王　玉，郭帝江，趙曉明，周曉軍

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

?

先進封裝中的剪切電鍍

王玉，郭帝江，趙曉明，周曉軍

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

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

關鍵詞：剪切電鍍；擴散邊界層；電鍍效率

1概述

采用電鍍的方法制作多層金屬結構已經在先進封裝、晶圓級芯片尺寸封裝、倒裝芯片中得到廣泛應用。從焊料凸點、銅柱、銅再分布層到3D封裝中TSV通孔填充等，每一種應用都對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等要求[1]。

剪切電鍍在近晶圓處設計了剪切屏，剪切屏的快速移動降低了晶圓表面流體擴散邊界層的厚度，幫助溶液的三級電流分布效應，抑制晶粒過快生長，使獲得的鍍層均勻細密。同時，擴散邊界層厚度的降低，提高了極限擴散電流，使得電鍍效率提高。

2剪切電鍍原理

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

圖1　沉積表面邊界層對沉積速率的影響

圖2　剪切電鍍原理示意圖

3剪切電鍍單元結構

剪切電鍍單元包括以下部分：晶圓夾具和晶圓片、剪切屏和驅動機構、工藝腔體、溶液儲槽、循環(huán)管閥系統(tǒng)、陽極及固定裝置、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

位于晶圓支架兩側的兩個剪切屏連接在一起，由一對線性電機驅動，同時震蕩。線性馬達遵循計算運動軌跡。電機上下震蕩時觀察空轉發(fā)現，運動行程的長度不斷變化著。這可以防止在溶液中形成駐波，導致電鍍晶圓上形成虛幻“圖像”。每個電鍍單元的左右線性電機互相連接。

剪切屏攪動電鍍單元中緊靠晶圓表面附近的化學溶液，促使渡槽內電鍍面上的溶液充分混合，有利于提高電鍍質量和產量：

· 電鍍更均勻

· 攪動使電鍍速率更高

· 攪動去除電鍍過程中產生的截留的氣體，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)過濾系統(tǒng)

· 即熱式加熱及溫控系統(tǒng)

· 直流導電系統(tǒng)

· 液位檢測系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括：

· 電鍍電流、電壓調節(jié)

· 電鍍時間控制

· 鍍液溫度自動控制

· 循環(huán)過濾控制

· 鍍液溫度自動控制系統(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

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

3.3陽極

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

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

隨著時間的推移，被動型陽極不被消耗或腐蝕。為了確保被動型陽極不與偶爾的侵蝕性電鍍液發(fā)生反應，被動型陽極通常鈦金屬制造，固體或網眼，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(用來保證晶圓片密封及平正)；

3) 用于CRS接觸密封環(huán)連接的導電彈性鋼圈；

4) 內部設有陰極導電槽(預埋密封導電條、推動片，密封導電條經推動片同導電彈性鋼圈連接)及吹氣用氣體通道。

3.5CRS接觸密封環(huán)結構原理

外面為氟橡膠密封環(huán)，對晶圓起到主要的密封作用，其內部通過注塑型式預埋接觸導電片，導電片上有鎖栓(主要

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

內部密封導電結構主要有導電條、推動片，其材質選用鈦材，導電條上端與不銹鋼接觸活塞觸點連接。

圖4　CRS接觸密封環(huán)結構原理圖

4剪切電鍍工藝

磁力循環(huán)泵將儲槽內的溶液經過過濾裝置、熱交換器進入主體底部，溶液從主體底部上升與晶圓片接觸，在此過程中，給晶圓片、陽極接通電源系統(tǒng)，同時移動剪切屏，完成晶圓的電鍍過程。

通過研究晶圓電鍍單元的三次電流分布，計算三次電流分布時考慮了溶液被剪切屏攪動的流體動力[3]。獲得的晶圓三次電流密度分布以及離子濃度分布表現為震蕩波形式，表明了剪切屏攪動對于電流分布有很大的影響。并且分析發(fā)現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，從而在將來更進一步地改進電鍍單元上鍍層的品質。

5結束語

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

參考文獻

[1]段晉勝.晶圓精密電鍍中的垂直剪切鍍設備的研制[J].電子工藝技術,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備的研發(fā)工作。

文章編號：1674- 4578(2016)03- 0025- 02

中圖分類號：TN405

文獻標識碼：A