改进厚度控制的最新金属镀层技术

作者：美国亚利桑那州滕比市CMC实验室    来源：Ringer

欢迎访问e展厅 展厅 7 喷涂/清洗/表面工程展厅 PVD涂层设备, 电镀设备, 热镀锌设备, 超声波清洗机, 静电喷粉机, ... 作者：G. CARRASCO, DR. J. HARRIS, T. BECKETT及E. RUBEL CMC实验室发明了一种能够有效控制金属电镀层厚度的新技术。CMC实验室把这种技术命名为“智能挂具（Smart Rack）”技术。与传统的、被动的镀层厚度控制技术如电流粉末镀层技术相比，CMC采用活性电镀工艺，从而实现了镀层厚度的优化控制。CMC公司发明的“智能挂具”技术除了有完全不同的挂具设计方案外，还有一套新的电镀电路。虽然这种技术是为电子设备或其他成套电子设备发明的，但是却能轻而易举地应用到现有的贵金属电镀领域。 这种技术备受关注的是它能使整个镀架上不同的镀层厚度分布变窄。缩小分布的宽度对贵金属镀层会产生极其重要影响，例如金、铂、钯、铑和铱。通常，当确定了这些贵金属的最小厚度后，镀层分布宽度将会变窄，所使用的金属会变少从而降低了成本。 对于其它金属镀层工艺来说，拥有更紧密的金属镀层分布十分重要。例如，目前大部分晶圆凸点电镀是通过低产量及高额的工具成本来完成。对于小于（<6英寸）的晶圆大小，则可使用智能挂具技术在挂架上一次碰撞多个晶圆。由于智能挂具技术仅能控制部件与部件间的镀层厚度，而无法控制一个部件的厚度分布，因此这种技术不适用于较大的晶圆凸点金属电镀件。 在共晶的混合液中将锡金合金镀于模块附着垫的器件上对于大功率电子电镀设备来说十分重要。然而，因为锡金合金的成分会随密度而发生变化。因此，在一个大型挂具上取得80/20比例的共晶十分困难。非共晶体的锡金合金在400摄氏度的工作温度下不能融化。 传统电镀使用的电镀挂具由导电能力强的金属，如铜或不锈钢做成。所有待镀的金属件都固定在挂具上。在电镀过程中，挂具依附于拥有恒定电流的电源（电镀整流器）。电流通过挂具框架，使电镀能够在镀件和电镀液或电解液的交界面上进行。 每个独立部件的电镀率取决于多种因素： ● 各独立电镀部件四周的电流密度 ● 各独立电镀件部位电镀液中的金属离子的分布情况 ● 临界面与电镀发生反应匹配的其它电子化学反应试剂 影响这些反应的宏观因素有： ● 各独立电镀件周围及各电镀件自身的电流密度 ● 电镀挂具横断面的电压降 ● 挂具上电镀件的摆放位置 ● 电镀率 ● 电化学环境的均匀性，包括化学反应、温度、搅拌导致的变化 上述所有这些变化均会导致电镀挂具不同生产批次的器件的电镀厚度发生改变。最典型的做法是，最厚的电镀件沿挂具的边缘摆放，最薄的电镀件摆放在靠近中心的位置。这种摆放的原因是镀件的金属离子流在挂具的边缘畅通无阻，但是在靠近中心的位置，周围的电镀件“掩蔽”临近电镀件的金属离子流。这种电镀离子流的竞争带来了更薄的沉积层和更低的电镀电流密度。 “智能挂具”概念的描述 智能挂具概念的基本特点是能够在电镀过程中单独地控制流经每个电镀部件的电流。这种独立的电流控制使人们能够主动地、直接地控制电镀过程，这可以非常明显地使镀层厚度带分布变窄。这种直接方法要比间接的诸如电流粉末镀层技术更加有效，调节范围更广。例如，如需要，同一挂具上的两个镀件的电流密度会因因素2或更多因素的变化发生变化。另外，这种方法实施和控制起来也更为容易，其原因在于电流密度的变化可以通过调节电镀输入值，而不是通过电镀槽或其他配置的物理变化来操作。 与传统电镀方法相比，为实现这一目标需做两个重要改变。首先，必须建立电镀挂具使其上的每个独立电镀件可与电镀挂具上的电流导体相连接，这样一个镀件与其它部件绝缘。挂具并非一个大导体，而是带有独立的电线或内嵌金属痕量的绝缘体。如图1所示。此图中，您可看到两个部件放置的地方的电流均被切断，在详图中，均显示每个部件与挂具顶部相接相互排列的金属踪迹。 制造这种型号的挂具是利用标准印刷电路板（PCB）技术，它能使较粗的铜线路并入增强纤维环氧绝缘体上，这种线路图可以被涂覆，以防电镀时受到其它化学品的腐蚀。智能挂具印制电路板技术的实例如图2所示。 第二个重要改变是一种新型电路的出现，它能控制预编制程序值中每个镀件的电流（后文将对这一电路作更详细的介绍）。这种电路给每个部件提供独立的、可编程的电流供应量。然而，由于采用微型控制器，整个电路可被制成微型的，甚至能够被安装在挂具中。 “智能挂具”的电镀效果 镀镍 这里叙述的第一组结果是在传统氨基磺酸镍电镀槽中进行的镀镍。在125摄氏度的镀槽温度下，整体电流密度为20安培/每平方英尺。镀件是铜制的。 电镀挂具可挂16个电镀部件，并能以两种不同的方式进行工作。如果所有的电镀位置被集体短路，这时，挂具就如传统的电镀挂具。如果每个导体能被单独控制，这样就能体现智能挂具的技术。 图3显示了两种不同位置的电镀厚度分布的宽度情况。第一种电镀图显示所有部件被集体短路，恒定电流流经整个挂具，该图采用的是传统的电镀槽设置。还可观察到整个分布的带宽是+/-20%，是典型的镀镍例子。 在第二个轮廓图中，各电镀部件的线路都被绝缘处理，恒定电流流经每个镀件。换句话说，智能挂具电路可使恒定电流流经每个部件，无需考虑部件在挂具中的具体位置。值得注意的是，在这种情况下，分布带宽可达+/-8.5%，大于轮廓图2。这一结果证明若恒定电流在电镀过程中流经每一个电镀部件则可获得明显缩小的分布带宽。 因为智能挂具技术具有极重要的灵活性，单独调整每一处的电流密度可减小分布带宽，从而得到进一步改进。这可使略薄于平均厚度的地方电流少量增加，并可使厚于平均厚度的地方电流少量减小。结果显示于轮廓图3中，其分布值为+/-3%。图4显示了该结果与之前的试验结果。 镀银 图5显示了镀银的结果。 讨论 上面的结果阐述了单独控制电流对电镀过程中镀层厚度带的减小有重要的影响，即使是像镍这样难以控制的材料。 该项技术另一个备受关注之处是轮廓图2和轮廓图3之间的对比情况。第一轮对比结果显示，在每次电镀时设置固定相同的恒定电流可产生最小的分布带宽值。 由于流经每个镀件的电流是不变的，轮廓图2的挂具上的镀层厚度差异则归因于部件表面电镀及非电镀电化学反应之间的差别。在厚度较低的镀件上略微增加电流密度，如轮廓图3所示，可清楚地看到其电镀率与平均厚度部件的电镀率相近。因此，如轮廓图3所示，电镀挂具上不同位置的电镀率的差别可通过调整电流密度来缩小。该概念已在图6中显示出来。 智能挂具电路的描述 控制电路由三个主要部分组成。一台计算机（也可以是一台微型控制器），一个主控电路以及每个部件所含的独立电流控制电路。计算机储存所有的编程信息，主控电路（MCC）可以测量每个独立电流控制电路（CCC）的电流大小并向电流控制电路提供所需的调整参数。 利用智能挂具技术的电镀过程有两个阶段。通过电镀段来编程控制电路运行。 编程阶段的关键步骤有： 1. 在程序中输入基极电流密度值 2. 输入电镀时间 3. 输入每个镀件需被镀的大小 4. 在基极电流的水平上输入每个部件的电流密度调整信息，如轮廓图3所示（如果未输入变化，所有部件的电流密度相同，如轮廓图2所示）。 5. 启动程序，开始电镀 以下所示在电镀循环过程中如何控制电路： 1. 每个单独的部件由其自身的恒定电流电路控制。在第一个阶段的电镀过程中，计算机向每个独立的恒定电流电路输送需要的电流密度值。 2. 电路中出现电流，开始电镀。 3. 主控电路读取第一个部件的电流值并与程序值进行比较。之后主控电路向恒定电流电路控制器输送任何所需的调整数据直至满足程序的要求为止。 4. 主控电路对下一个镀件进行扫描并重复相同过程。 5. 最后一个部件被调整后，主控电路回到第一个镀件并重复循环过程。 6. 这一过程一直持续到电镀循环作业完成为止。 因此，电流控制电路是每个独立部件的微型电流源。主控电路的目标是监控电流控制电路的输出并做出必要调整保证输出电流维持在理想值（计算机中的数值）内。每个部件所具有的独立电流控制电路尤为必要，旨在以最大的灵活性调整每个部件的电流。此外，智能挂具技术所具有的这种灵活性可以极大的缩小镀层厚度分布的范围。（图7所示控制电路图） 智能挂具技术的应用 智能挂具技术对提升业绩和改善生产工艺有着广泛而深远的影响。 ● 电镀贵金属可在满足最小厚度的情况下，减少材料的使用量，从而降低生产成本。主要的贵金属有金、铂、钯和铑。 ● 焊接物或共晶芯片附件所需的挂镀锡金件。在这种应用中，金和锡沉积于镀层表面并扩散。镀层厚度必须保持一致（+/-3%）使共晶成分融化。 ● 厚的镀层需均匀一致，如铜导体。因为导体可以非常厚（达50-500微米），铜层厚度的剧烈变化会导致成品的尺寸公差出现问题。 ● 电镀挂具上小于或等于6英寸的晶圆应采用碰撞方法进行，无需喷射电镀工进行操作。这样做的优点是高产出、低消耗。 这篇文章介绍了一种新的电镀技术，并对每个电镀位置进行单独控制。这种电子控制可以通过一种特制的控制电路来监视并调整每个电镀位置的电流量，从而达到预设的参数值。这种方法同样也需要一个由电子绝缘材料制作的挂具，并能够与每个电镀位置的电路相连。这种类型的挂具可采用印制电路板制造技术来制作，花费低，重量轻。 如果在每个电镀位置设定相同的电流值，就能优化镀层厚度的分布。然而，如果做出额外的细微调整使某些地方的厚度低于平均值，并且减小高于平均值厚度的面积，可得到更窄的分布带。人们曾讨论过所观察到的这种现象背后的基础电化学原理。 已显示镀镍和镀银的数据。镍的分布使用一种传统的“短路”挂具，所有的镀件集体连接于阴极，分布带为+/-20%，这是氨基碘磺镍的典型表现。如果所有的部件被单独控制并在相同的数值下运行，分布带宽下降到+/-8.5%。如果每个电镀位置的电流处于最佳状态，如上述所讨论的，分布带宽下降到+/-3%。对于银来说，结果近似。短路挂具具有+/-7.8%的分布宽度。恒定电流挂具的分布宽度下降到=/-5%，独立控制的挂具分布宽度值为+/-3.3%。 参考文献： 1、美国专利局1 2、半导体世界，2007年10月1日 作者简介： Thomas Beckett：是金属精饰方面的专家，同时是CMC实验室的电镀顾问，CMC实验室是一家技术解决方案公司，旨在为先进材料和所有电子互联网领域的客户提供可分析的实验级的电镀服务、程序管理以及市场研究。Thomas Beckett在金属加工领域拥有超过30年的工作经验。他在电化学以及诸如清洗、磷化处理、有机表面处理和包括镍铬、贵金属、化学镀镍和镀金在内的金属电镀方面有着广泛的经验。Thomas Beckett具备实验室制程专业知识，如湿度分析和仪器分析。他同时为印刷线路板、镍-金片生产线和其它专业设备设计并安装电镀设备。 Beckett曾任职于CMC Wireless Components公司和Nelco公司金属表面处理工程领域，他专注于通过解决现有问题以提升生产进度和生产率。近来Tom通过其公司——Tom Beckett Electrochemical Consulting为客户提供专业电镀工程援助。 Beckett获得了美国伊利诺斯州芝加哥州立大学的理学学士学位，同时他辅修了自然科学和数学。 Gabe Carrasco：是一位高级测试工程师。他在陶瓷封装测试方面拥有十余年的经验，Carrasco拥有丰富的知识、经验及判断力，以最有效的方式提供测量。他在Carborundum和CMC Wireless Components工作时拥有关键的技术和管理地位，起初他只是高级资格认证师，后来晋升为检测工程师、生产经理，再后来成为运营副董事。在CMC实验室，Carrasco是监督环境、热量和射频/电气测试的高级检测工程师。 Dr. J. Harris: 在过去的20年里，J. Harris博士在先进陶瓷材料和电子封装领域有领导性的作用。Harris博士现在是一家聚焦于将先进材料运用于电子设备的材料分析和咨询公司——CMC实验室的董事长。CMC提供一系列技术服务，包括相关材料的咨询，材料特性的分析与服务，模型制造和技术许可。Harris博士于1983年获得了布朗大学的固态物理学博士学位（美国罗德岛州普罗维登斯市）。他同时还是50多个出版物及书刊的作者，并且拥有20项美国专利。 Erich Rubel：主管及项目分析负责人。他在电子、航空航天领域中的质量、研发及失效分析实验方面拥有20余年的经验。他所拥有的教育与技术跨越了化学、冶金和材料科学等领域。Rubel在Honeywell公司工作时熟稔先进材料及处理过程，之后在CMC Wireless Components工作。目前，他管理CMC实验室的标准电子组件和冶金实验室。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/22/2010)