先進(jìn)封裝中的剪切電鍍

王　玉，郭帝江，趙曉明，周曉軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

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先進(jìn)封裝中的剪切電鍍

王玉，郭帝江，趙曉明，周曉軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

摘要：介紹了先進(jìn)封裝中的剪切電鍍單元及工作原理，對(duì)剪切電鍍對(duì)于電鍍效率以及鍍層均勻性的影響進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：剪切電鍍；擴(kuò)散邊界層；電鍍效率

1概述

采用電鍍的方法制作多層金屬結(jié)構(gòu)已經(jīng)在先進(jìn)封裝、晶圓級(jí)芯片尺寸封裝、倒裝芯片中得到廣泛應(yīng)用。從焊料凸點(diǎn)、銅柱、銅再分布層到3D封裝中TSV通孔填充等，每一種應(yīng)用都對(duì)電鍍工藝提出厚度均勻性、沉積平坦度、金屬粗糙度和避免有害空洞或雜質(zhì)等要求[1]。

剪切電鍍?cè)诮A處設(shè)計(jì)了剪切屏，剪切屏的快速移動(dòng)降低了晶圓表面流體擴(kuò)散邊界層的厚度，幫助溶液的三級(jí)電流分布效應(yīng)，抑制晶粒過(guò)快生長(zhǎng)，使獲得的鍍層均勻細(xì)密。同時(shí)，擴(kuò)散邊界層厚度的降低，提高了極限擴(kuò)散電流，使得電鍍效率提高。

2剪切電鍍?cè)?/p>

根據(jù)擴(kuò)散傳質(zhì)理論，緊靠晶圓表面附近的溶液有一薄層叫擴(kuò)散邊界層(擴(kuò)散邊界層的液體流速小于溶液對(duì)流區(qū)液體流速)，此層內(nèi)存在反應(yīng)粒子的濃度梯度，一般擴(kuò)散邊界層寬度大約10～100 μm。電鍍沉積的擴(kuò)散邊界層越薄，對(duì)流區(qū)與擴(kuò)散邊界層離子濃度差越小，產(chǎn)生三級(jí)電流分布效應(yīng)，利于有機(jī)添加劑快速到達(dá)晶圓表面(有效防止高電流密度區(qū)所產(chǎn)生的過(guò)鍍)，獲得的沉積鍍層越均勻[2]。同時(shí)，擴(kuò)散邊界層厚度的降低，使得極限擴(kuò)散電流增大，提高電鍍速率。

圖1　沉積表面邊界層對(duì)沉積速率的影響

圖2　剪切電鍍?cè)硎疽鈭D

3剪切電鍍單元結(jié)構(gòu)

剪切電鍍單元包括以下部分：晶圓夾具和晶圓片、剪切屏和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、工藝腔體、溶液儲(chǔ)槽、循環(huán)管閥系統(tǒng)、陽(yáng)極及固定裝置、電鍍電源系統(tǒng)等。其中，晶圓夾具和晶圓片、剪切屏、工藝腔體、陽(yáng)極及固定裝置組成剪切電鍍單元主體。

圖3　剪切電鍍單元主體示意圖

3.1剪切屏

位于晶圓支架兩側(cè)的兩個(gè)剪切屏連接在一起，由一對(duì)線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)震蕩。線性馬達(dá)遵循計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡。電機(jī)上下震蕩時(shí)觀察空轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)行程的長(zhǎng)度不斷變化著。這可以防止在溶液中形成駐波，導(dǎo)致電鍍晶圓上形成虛幻“圖像”。每個(gè)電鍍單元的左右線性電機(jī)互相連接。

剪切屏攪動(dòng)電鍍單元中緊靠晶圓表面附近的化學(xué)溶液，促使渡槽內(nèi)電鍍面上的溶液充分混合，有利于提高電鍍質(zhì)量和產(chǎn)量：

· 電鍍更均勻

· 攪動(dòng)使電鍍速率更高

· 攪動(dòng)去除電鍍過(guò)程中產(chǎn)生的截留的氣體，這些氣體阻礙沉積作用。

3.2工藝槽體

工藝槽體的附屬裝置主要包括：

· 循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)

· 即熱式加熱及溫控系統(tǒng)

· 直流導(dǎo)電系統(tǒng)

· 液位檢測(cè)系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括：

· 電鍍電流、電壓調(diào)節(jié)

· 電鍍時(shí)間控制

· 鍍液溫度自動(dòng)控制

· 循環(huán)過(guò)濾控制

· 鍍液溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)由溫控儀和PT100制式熱電阻組成，熱電阻外包聚四氟乙烯套管保護(hù)

· 鍍槽配套循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)，循環(huán)泵采用電磁離心泵，配合相應(yīng)濾筒及濾芯

3.3陽(yáng)極

電鍍單元中被電鍍的晶圓連接到直流電鍍電源的負(fù)端(陰極)，同時(shí)金屬陽(yáng)極連接到電源的正端(陽(yáng)極)。陰極和陽(yáng)極之間的空間填充有電鍍化學(xué)溶液。電流通過(guò)陽(yáng)極和化學(xué)溶液流向晶圓，形成電鍍。

根據(jù)使用的電鍍技術(shù)的不同，電鍍單元具有一種或兩種類型的陽(yáng)極：消耗型或被動(dòng)型(即非消耗型)。消耗性陽(yáng)極在電流流動(dòng)的作用下逐漸腐蝕。陽(yáng)極的正電荷離子溶解到化學(xué)溶液中，通過(guò)鍍槽向帶負(fù)電荷的陰極移動(dòng)，并最終沉積在陰極(晶圓)表面。被動(dòng)型陽(yáng)極作為簡(jiǎn)單的電鍍電氣端子，使電流在電鍍單元中流動(dòng)。

隨著時(shí)間的推移，被動(dòng)型陽(yáng)極不被消耗或腐蝕。為了確保被動(dòng)型陽(yáng)極不與偶爾的侵蝕性電鍍液發(fā)生反應(yīng)，被動(dòng)型陽(yáng)極通常鈦金屬制造，固體或網(wǎng)眼，鍍覆一層鉑(鍍鉑電極)或鈮。

3.4晶圓夾具

晶圓夾具主要包括：

1) 用于晶圓片密封的密封圈；

2) 吹氣孔、溝(用來(lái)保證晶圓片密封及平正)；

3) 用于CRS接觸密封環(huán)連接的導(dǎo)電彈性鋼圈；

4) 內(nèi)部設(shè)有陰極導(dǎo)電槽(預(yù)埋密封導(dǎo)電條、推動(dòng)片，密封導(dǎo)電條經(jīng)推動(dòng)片同導(dǎo)電彈性鋼圈連接)及吹氣用氣體通道。

3.5CRS接觸密封環(huán)結(jié)構(gòu)原理

外面為氟橡膠密封環(huán)，對(duì)晶圓起到主要的密封作用，其內(nèi)部通過(guò)注塑型式預(yù)埋接觸導(dǎo)電片，導(dǎo)電片上有鎖栓(主要

是與導(dǎo)電彈性鋼圈上的鎖孔互鎖起到電流導(dǎo)通及密封)、導(dǎo)電觸頭(均勻分布于接觸密封環(huán)上并在裝晶圓時(shí)與晶圓接觸并對(duì)晶圓通電)，鎖栓與導(dǎo)電觸頭為一體，材質(zhì)采用鈦材。

內(nèi)部密封導(dǎo)電結(jié)構(gòu)主要有導(dǎo)電條、推動(dòng)片，其材質(zhì)選用鈦材，導(dǎo)電條上端與不銹鋼接觸活塞觸點(diǎn)連接。

圖4　CRS接觸密封環(huán)結(jié)構(gòu)原理圖

4剪切電鍍工藝

磁力循環(huán)泵將儲(chǔ)槽內(nèi)的溶液經(jīng)過(guò)過(guò)濾裝置、熱交換器進(jìn)入主體底部，溶液從主體底部上升與晶圓片接觸，在此過(guò)程中，給晶圓片、陽(yáng)極接通電源系統(tǒng)，同時(shí)移動(dòng)剪切屏，完成晶圓的電鍍過(guò)程。

通過(guò)研究晶圓電鍍單元的三次電流分布，計(jì)算三次電流分布時(shí)考慮了溶液被剪切屏攪動(dòng)的流體動(dòng)力[3]。獲得的晶圓三次電流密度分布以及離子濃度分布表現(xiàn)為震蕩波形式，表明了剪切屏攪動(dòng)對(duì)于電流分布有很大的影響。并且分析發(fā)現(xiàn)晶圓與剪切屏之間的距離決定了晶圓三次電流分布的震蕩幅度。

通過(guò)晶圓與剪切屏之間距離的研究可以幫助我們控制晶圓上的電流分布，從而在將來(lái)更進(jìn)一步地改進(jìn)電鍍單元上鍍層的品質(zhì)。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在晶圓附近處增加剪切屏的快速移動(dòng)，降低了擴(kuò)散邊界層厚度，提高了極限擴(kuò)散電流，使得沉積速率加快，從而提高了電鍍效率，并且使鍍層均勻細(xì)致。

參考文獻(xiàn)

[1]段晉勝.晶圓精密電鍍中的垂直剪切鍍?cè)O(shè)備的研制[J].電子工藝技術(shù),2013(3):178-180.

[2]Tong L Z.Simulationstudy Oftertiary Current Distributions on Rotating Electrodes[J].Trans Inst Met Fin,2012(3):120-124.

[3]Averill A F,Mahmood H S.Determination of Tertiarycurrent Distribution Inelectrodeposition Cells-Part 1 Computational Techniques[J].Trans Inst Met Finish,75(6):228-233.

Shear Plating of the Advanced Packaging

Wang Yu, Guo Dijiang, Zhao Xiaoming, Zhou Xiaojun

(The2ndResearchInstituteofCETC,TaiyuanShanxi030024,China)

Abstract:The paper introduces the shear plate unit and the working principle of the advanced packaging, then makes a discussion on the effect of shear plating for plating efficiency and uniformity of the coating.

Key words:shear plating; diffusion boundary layer; plating efficiency

收稿日期：2016-03-09

作者簡(jiǎn)介：王玉(1986- )，男，山西臨汾人，助理工程師，碩士，主要從事濕法處理專用設(shè)備的研發(fā)工作。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)03- 0025- 02

中圖分類號(hào)：TN405

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A