2013年國內電鍍銅技術應用分析

    電鍍銅層因其具有良好的導電性、導熱性和機械延展性等優點而被廣泛應用于電子信息產品領域，電鍍銅技術也因此滲透到了整個電子材料制造領域，從印制電路板（PCB）制造到IC封裝，再到大規模集成線路（芯片）的銅互連技術等電子領域都離不開它，因此電鍍銅技術已成為現代微電子制造中必不可少的關鍵電鍍技術之一。電子行業的電鍍銅技術含量很高，電鍍銅層的功能、質量和精度以及電鍍方法等方面與傳統的裝飾性防護性電鍍銅技術有所不同。

    中國的電子信息產業正在迅速崛起，有資料表明，中國的印制電路產值2003年已經超過美國居世界第二位，成為名副其實的PCB生產大國，并且有望在2008年超過日本居世界第一，而以上海為中心的長三角地區的集成電路產業也在飛速發展，逐漸成為該地區的支柱性產業[1-3]。這些產業的發展必將推動電鍍銅技術的應用領域進一步擴大。

    為了滿足具有高科技含量電子產品制造的要求，出現了許多新的電鍍銅技術，如脈沖電鍍銅技術、水平直接電鍍銅技術、超聲波電鍍銅技術、激光誘導選擇電鍍銅技術等。

    PCB制作

    印制板上的小孔具有至關重要的作用，通過它不僅可以實現印制板各層之間的電氣互連，還可以實現高密度布線。一張印制板上常常具有成千上萬個小孔，有的多達數萬個甚至十萬個。在這些孔中不僅有貫通于各層之間的導通孔還有位于印制板表層的盲孔和位于內部的埋孔，而且孔徑大小不一，位置各異。因此，孔內銅金屬化的質量就成為決定印制板層問電氣互連的關鍵。

    傳統的印制板孔金屬化工藝主要分2步：

    一是通過化學鍍銅工藝在鉆孔上形成一層導電薄層(厚度一般為0．5pm)，

    二是在已經形成的化學鍍銅層上再電鍍一層較厚的銅層(20岬左右)。

    但是化學鍍銅層存在以下問題：

    (1)鍍速比較慢，生產效率低，鍍液不穩定，維護嚴格；

    (2)使用甲醛為還原劑，是潛在的致癌物質且操作條件差；

    (3)使用的EDTA等螯合劑給廢水處理帶來困難；

    (4)化學鍍銅層和電鍍層的致密性和延展性不同，熱膨脹系數不同J剛，在特定條件下受到熱沖擊時容易分層、起泡，對孔的可靠性造成威脅。基于以上幾點，人們開發出了不使用化學鍍銅而直接進行電鍍銅的工藝。

    該方法是在經過特殊的前處理后直接進行電鍍銅，簡化了操作程序。隨著人們環保意識的增強，又由于化學鍍銅工藝存在種種問題，化學鍍銅必將會被直接電鍍銅工藝所取代。

    PCB電路圖形制作

    除了印制板的孔金屬化工藝用到電鍍銅技術外，在印制板形成線路工藝中也用到電鍍銅。一種是整板電鍍，另外一種是圖形電鍍。整板電鍍是在孔金屬化后，把整塊印制板作為陰極，通過電鍍銅層加厚，然后通過蝕刻的方法形成電路圖形，防止因化學鍍銅層太薄被后續工藝蝕刻掉而造成產品報廢。圖形電鍍則是采取把線路圖形之外部分掩蔽，而對線路圖形進行電鍍銅層加厚。制造比較復雜的電路常常把整板電鍍與圖形電鍍結合起來使用。

    IC封裝技術的應用

    電鍍銅在電子封裝上應用的也比較多。例如BGA，gBGA等封裝體的封裝基板布線及層問的互連(通過電鍍銅填充盲孔)都要用到電鍍銅技術pJ。又如，IC封裝載板越來越多地采用COF(ChipOnFlexibleprintedboard)的形式，也稱為覆晶薄膜載板。該載板是高密度多層撓性印制板，也是通過電鍍銅來實現布線及互連。

    因為銅鍍層具有良好的導電、導熱性，倒裝芯片FCfFlipChip)載板上的電極凸點先經電鍍銅形成凸點后接著電鍍金膜，最后再與芯片上的鋁電極相連接[1引。

    超大規模集成電路芯片(ULSI芯片)中銅互連

    目前，ULSI中電子器件的特征線寬已由微米級降低到亞微米級，并且有不斷降低的趨勢。在此條件下，由于互連線的RC延遲和電遷移引起的可靠性問題

    與集成線路速度這對矛盾就表現得更加突出起來。以往的ULSI通常使用鋁做互連線，但是鋁在導電性和抗電遷移性能方面遠不如銅。鋁的電阻率為2．7uQ•cm，而銅的為l，7•cm，比鋁低37％；銅的電遷移壽命是鋁的100倍以上。1997年IBM公司首先在芯片中使用銅互連取代鋁互連，自此以后多數芯片都采用電鍍銅技術來實現互連。

    芯片的特征線寬為微米、亞微米級，早期的銅工藝為0．25grn，現在已經發展到0．15—0．09gmL，如此精細的線寬不能通過蝕刻銅箔的方法而只能通過沉積的方法得到。

    在沉積方法中比較成熟而又被廣泛應用的是采用電鍍銅技術的大馬士革工藝。該工藝先通過光刻工藝在硅片介質上形成包含線路圖形的凹槽，然后經阻擋層處理、物理氣相沉積(PVD)銅晶種層處理、電鍍銅填充處理，最后經過化學機械拋光(CMP)除掉多余的阻擋層和沉積銅層。

    采用電鍍銅技術并配合適當的添加劑可以使具有大高寬比的光刻凹槽能自上而下被填充，避免了對形成線路非常有害的“空洞”、“裂縫”現象的發生。還可以通過雙大馬士革工藝實現線路和通孔的同時形成，該方法還具有沉積速度快、工序簡單、成本低等優點而成為ULSI互連的主流方法

    先進電鍍銅技術

    隨著電子技術的飛速發展，電子產品越來越趨向于多功能化、小型化，這促使作為電子元件安裝基礎的印制板向多層化、積層化、高密度化方向迅速發展。然而，此類印制板是通過大量的微孔實現層問的電氣互連的，而且每張板上的小孔數量越來越多，孔徑越來越小(由500¨m到50prn)，并且每個孔的種類也不一樣，使用傳統的直流電鍍銅技術很難滿足生產的要求，這促使人們在生產實踐中不斷開發和引入新的電鍍銅技術。

    脈沖電鍍銅技術

    在使用傳統的直流電鍍銅技術制造印制板的通孔時，由于印制板的板面和小孔內部的電流密度不同，在孔的內部會存在電流密度梯度，造成孔內銅的厚度與板面銅的厚度差別很大。盡管人們通過不斷采取改進添加劑的方法在減小板面和孔內銅的差別方面起到一定的作用，但是在制造高密度精細線路和高厚徑比(≥5：1)微孔時直流電鍍銅有很大的困難。為此人們在電子行業生產中逐漸引入周期脈沖反向電流(PPR_一PeriodicPulseReverse)電鍍銅技術。

    脈沖反向電流電鍍銅的主要工作原理是應用較小的正向電流電鍍較長的一段時間，然后再應用較大的反向電流電鍍較短一段時間，并配合一定的載運劑、光亮劑、整平劑等可以達到較好的深鍍能力。脈沖電鍍，正向電流時銅在PCB上沉積，反向電流時PCB上的銅溶解。它實質上是通過周期性反向電流的變化來改變添加劑在電極表面的吸附狀況，使具有促進作用的添加劑吸附在低電流密度區，而具有抑制作用的添加劑被吸附在高電流密度區，從而改變陰極表面的極化電阻而達到整平效果，該技術非常適合高厚徑比的高密度板(HDI)微孔的電鍍。盡管使用脈沖電鍍的設備投入較高，但隨著電子行業的發展，設備價格將會逐漸下降，脈沖電鍍在電子技術領域的應用也將會越來越多。

    水平直接電鍍銅技術

    早期的電鍍銅主要采用垂直電鍍的方式，即工件在鍍液中垂直放置并隨傳送系統水平緩慢傳送。但是隨著印制板向微小孔徑和高密度化的發展，采用此種電鍍方式時，工件微孔內鍍液交換和流動困難，且板面與孔內之間有電流密度差，會使板面及孔口處銅沉積厚度比孔內大，尤其是在制造高厚徑比微孔時，嚴重的會發生“塞孔”現象。

    因而，近年來在電子行業使用水平電鍍銅系統并配合直接電鍍銅工藝也比較多。水平電鍍時，工件在鍍液中水平放置并隨傳送裝置傳送，鍍液通過泵加壓后經噴嘴垂直噴出促使其在板面和孔內流動并在孔內形成渦流，加快了孔內鍍液的交換，減小了板面與孔內的電流密度差別。

    使用該電鍍系統并配合脈沖直接電鍍微孔的效果非常好且工藝簡單，盡管其成本較高但目前在高密度印制板制作中必不可少。

    超聲波電鍍銅技術

    為了改善鍍層的質量，人們在印制電路電鍍銅時引入超聲波技術。超聲波的主要作用有：

    (1)超聲波產生的強大沖擊波能滲透到不同介質電極表面和空隙，達到徹底清洗的作用；

    (2)超聲波產生的“空化”作用，加快了氫的析出；

    (3)超聲波的空化作用產生的微射流強化對溶液的攪拌，加快了傳質過程，降低了濃差極化，增加了極限電流密度，優化了操作條件。

    盡管關于超聲波電鍍銅方面的研究取得了一定的研究成果，超聲波電鍍銅技術在規模化生產中應用也越來越多，但是關于超聲波電鍍的作用機理尚不清楚。有人認為超聲波振動實質上是一種毫秒級的脈沖過程，它改變了鍍銅過程中的晶面取向，從而改善鍍層質量。有人認為超聲波電鍍銅之所以有很好的電鍍效果，主要是空化現象產生的強烈攪拌作用優化了電鍍條件。尤其在高密度多層印制電路微孔制作時，超聲波的攪拌作用可以促進鍍液在微孔內的交換，再結合脈沖技術，能在印制板的板面和微孔內沉積出非常均勻的銅鍍層，并減小板面與孔內鍍層的厚度差別。

    激光電鍍銅技術

    隨著電子產品向輕、薄、短、小化發展，電子產品用芯片的集成度進一步提高，其特征線寬由原來的微米級進入到亞微米級，采用蝕刻銅箔的方法(通常用于特征線寬大于20tun)已很難滿足線路精度的要求。美國IBM公司首先把激光技術引入到電鍍銅工藝當中去。

    使用激光電鍍銅具有以下優點：

    (1)利用激光照射在很短時間產生的高熱量來代替對鍍液進行加熱，使電極附近產生溫度梯度，該溫度梯度對鍍液有強烈的微攪拌作用，因而沉積速度快，激光照射區域的沉積速率是本體鍍液沉積速率的1000倍左右；

    (2)激光的聚焦能力很強，可在需要的地方進行選擇性的局部沉積，適合制造復雜的線路圖形并能進行微細；01-r[38-39]；

    (3)使用激光電鍍銅成核速度快，結晶細微，鍍層質量好。

    激光電鍍銅技術的優勢決定了它在微細電子加工領域有很好的應用前景。