集成電路封裝基板整板電鍍3 μm薄銅均勻性研究

向 靜 陳苑明 何 為

（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）

胡永栓 寶 玥 陳先明

（珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 519170）

集成電路封裝基板整板電鍍3 μm薄銅均勻性研究

向 靜 陳苑明 何 為

（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）

胡永栓 寶 玥 陳先明

（珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 519170）

文章以封裝基板整板電鍍3μm銅層作為電鍍均勻性研究的對(duì)象，考察了電鍍陰極邊條寬度、陽(yáng)極鈦籃間距、電鍍陰極邊條形狀、陰極擋板設(shè)計(jì)對(duì)電鍍銅均勻性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：全開(kāi)孔的陰極擋板對(duì)均勻性的改善優(yōu)于半封孔半開(kāi)孔設(shè)計(jì)；加寬陰極邊條寬為5cm，縮短陽(yáng)極鈦籃排布為15.2cm，改變陰極邊條形狀為鋸齒形的情況下，能夠滿足2.5μm±0.5μm的品質(zhì)要求，實(shí)現(xiàn)良好的電鍍均勻性。

均勻性；陰極邊條；陽(yáng)極鈦籃

封裝載板是芯片和印制電路板互連中不可缺少的部分，封裝載板其線路精細(xì)程度、引腳分布數(shù)、大小等要求都遠(yuǎn)高于印制電路板或背板。封裝載板技術(shù)從簡(jiǎn)單的雙面載板進(jìn)化到16層的超高密度載板，生產(chǎn)出了I/O數(shù)超過(guò)2000個(gè)，200 μm總厚度的超薄4層CSP載板等多種變化［1］。鍍層內(nèi)應(yīng)力控制問(wèn)題、掩膜電沉積厚度均勻性問(wèn)題、疊層結(jié)構(gòu)層間結(jié)構(gòu)問(wèn)題、高深寬度比空洞填充問(wèn)題［2］［3］，限制封裝載板精細(xì)化發(fā)展。

IC封裝載板作為PCB的一個(gè)分支，是在常規(guī)PCB要求的基礎(chǔ)上提出了更高要求［4］。3 μm銅電鍍的均勻性，一方面，均勻性越佳制作良率也越高；另一方面，3 μm銅層作為保護(hù)層，好的均勻性可以改善蝕刻產(chǎn)生的線路凹線或蝕刻過(guò)度等缺陷問(wèn)題［5］。因此，3 μm整板銅柱的均勻性對(duì)封裝基板制作十分重要。

理論上，只有當(dāng)陽(yáng)極與陰極平行，電極完全切過(guò)電解液時(shí)，電力線才互相平行并垂直于電極表面，此時(shí)電流有陰極表面分布就均勻［6］；但實(shí)際上，電力線易聚集在邊緣，棱角或者尖端區(qū)，導(dǎo)致邊緣的電力線密度較高，這種現(xiàn)象稱為邊緣效應(yīng)。整板電鍍的不均勻性主要是由于邊緣效應(yīng)導(dǎo)致陰極板兩邊緣電鍍銅較厚。 本文主要考察電鍍陰極邊條寬度、陽(yáng)極鈦籃排布、電鍍陰極邊條形狀、陰極擋板設(shè)計(jì)等影響電力線分布的因數(shù)來(lái)改善整板電鍍3 μm銅層的均勻性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及藥水

設(shè)備：穩(wěn)壓電源，龍門式電鍍線，磨拋機(jī)，金相顯微鏡，陰極擋板，陰極邊條。

電鍍液：市售通孔電鍍液，主要含有Cu2+、H2SO4、Cl-、光亮劑，抑制劑，整平劑等。

1.2 整板均勻性的研究

1.2.1 整板電鍍的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)每次取4塊表面層壓一層銅箔的FR4進(jìn)行整板電鍍均勻性研究，測(cè)試板在龍門線銅缸中排布從左到右依次為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)測(cè)試板，如圖1所示，每塊測(cè)試板測(cè)量36個(gè)點(diǎn)的銅厚。

實(shí)驗(yàn)步驟：開(kāi)料→電鍍前化學(xué)清洗→編號(hào)（從左至右測(cè)試板編號(hào)為1—4）→電鍍（鎳→銅→鎳）→取測(cè)試點(diǎn)制作切片→測(cè)量銅厚。

圖1 測(cè)試板在線上排布圖

實(shí)驗(yàn)共研究了4個(gè)因素對(duì)鍍銅均勻性的影響。考察因素分別為邊條位置、陽(yáng)極鈦籃分布間距、陰極邊條形狀、陰極擋板類型，如圖2。邊條位置對(duì)電鍍均勻性的影響主要考察了3 cm和5 cm寬度的邊條對(duì)整板均勻性的影響，如圖2（a）。陽(yáng)極鈦籃分布間距的影響主要考察了17.2 cm和15.2 cm，如圖2（b）。實(shí)驗(yàn)還研究了不同形狀的陰極邊條對(duì)電鍍均勻行的影響，如圖2（c）。對(duì)陰極擋板類型的影響研究主要對(duì)比了全開(kāi)孔和半開(kāi)孔半封孔擋板，如圖2（d）。

圖2 均勻性研究因素圖

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一采用1.1 A/dm2×12 m in的電鍍參數(shù)進(jìn)行3 μm薄銅電鍍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用金相顯微鏡進(jìn)行測(cè)量。對(duì)鍍銅層均勻性的評(píng)判指標(biāo)為：

均勻性數(shù)值越小，則均勻性越好［7］。

1.2.2 陰極邊條寬度對(duì)整板電鍍均勻性影響

由于邊緣效應(yīng)的影響，電力線在邊緣區(qū)域分布相對(duì)密集，通過(guò)增加邊條寬度可以降低測(cè)試板邊緣的電力線密度。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同寬度（3 cm和5 cm）的陰極邊條對(duì)均勻性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，對(duì)比邊條寬度為5 cm和3 cm時(shí)的電鍍均勻性，陰極邊條寬度由3 cm增加到5 cm，整板電鍍銅厚極值由2.01 μm降低到了1.73 μm，電流效率增加了1.9%。這是因?yàn)檫厳l越寬電力線密集區(qū)更多的集中在邊條上，故測(cè)試板邊緣的受到邊緣效應(yīng)的影響將會(huì)被減輕。正是由于電力線部分轉(zhuǎn)移到了邊條上從而導(dǎo)致測(cè)試板上的電流效率減低。

表1 不同寬度的邊條的測(cè)試結(jié)果

1.2.3 陽(yáng)極鈦籃間距對(duì)整板電鍍均勻性的影響

陽(yáng)極鈦籃的間距對(duì)電力線的分布也是至關(guān)重要的，故實(shí)驗(yàn)測(cè)試了陽(yáng)極鈦籃間距對(duì)電鍍均勻性的影響。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了陽(yáng)極鈦籃間距17.2 cm和15.2 cm條件下整板電鍍均勻性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同陽(yáng)極鈦籃間距的測(cè)試結(jié)果

表2數(shù)據(jù)說(shuō)明15.2 cm的鈦籃間距與17.2 cm的鈦籃間距相比整板電鍍銅厚極值從17.3 μm降低到了0.94 μm，最大值由3.74 μm降低到了3.12 μn。同時(shí)，中間兩塊測(cè)試板的厚度的平均值明顯提高，整體均勻性得到了極大的改善。陽(yáng)極鈦籃間距縮小不但將電力線向中間區(qū)域移動(dòng)，而且可以減小邊緣電力線密度，電力線均勻性改善也就意味著整板電鍍均勻性的提高。

1.2.4 陰極邊條形狀對(duì)整板電鍍均勻性的影響

電力線更容易分布在邊緣，尖端或者棱角處。本測(cè)試是通過(guò)改變陰極邊條邊緣形狀已達(dá)到邊緣長(zhǎng)度加大，尖端更多，棱角更多，以使測(cè)試板邊緣的電力線密度降低。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可知，均勻性由差到好的順序?yàn)椋?號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，在一定范圍內(nèi)，相對(duì)邊緣越長(zhǎng)、棱角數(shù)以及尖端數(shù)越多對(duì)其均勻性越好。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，相對(duì)邊緣越長(zhǎng)、棱角數(shù)以及尖端數(shù)越多，對(duì)電力線的吸引越大，則測(cè)試板受到邊緣效應(yīng)的影響也就越小，電力線分布相對(duì)均勻。同時(shí)，也能夠發(fā)現(xiàn)邊條吸引電力線越強(qiáng)，相對(duì)的電流效率也會(huì)減低，但減少量相對(duì)較小。

1.2.5 陰極擋板設(shè)計(jì)對(duì)整板電鍍均勻性的影響

電流在電極表面上的不均勻分布與電流在通過(guò)陰一陽(yáng)極間電解液時(shí)所遇到的阻力不同有關(guān)［8］。電力線穿過(guò)不同介質(zhì)之間的能力是不一樣的，所以當(dāng)在測(cè)試板兩邊添加不導(dǎo)電擋板同樣會(huì)影響電力線在陰極板上的分布。測(cè)試對(duì)比5 cm邊條和擋板，不同設(shè)計(jì)的擋板在均勻性改善中效果情況。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4表明5 cm的邊條比實(shí)驗(yàn)所用的擋板條件對(duì)均勻性的改善效果更好。5 cm的邊條條件下，測(cè)試板左右兩邊緣的銅厚最高；擋板條件下，則是測(cè)試板邊緣銅層較薄，尤其是塞孔的陰極擋板其最邊緣區(qū)域?yàn)闇y(cè)試整面最薄區(qū)域。擋板條件下的電流效率高于使用陰極邊條條件下的電流效率。三組實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果差異較為明顯的是1號(hào)和4號(hào)板，中間兩塊測(cè)試板的變化相對(duì)比較接近且均勻性良好。

表3 不同形狀邊條的測(cè)試結(jié)果

2 結(jié)果與討論

封裝載板作為集成電路互連的關(guān)鍵部分，均勻性對(duì)提高封裝載板的制作精密度、良率、以及降低成本較為重要。本文研究了陰極邊條寬度以及形狀、陽(yáng)極鈦籃位置、不同設(shè)計(jì)陰極擋板對(duì)3 μm整板電鍍銅層均勻性的影響；每組測(cè)試均可發(fā)現(xiàn)中間兩塊板的均勻性較兩邊兩塊測(cè)試板好；相對(duì)于3 μm的陰極邊條，5 cm的陰極邊條測(cè)試板的銅柱均勻性較好；陽(yáng)極鈦籃間距從17.2 cm減小到15.2 cm對(duì)均勻性的改善十分明顯，不僅提高了兩邊測(cè)試板的均勻性，中間兩塊板的均勻性也有顯著提高；通過(guò)改變陰極邊條形狀已達(dá)到增加相對(duì)邊緣、棱角數(shù)以及尖端數(shù)可以減輕邊緣效應(yīng)對(duì)測(cè)試板的影響，使用陰極邊條在減輕邊緣效應(yīng)的影響時(shí)也會(huì)略微降低電流效率；本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的陽(yáng)極擋板在不影響電流效率的條件下，也對(duì)邊緣效應(yīng)有一定的影響。

表4 不同形狀邊條的測(cè)試結(jié)果

［1］The electronics industry report［M］. Prism ark，2013:167-172.

［2］Luo J K， Chu D P， Flew itt A J， et al. Uniform ity control of Ni thin-film m icrostructures deposited by through-mask plating［J］. Journal of Electrochem ical society， 2005， 152（1）:C36-C41.

［3］Toshikazu O， Tamie K， Kazyo K， Patterned copper plating layer thickness made uniform by placement auxiliary grid electrode about ball GRID arrays［J］. Chemical ENGINEERING Communications， 2006，193:1503-1513.

［4］華嘉楨. IC封裝基板的新一代過(guò)孔互連技術(shù)［J］. 印制電路信息， 2010（12）:42-46.

［5］Stephen Kenny，Nina Dambrow sky and Olivier M ann. Via Filling: Challenges for the Plating Process for Conveyorised Production， Packaging，Assembly and Circuits Technology Conference，Taipei，2012:251-254.

［6］馮立明. 電鍍工藝與設(shè)備［M］. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社， 2005，8.

［7］Hou jun Hsu， Jung Tang Huang， Pe shan chao，Sheng Hsiung Shih. Surface m odification on p lating-based Cu/Sn/0.7Cu lead-free copper，M icroelectronic Engineering， 85（2008）:1595-601.

［8］黃慧民，曾振歐. 應(yīng)用電化學(xué)［M］. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社，1995:2 4 9-53.

向靜，電子科技大學(xué)在讀博士生，師從何為教授，從事集成電路封裝基板制造技術(shù)及材料研究。論文工作獲得了廣東省2013年重大專項(xiàng)的資助（項(xiàng)目編號(hào)：2013A090100005）。

更 正

本刊10月期，P42頁(yè)，方克洪的《高熱可靠性高CTI覆銅板的開(kāi)發(fā)與性能研究The Development and Performance Research of the Copper Clad Laminate w ith High CTI and High Thermal Reliability》一文中，圖3更正如下：

Study on uniform ity of entire board 3 μm copper p lating for Integrated Circuit Substrate

XIANG Jing CHEN Yuan-ming HE Wei HU Yong-shuan BAO Yue CHEN Xian-ming

In this paper， electroplating copper layer to the 3μm substrate whole plate is the research object of uniform electroplating. The article exam ines how the w idth of sidebar， the arrangement of anode titaniμm basket， the shape design of sidebar ， the design of cathode baffle impact electroplating copper on uniformity. The experimental results show that open hole cathode baffle on the uniform ity is better than the design that half of the baffle isn’t hole and half is open hole； under the condition of w idening cathode strake w idth of 5cm， shorten the anodized titaniμm basket arrangement for 15.2cm， change the cathode edge shape can meet the quality requirements: 2.5μm + 0.5μm，and achieve good plating uniformity.

Uniform ity； The Cathode Strake； The Anodized Titaniμm Basket

TN41

A

1009-0096（2015）12-0048-05