯改善，得到表面結(jié)晶細(xì)膩的銅微凸點(diǎn)。

3. 2 電流密度的影響

保持宏觀整平劑H、微觀整平劑W的質(zhì)量濃度分別為5 mg/L、4 mg/L不變，研究電流密度變化對銅微凸點(diǎn)表面形貌的影響。

觀察不同電流密度下所得樣品的表面形貌可知，小電流密度下電鍍得到的銅微凸點(diǎn)表面較平整；隨著電流密度升高，銅微凸點(diǎn)表面開始出現(xiàn)凹凸不平，且具有明顯的對稱性。圖 8選取了表面形貌差別較明顯的銅微凸點(diǎn)進(jìn)行比較，圖中凸點(diǎn)中心節(jié)距均為200 μm。

圖8 不同電流密度下銅微凸點(diǎn)的表面形貌Figure 8 Surface morphologies of copper micro-bumps obtained at different current densities

電流密度對銅微凸點(diǎn)有兩方面的作用。一方面，電流密度升高會提高銅的沉積速率，有利于提高生產(chǎn)效率；另一方面，電流密度過高會超出添加劑的作用范圍，影響電力線的分布，從而對銅微凸點(diǎn)的表面形貌造成不利影響，具體見圖9。

圖9 電流密度對銅微凸點(diǎn)的影響Figure 9 Effect of current density on copper micro-bump

從圖9a可知，電流密度升高加速了銅微凸點(diǎn)的生長。通常解釋為低電流密度下，鍍液中大量銅離子擴(kuò)散到界面處，可滿足電鍍所需的離子量。在低電流密度范圍內(nèi)，提高電流密度，表面離子的反應(yīng)效率升高，銅微凸點(diǎn)的生長速率隨之加快。從圖9b可知，電流密度低于6 A/dm2時，銅微凸點(diǎn)的平整度無明顯變化，表面保持平整；高于6 A/dm2時，銅微凸點(diǎn)的平整生長被破壞，表面又變得凹凸不平，這顯然與整平劑的作用范圍有明顯關(guān)系。

3. 3 整平劑的影響機(jī)制

分析影響機(jī)制前，如圖10定義已圖形化干膜上鍍孔的電力線分布。通過分析電鍍時的電力線分布來討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖10 鍍液中無添加劑時鍍孔的電力線分布及銅凸點(diǎn)形貌Figure 10 Distribution of electronic lines in via plating and surface morphology of copper bump when the bath is leveling agent-free

從圖10可知，未添加任何整平劑時，電力線容易聚集在鍍孔邊緣，導(dǎo)致銅沉積分布不均而形成凹狀，從而影響工業(yè)應(yīng)用的前景。

為研究整平劑H和W的整平作用，保持整平劑H或W的質(zhì)量濃度為5 mg/L不變，研究含不同質(zhì)量濃度整平劑 W 或 H的鍍液的陰極極化行為，結(jié)果見圖11。圖11a、圖11b中整平劑W、H的質(zhì)量濃度為5 mg/L。

圖11 整平劑H和W對銅電沉積陰極極化行為的影響Figure 11 Effects of leveling agents H and W on cathodic polarization of copper electrodeposition

從圖11可知，鍍液中整平劑H或W的質(zhì)量濃度變化時，銅的析出電位保持0.07 V不變。從圖11a可知，0.00 ～ -0.10 V范圍內(nèi)出現(xiàn)電流密度相對穩(wěn)定的平臺，隨整平劑H質(zhì)量濃度的增大，平臺處對應(yīng)的電流密度有所提高。由此可見，整平劑H對銅的析出有一定的促進(jìn)作用。

從圖11b可知，整平劑W的質(zhì)量濃度增大時，上述平臺處對應(yīng)的電流密度明顯下降，且平臺范圍變寬，說明整平劑W對銅的析出有較強(qiáng)的抑制作用。根據(jù)電鍍原理，這將增強(qiáng)陰極極化度，有利于獲得晶粒細(xì)小、微觀平滑的鍍層。圖7也充分證明了這一點(diǎn)。

綜上所述可知，整平劑H對銅微凸點(diǎn)表面具有宏觀整平作用，整平劑W具有微觀整平作用。如圖12a所示，整平劑H易沉積在電力線稀疏分散的區(qū)域，可加快中間區(qū)域的電鍍速率，彌補(bǔ)鍍孔中央和邊緣之間生長速率的差異[16-18]。因整平劑H可降低電鍍的電化學(xué)反應(yīng)激活能，加快銅的形核速率，其質(zhì)量濃度越高，銅微凸點(diǎn)表面越平整。如圖12b所示，微觀整平劑W黏度高[19-23]，很容易沉積在表面刺狀的微觀凸起處，起到圖7所示的微觀整平效果?？傊絼〩和W相互配合，共同作用使電鍍直接得到表面平整的銅微凸點(diǎn)(見圖13)。

圖12 整平劑H和W的作用機(jī)制示意圖Figure 12 Schematic diagram for action mechanism of leveling agents H and W

圖13 有整平劑時鍍孔的電力線分布及銅凸點(diǎn)形貌Figure 13 Distribution of electronic lines in via plating and surface morphology of copper bump in the present of leveling agent

另外，添加劑通過表面吸附來影響電沉積，而這種吸附能力和作用與電位和電流的大小直接相關(guān)。電流密度過大將會超出整平劑的作用范圍，出現(xiàn)圖10所示的現(xiàn)象，即整平劑失效，電鍍所得銅凸點(diǎn)重新變?yōu)橹虚g薄兩邊厚的凹狀。

4 結(jié)論

(1) 電力線易聚集在鍍孔壁邊緣，宏觀整平劑 H對銅的沉積具有催化作用，其可吸附于電力線分布相對稀疏的區(qū)域，從而縮小了鍍孔中部和邊緣生長速率之間的差距。

(2) 增大微觀整平劑W的質(zhì)量濃度，可使銅微凸點(diǎn)的微觀表面細(xì)膩平滑，主要是因?yàn)閃可吸附在微小毛刺的尖端，促進(jìn)微觀低洼部位銅的沉積。

(3) 一定范圍內(nèi)提高電流密度可加快銅微凸點(diǎn)生長；繼續(xù)增大電流密度，H的整平作用減弱甚至失效，銅微凸點(diǎn)表面又會變得凹凸不平。

(4) 添加劑H和W的質(zhì)量濃度均為5 mg/L、電流密度為6 A/dm2時，可直接電鍍得到表面平整、符合工業(yè)要求的銅微凸點(diǎn)。

5 致謝

本研究的很多制備與測試工作得到了上海交通大學(xué)國家金屬基復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和薄膜、薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及分析測試中心的大力支持，在此表示衷心的感謝。

[1] CHEN K M, LIN T S. Copper pillar bump design optimization for lead free flip-chip packaging [J]. Journal of Materials Science： Materials in Electronics, 2010, 21 (3)： 278-284.

[2] DIXIT P, TAN C W, XU L H, et al. Fabrication and characterization of fine pitch on-chip copper interconnects for advanced wafer level packaging by a high aspect ratio through AZ9260 resist electroplating [J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2007, 17 (5)： 1078-1086.

[3] EBERSBERGER B, LEE C. Cu pillar bumps as a lead-free drop-in replacement for solder-bumped, flip-chip interconnects [C] // Proceedings of 58th Electronic Components and Technology Conference, 2008： 59-66.

[4] HSU H J, HUANG J T, CHAO P S, et al. Surface modification on plating-based Cu/Sn/0.7Cu lead-free copper pillars by using polishing [J].Microelectronic Engineering, 2008, 85 (7)： 1590-1596.

[5] HUANG M, YEOW O G, POO C Y, et al. A study on copper pillar interconnect in flip-chip-on-module packaging [C] // Proceedings of 9th Electronics Packaging Technology Conference, 2007： 325-330.

[6] HUANG M, YEOW O G, POO C Y, et al. Intermetallic formation of copper pillar with Sn-Ag-Cu for flip-chip-on-module packaging [J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2008, 31 (4)：767-775.

[7] KEIGLER A, WU B, ZHANG J, et al. Pattern effects on electroplated copper pillars [C] // IWLPC (Wafer-Level Packaging) Conference Proceedings, 2006： 1-21.

[8] LEE S, GUO Y X, ONG C K. Electromigration effect on Cu-pillar (Sn)bumps [C] // Proceedings of 7th Electronic Packaging Technology Conference, 2005： 7-9.

[9] PANG J H L, WONG S C K, NEO S K, et al. Thermal cycling fatigue analysis of copper pillar-to-solder joint reliability [C] // Proceedings of 2nd Electronics System-Integration Technology Conference, 2008： 743-748.

[10] SA Y K, YOO S, SHIN Y S, et al. Joint properties of solder capped copper pillars for 3D packaging [C] // Proceedings of 60th Electronic Components and Technology Conference, 2010： 2019-2024.

[11] TUMMALA R R, MARKONDEYA RAJ P, AGGARWAL A, et al.Copper interconnections for high performance and fine pitch flip chip digital applications and ultra-miniaturized RF module applications [C] //Proceedings of 56th Electronic Components and Technology Conference,2006： 102-111.

[12] WANG T, TUNG F, FOO L, et al. Studies on a novel flip-chip interconnect structure. Pillar bump [C] // Proceedings of 51st Electronic Components and Technology Conference, 2001： 945-949.

[13] 劉忠安. 光刻工藝參數(shù)的優(yōu)化方法[J]. 半導(dǎo)體光電, 2001, 22 (1)： 52-53,61.

[14] 鄧濤, 李平, 鄧光華. 光刻工藝中缺陷來源的分析[J]. 半導(dǎo)體光電,2005, 26 (3)： 229-231.

[15] 來五星, 軒建平, 史鐵林, 等. 微制造光刻工藝中光刻膠性能的比較[J].半導(dǎo)體技術(shù), 2004, 29 (11)： 22-25.

[16] MOFFAT T P, WHEELER D, JOSELL D. Electrodeposition of copper in the SPS-PEG-Cl additive system—I. Kinetic measurements： Influence of SPS [J]. Journal of the Electrochemical Society, 2004, 151 (4)：C262-C271.

[17] DOW W P, HUANG H S, LIN Z. Interactions between brightener and chloride ions on copper electroplating for laser-drilled via-hole filling [J].Electrochemical and Solid-State Letters, 2003, 6 (9)： C134-C136.

[18] CAO Y, TAEPHAISITPHONGSE P, CHALUPA R, et al. Three-additive model of superfilling of copper [J]. Journal of the Electrochemical Society,2001, 148 (7)： C466-C472.

[19] TAN M, HARB J N. Additive behavior during copper electrodeposition in solutions containing Cl-, PEG, and SPS [J]. Journal of the Electrochemical Society, 2003, 150 (6)： C420-C425.

[20] HEALY J P, PLETCHER D, GOODENOUGH M. The chemistry of the additives in an acid copper electroplating bath： Part I. Polyethylene glycol and chloride ion [J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 1992, 338 (1/2)：155-165.

[21] ANDRICACOS P C, UZOH C, DUKOVIC J O, et al. Damascene copper electroplating for chip interconnections [J]. IBM Journal of Research and Development, 1998, 42 (5)： 567-574.

[22] OSBORN T, GALIBA N, KOHL P A. Electroless copper deposition with PEG suppression for all-copper flip-chip connections [J]. Journal of the Electrochemical Society, 2009, 156 (7)： D226-D230.

[23] FRANK A, BARD A J. The decomposition of the sulfonate additive sulfopropyl sulfonate in acid copper electroplating chemistries [J]. Journal of the Electrochemical Society, 2003, 150 (4)： C244-C250.