先进封装中的剪切电镀

王　玉，郭帝江，赵晓明，周晓军

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)



先进封装中的剪切电镀

王玉，郭帝江，赵晓明，周晓军

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

摘要：介绍了先进封装中的剪切电镀单元及工作原理，对剪切电镀对于电镀效率以及镀层均匀性的影响进行了探讨。

关键词：剪切电镀；扩散边界层；电镀效率

1概述

采用电镀的方法制作多层金属结构已经在先进封装、晶圆级芯片尺寸封装、倒装芯片中得到广泛应用。从焊料凸点、铜柱、铜再分布层到3D封装中TSV通孔填充等，每一种应用都对电镀工艺提出厚度均匀性、沉积平坦度、金属粗糙度和避免有害空洞或杂质等要求[1]。

剪切电镀在近晶圆处设计了剪切屏，剪切屏的快速移动降低了晶圆表面流体扩散边界层的厚度，帮助溶液的三级电流分布效应，抑制晶粒过快生长，使获得的镀层均匀细密。同时，扩散边界层厚度的降低，提高了极限扩散电流，使得电镀效率提高。

2剪切电镀原理

根据扩散传质理论，紧靠晶圆表面附近的溶液有一薄层叫扩散边界层(扩散边界层的液体流速小于溶液对流区液体流速)，此层内存在反应粒子的浓度梯度，一般扩散边界层宽度大约10～100 μm。电镀沉积的扩散边界层越薄，对流区与扩散边界层离子浓度差越小，产生三级电流分布效应，利于有机添加剂快速到达晶圆表面(有效防止高电流密度区所产生的过镀)，获得的沉积镀层越均匀[2]。同时，扩散边界层厚度的降低，使得极限扩散电流增大，提高电镀速率。

图1　沉积表面边界层对沉积速率的影响

图2　剪切电镀原理示意图

3剪切电镀单元结构

剪切电镀单元包括以下部分：晶圆夹具和晶圆片、剪切屏和驱动机构、工艺腔体、溶液储槽、循环管阀系统、阳极及固定装置、电镀电源系统等。其中，晶圆夹具和晶圆片、剪切屏、工艺腔体、阳极及固定装置组成剪切电镀单元主体。

图3　剪切电镀单元主体示意图

3.1剪切屏

位于晶圆支架两侧的两个剪切屏连接在一起，由一对线性电机驱动，同时震荡。线性马达遵循计算运动轨迹。电机上下震荡时观察空转发现，运动行程的长度不断变化着。这可以防止在溶液中形成驻波，导致电镀晶圆上形成虚幻“图像”。每个电镀单元的左右线性电机互相连接。

剪切屏搅动电镀单元中紧靠晶圆表面附近的化学溶液，促使渡槽内电镀面上的溶液充分混合，有利于提高电镀质量和产量：

· 电镀更均匀

· 搅动使电镀速率更高

· 搅动去除电镀过程中产生的截留的气体，这些气体阻碍沉积作用。

3.2工艺槽体

工艺槽体的附属装置主要包括：

· 循环过滤系统

· 即热式加热及温控系统

· 直流导电系统

· 液位检测系统

控制系统主要包括：

· 电镀电流、电压调节

· 电镀时间控制

· 镀液温度自动控制

· 循环过滤控制

· 镀液温度自动控制系统由温控仪和PT100制式热电阻组成，热电阻外包聚四氟乙烯套管保护

· 镀槽配套循环过滤系统，循环泵采用电磁离心泵，配合相应滤筒及滤芯

3.3阳极

电镀单元中被电镀的晶圆连接到直流电镀电源的负端(阴极)，同时金属阳极连接到电源的正端(阳极)。阴极和阳极之间的空间填充有电镀化学溶液。电流通过阳极和化学溶液流向晶圆，形成电镀。

根据使用的电镀技术的不同，电镀单元具有一种或两种类型的阳极：消耗型或被动型(即非消耗型)。消耗性阳极在电流流动的作用下逐渐腐蚀。阳极的正电荷离子溶解到化学溶液中，通过镀槽向带负电荷的阴极移动，并最终沉积在阴极(晶圆)表面。被动型阳极作为简单的电镀电气端子，使电流在电镀单元中流动。

随着时间的推移，被动型阳极不被消耗或腐蚀。为了确保被动型阳极不与偶尔的侵蚀性电镀液发生反应，被动型阳极通常钛金属制造，固体或网眼，镀覆一层铂(镀铂电极)或铌。

3.4晶圆夹具

晶圆夹具主要包括：

1) 用于晶圆片密封的密封圈；

2) 吹气孔、沟(用来保证晶圆片密封及平正)；

3) 用于CRS接触密封环连接的导电弹性钢圈；

4) 内部设有阴极导电槽(预埋密封导电条、推动片，密封导电条经推动片同导电弹性钢圈连接)及吹气用气体通道。

3.5CRS接触密封环结构原理

外面为氟橡胶密封环，对晶圆起到主要的密封作用，其内部通过注塑型式预埋接触导电片，导电片上有锁栓(主要

是与导电弹性钢圈上的锁孔互锁起到电流导通及密封)、导电触头(均匀分布于接触密封环上并在装晶圆时与晶圆接触并对晶圆通电)，锁栓与导电触头为一体，材质采用钛材。

内部密封导电结构主要有导电条、推动片，其材质选用钛材，导电条上端与不锈钢接触活塞触点连接。

图4　CRS接触密封环结构原理图

4剪切电镀工艺

磁力循环泵将储槽内的溶液经过过滤装置、热交换器进入主体底部，溶液从主体底部上升与晶圆片接触，在此过程中，给晶圆片、阳极接通电源系统，同时移动剪切屏，完成晶圆的电镀过程。

通过研究晶圆电镀单元的三次电流分布，计算三次电流分布时考虑了溶液被剪切屏搅动的流体动力[3]。获得的晶圆三次电流密度分布以及离子浓度分布表现为震荡波形式，表明了剪切屏搅动对于电流分布有很大的影响。并且分析发现晶圆与剪切屏之间的距离决定了晶圆三次电流分布的震荡幅度。

通过晶圆与剪切屏之间距离的研究可以帮助我们控制晶圆上的电流分布，从而在将来更进一步地改进电镀单元上镀层的品质。

5结束语

通过在晶圆附近处增加剪切屏的快速移动，降低了扩散边界层厚度，提高了极限扩散电流，使得沉积速率加快，从而提高了电镀效率，并且使镀层均匀细致。

参考文献

[1]段晋胜.晶圆精密电镀中的垂直剪切镀设备的研制[J].电子工艺技术,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

作者简介：王玉(1986- )，男，山西临汾人，助理工程师，硕士，主要从事湿法处理专用设备的研发工作。

文章编号：1674- 4578(2016)03- 0025- 02

中图分类号：TN405

文献标识码：A