技术领域
[0001] 本
发明涉及材料领域，尤其涉及一种用于适合超大电流密度的电镀铜柱溶液及电镀方法。
背景技术
[0002] 随着目前IC芯片封装的对外引线数和铜互连导
线密度越来越高，推动了
倒装芯片(Flip-Chip)和
晶圆级封装(WLP)等高密度先进封装技术的快速发展。铜柱
凸块(Cu pillar)技术是新一代芯片互连技术，用于集成
电路封装工艺过程芯片和
基板的连接。铜柱凸块得益于铜材料的特性，拥有优越的
导电性能、热性能和可靠性，并可满足RoHS要求。同时，采用铜柱凸块技术在基板设计时可以减少基板层数的使用，实现整体封装成本的降低。
[0003] 晶圆级封装正在朝着3D方向发展，其中铜柱是3D封装的重要组成工艺。铜柱是用来代替传统的打线工艺，使电路的集成度更高，目前的铜柱高度大部分在30μm以上，针对于不同需求，高度为80μm以及100μm的铜柱也很常见。铜柱都是通过电镀的方式进行，如果采用目前市面常用的电镀铜柱技术，利用10ASD的电流密度电镀80μm的铜柱，大约需要36分钟，生产效率较低，为了加快生产效率，一般会采用高电流密度作业，目前中国的铜柱采用10ASD作业，但是根据台湾
半导体的市场了解，目前30ASD已经进入到量产阶段，同样镀80μm的铜柱，时间仅需要12min，大幅的提高了生产效率。
[0004] 电镀铜柱是完成倒装芯片封装的关键工艺。由于电镀铜柱要求晶圆铜柱高度均匀以及拱形率小于等于5％，并且没有空洞，因此电镀铜柱的填充效果和镀层
质量很大程度上取决于电镀液的化学性能。有机添加剂是改善电镀液性能非常关键的因素，填充性能与添加剂的成份和浓度密切相关，关于添加剂的研究一直是电镀铜工艺的重点之一。
[0005] 目前适合超大电流密度(30ASD)的电镀铜柱溶液的研发技术难点电流密度过大，没有选择合适的添加剂，则造成电镀铜柱出现烧焦等状况，进而导致铜柱内出现空洞，夹缝等
缺陷。由于导电性及导热性不良，严重影响高频
信号传输性能，解决这个问题的最佳方法是选择合适的添加剂，在超大电流密度(30ASD)下，通过调控时间以及溶液组分参数，最终达到电镀效率极高的电镀铜柱。而本发明最大的改进就是解决了这个技术缺陷。
发明内容
[0006] 针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种用于适合超大电流密度的电镀铜柱溶液及电镀方法，该溶液解决现有电镀铜柱工艺消耗时间长，采用高电流密度填充会出现空洞、烧焦等问题，可以有效防止因为空洞以及烧焦导致
信号传输不稳定、
电阻大、功率损耗过多等缺点，进一步提高
电子产品的可靠性。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供一种用于适合超大电流密度的电镀铜柱溶液，按照浓度包括以下组分：
[0008] 甲基磺酸铜：150-240g/L
[0009] 甲基磺酸：40-70g/L
[0010] 氯离子：30-50mg/L
[0011] 聚二硫二丙烷磺酸钠:2-5mg/L
[0012] 聚乙二醇：40-100mg/L
[0013] 烟鲁绿：40-80mg/L
[0015] 上述组分均匀混合后形成该适合超大电流密度的电镀铜柱溶液；且该电镀铜柱溶液的超大电流密度为30ASD；
[0016] 晶圆片进行电镀之前，需由前处理溶液进行
真空处理；所述前处理溶液为DI纯水，将晶圆片采用电镀挂具安装好后在真空设备中用DI纯水抽真空5-10min；抽真空后在该电镀铜柱溶液中进行电镀。
[0017] 其中，所述烟鲁绿优先的浓度为60-80mg/L；其可以由烟鲁绿、噻嗪染料、二苯甲烷染料以及酞菁染料中的一种或多种搭配使用，该烟鲁绿是添加剂体系中最重要的一环，主要作用是令添加剂
吸附在
种子层表面，使铜柱均匀的电镀在基材表面，并可以满足无烧焦，拱形率小于等于5％的性能指标。
[0018] 其中，所述聚二硫二丙烷磺酸钠优先的浓度为2-4mg/L，主要作用是起到
加速镀铜的效果，并且使铜柱表面光亮。
[0019] 其中，所述聚乙二醇优先的浓度为60-80mg/L，主要作用是降低电镀铜柱
盲孔内表面张
力，增加润湿效果，可以使铜柱有序的电镀到盲孔内。
[0020] 其中，所述甲基磺酸铜优先的浓度为200-240g/L，是溶液中铜离子的主要来源；所述甲基磺酸优先的浓度为40-60g/L，可以提高溶液的导电性；所述氯离子优先的浓度为40-50mg/L，氯离子由二水合氯化铜、
氯化钠或
盐酸中的一种或多种提供，可以提高铜柱表面光亮和整平能力，改善铜柱质量。
[0021] 为实现上述目的，本发明还提供了一种用于适合超大电流密度的电镀铜柱溶液的电镀方法，其特征在于，
[0022] 将晶圆片固定在
阴极电镀挂具上，用前处理溶液DI纯水抽真空后；前处理溶液的处理作用是DI纯水进入盲孔内，利用真空
负压使晶圆片盲孔内空气排出，防止因为空气在盲孔底部出现卡气泡现象影响电镀效果；
[0023] 将抽真空后的晶圆片放置在电镀铜溶液槽中进行搅拌、循环和摇摆操作，加速电镀铜溶液流动，使电镀溶液中铜离子以及添加剂进入电镀铜柱盲孔中，确保镀液在盲孔内有足够的铜离子供应，开启电源进行电镀，在电流密度为30ASD下，根据电镀铜柱所需要的高度来调整电镀时间。
[0024] 其中，抽真空时间在5-10min之间；电镀交换时间在5-10min之间，电镀时电流密度2
在25-30A/dm之间，
温度在25-35℃之间，搅拌速率在100-200r/min之间。
[0025] 其中，所述电镀交换时间在5-10min之间的主要作用是使电镀溶液中主要成分进入电镀铜柱盲孔内。
[0026] 其中，所述电流密度在25-30A/dm2之间，电流密度决定电镀铜柱的填充效率，电流密度过小则生产效率极低，电流密度适当的提高可以在满足性能指标的条件下节省生产时间；所述电镀温度在25-35℃之间，适当的增加温度可以减少电镀铜柱烧焦的情况；所述搅拌速率在100-200r/min之间，搅拌速率影响溶液中铜离子以及添加剂交换速度。
[0027] 其中，前处理操作还包括喷淋、超声的工艺。
[0028] 本发明的有益效果是：与
现有技术相比，本发明提供的用于适合超大电流密度的电镀铜柱溶液及电镀方法，具有如下优势：
[0029] 1)该溶液中主要包括聚二硫二丙烷磺酸钠、聚乙二醇、烟鲁绿，电镀溶液交换时间为5-10min之间，电流密度在25-30A/dm2之间，温度在25-35℃之间，搅拌速率在100-200r/min之间；上述组份形成了适合超大电流密度(30ASD)的电镀铜柱溶液；该溶液采用超大电流密度，可以大幅度降低电镀铜柱工艺时间，并且采用高电流密度填充不会出现空洞、烧焦等问题，表面光亮，拱形率小于等于5％，可以有效防止因为空洞以及烧焦导致信号传输不稳定、电阻大、功率损耗过多等缺点，进一步提高电子产品的可靠性。
[0030] 2)这种电镀铜柱溶液可以填充直径45-60um,高度60-100um的孔型。主要用于集成电路封装工艺中芯片和基板的连接。电镀铜柱得益于铜材料的特性，拥有优越的导电性能、热性能和可靠性，并可满足RoHS要求。采用电镀铜柱凸块技术在基板设计时可以减少基板层数的使用，实现整体封装成本的降低
[0031] 3)业内常用10ASD，因为电流较小，所以电镀比较稳定有序，铜的结晶大小也一致。但是，电流密度30ASD代表着具有相同面积的晶圆进行电镀时，电镀电流很大，就相当于突然一个大电流通过，铜不可以有序的镀到晶圆的
种子层上，会造成一侧镀的快一侧镀的慢，非常的不均一，而且铜的结晶大小也不一样，因为如果没有添加剂或者不合适的添加剂的话电流密度在30ASD时会造成孔低烧焦。但是由于本发明提供的电镀铜柱溶液完全解决了这个问题，尤其是烟鲁绿的加入，令添加剂吸附在种子层表面，使铜柱均匀的电镀在基材表面，并可以满足无烧焦，拱形率小于等于5％等性能指标。
附图说明
[0032] 图1为本发明第一
实施例在电镀时间为7min时镀层切面外观形貌图；
[0033] 图2为本发明第一实施例在电镀时间为8min时镀层切面外观形貌图；
[0034] 图3为本发明第二实施例在电镀时间为12min时镀层切面外观形貌图。
具体实施方式
[0035] 为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
[0036] 本发明的用于适合超大电流密度的电镀铜柱溶液，按照浓度包括以下组分：
[0037] 甲基磺酸铜：150-240g/L
[0038] 甲基磺酸：40-70g/L
[0039] 氯离子：30-50mg/L
[0040] 聚二硫二丙烷磺酸钠:2-5mg/L
[0041] 聚乙二醇：40-100mg/L
[0042] 烟鲁绿：40-80mg/L
[0043] DI纯水：余量；
[0044] 上述组分均匀混合后形成该适合超大电流密度的电镀铜柱溶液；且该电镀铜柱溶液的超大电流密度为30ASD；
[0045] 晶圆片进行电镀之前，需由前处理溶液进行真空处理；所述前处理溶液为DI纯水，将晶圆片采用电镀挂具安装好后在真空设备中用DI纯水抽真空5-10min；抽真空后在该电镀铜柱溶液中进行电镀。
[0046] 在本实施例中，所述烟鲁绿优先的浓度为60-80mg/L；其可以由烟鲁绿、噻嗪染料、二苯甲烷染料以及酞菁染料中的一种或多种搭配使用，该烟鲁绿是添加剂体系中最重要的一环，主要作用是令添加剂吸附在种子层表面，使铜柱均匀的电镀在基材表面，并可以满足无烧焦，拱形率小于等于5％的性能指标。
[0047] 在本实施例中，所述聚二硫二丙烷磺酸钠优先的浓度为2-4mg/L，主要作用是起到加速镀铜的效果，并且使铜柱表面光亮。
[0048] 在本实施例中，所述聚乙二醇优先的浓度为60-80mg/L，主要作用是降低电镀铜柱盲孔内表面
张力，增加润湿效果，可以使铜柱有序的电镀到盲孔内。
[0049] 在本实施例中，所述甲基磺酸铜优先的浓度为200-240g/L，是溶液中铜离子的主要来源；所述甲基磺酸优先的浓度为40-60g/L，可以提高溶液的导电性；所述氯离子优先的浓度为40-50mg/L，氯离子由二水合氯化铜、氯化钠或盐酸中的一种或多种提供，可以提高铜柱表面光亮和整平能力，改善铜柱质量。
[0050] 针对由于电流密度过大而导致的电镀铜柱出现烧焦等状况，本发明提供一种适合超大电流密度(30ASD)的电镀铜柱溶液及电镀方法，解决现有电镀铜柱工艺消耗时间长，采用高电流密度填充会出现空洞、烧焦等问题，可以有效防止因为空洞以及烧焦导致信号传输不稳定、电阻大、功率损耗过多等缺点，进一步提高电子产品的可靠性。
[0051] 在本发明中，甲基磺酸提供一个酸性环境，是镀液均镀能力和分散能力不可或缺的。铜离子是镀层铜沉积的主要来源。氯离子可以由二水合氯化铜提供，可以提高铜沉积得均匀性。聚二硫二丙烷磺酸钠是光亮剂，可以增加铜镀层表面的光
亮度，同时也可以增加铜离子的沉积速度。聚乙二醇是湿润剂，可以降低表面张力，有利于电镀铜柱盲孔的孔底润湿。烟鲁绿是
抑制剂，在一定范围内，其浓度越高，
电场区域就向更低电流度密度区域位移，降低铜柱表面的电位，使铜可以在电流密度更低的盲孔孔底进行电镀，并且降低电镀铜柱产生的烧焦，空洞等不良影响。
[0052] 为实现上述目的，本发明还提供了一种用于适合超大电流密度的电镀铜柱溶液的电镀方法，其特征在于，
[0053] 将晶圆片固定在阴极电镀挂具上，用前处理溶液DI纯水抽真空后；前处理溶液的处理作用是DI纯水进入盲孔内，利用真空负压使晶圆片盲孔内空气排出，防止因为空气在盲孔底部出现卡气泡现象影响电镀效果；
[0054] 将抽真空后的晶圆片放置在电镀铜溶液槽中进行搅拌、循环和摇摆操作，加速电镀铜溶液流动，使电镀溶液中铜离子以及添加剂进入电镀铜柱盲孔中，确保镀液在盲孔内有足够的铜离子供应，开启电源进行电镀，在电流密度为30ASD下，根据电镀铜柱所需要的高度来调整电镀时间。
[0055] 在本实施例中，抽真空时间在5-10min之间；电镀交换时间在5-10min之间，电镀时电流密度在25-30A/dm2之间，温度在25-35℃之间，搅拌速率在100-200r/min之间。
[0056] 在本实施例中，所述电镀交换时间在5-10min之间的主要作用是使电镀溶液中主要成分进入电镀铜柱盲孔内。
[0057] 在本实施例中，所述电流密度在25-30A/dm2之间，电流密度决定电镀铜柱的填充效率，电流密度过小则生产效率极低，电流密度适当的提高可以在满足性能指标的条件下节省生产时间；所述电镀温度在25-35℃之间，适当的增加温度可以减少电镀铜柱烧焦的情况；所述搅拌速率在100-200r/min之间，搅拌速率影响溶液中铜离子以及添加剂交换速度。
[0058] 在本实施例中，前处理操作还包括喷淋、超声的工艺。
[0059] 相较于现有技术，本发明提供的用于适合超大电流密度的电镀铜柱溶液及电镀方法，具有如下优势：
[0060] 1)该溶液中主要包括聚二硫二丙烷磺酸钠、聚乙二醇、烟鲁绿，电镀溶液交换时间为5-10min之间，电流密度在25-30A/dm2之间，温度在25-35℃之间，搅拌速率在100-200r/min之间；上述组份形成了适合超大电流密度(30ASD)的电镀铜柱溶液；该溶液采用超大电流密度，可以大幅度降低电镀铜柱工艺时间，并且采用高电流密度填充不会出现空洞、烧焦等问题，表面光亮，拱形率小于等于5％，可以有效防止因为空洞以及烧焦导致信号传输不稳定、电阻大、功率损耗过多等缺点，进一步提高电子产品的可靠性。
[0061] 2)业内常用10ASD，因为电流较小，所以电镀比较稳定有序，铜的结晶大小也一致。但是，电流密度30ASD代表着具有相同面积的晶圆进行电镀时，电镀电流很大，就相当于突然一个大电流通过，铜不可以有序的镀到晶圆的种子层上，会造成一侧镀的快一侧镀的慢，非常的不均一，而且铜的结晶大小也不一样，因为如果没有添加剂或者不合适的添加剂的话电流密度在30ASD时会造成孔低烧焦。但是由于本发明提供的电镀铜柱溶液完全解决了这个问题，尤其是烟鲁绿的加入，令添加剂吸附在种子层表面，使铜柱均匀的电镀在基材表面，并可以满足无烧焦，拱形率小于等于5％等性能指标。
[0062] 以下为本发明提供的具体实施例：
[0063] 实施例1
[0064] 配方组成如下：
[0065] 甲基磺酸铜：200g/L；
[0066] 甲基磺酸：50g/L；
[0067] 氯离子:50mg/L，主要由二水合氯化铜、氯化钠或盐酸中的一种或多种提供；
[0068] 聚二硫二丙烷磺酸钠:4mg/L；
[0069] 聚乙二醇：60mg/L；
[0070] 烟鲁绿：80mg/L；
[0071] 溶液配制过程：以1L溶液为例，取水300ml，依次加入甲基磺酸铜：200g；甲基磺酸：50g，二水合氯化铜：0.114g，聚二硫二丙烷磺酸钠：0.004g；聚乙二醇：0.06g；烟鲁绿：
0.08g，搅拌溶解，再用水补加液位至1L。
[0072] 使用本实施例所制得电镀铜溶液进行电镀的工艺参数：前处理抽真空：5min，溶液2
交换时间：5min，温度：35±2℃，电流密度：30A/dm，搅拌速率200r/min，时间为7min。
[0073] 即可得到直径45um，高度40.5um的电镀铜柱材料，晶圆切面图形貌如图1所示。从图1形貌可以看出，电镀铜柱生长过程良好，无烧焦，空洞、夹缝等不良现象，表面光滑，拱形率小于等于5％，可以提高芯片封装产品导电性能、热性能和可靠性。
[0074] 实施例2
[0075] 配方组成如下：
[0076] 甲基磺酸铜：220g/L；
[0077] 甲基磺酸：60g/L；
[0078] 氯离子:50mg/L，主要由二水合氯化铜、氯化钠或盐酸中的一种或多种提供；
[0079] 聚二硫二丙烷磺酸钠:2mg/L；
[0080] 聚乙二醇：60mg/L；
[0081] 二苯甲烷染料：60mg/L；
[0082] 溶液配制过程：以1L溶液为例，取水300ml，依次加入甲基磺酸铜：220g；甲基磺酸：60g，二水合氯化铜：0.114g，聚二硫二丙烷磺酸钠：0.002g；聚乙二醇：0.06g；二苯甲烷染料：0.06g，搅拌溶解，再用水补加液位至1L。
[0083] 使用本实施例所制得电镀铜溶液进行电镀的工艺参数：前处理抽真空：5min，溶液交换时间：10min，温度：25±2℃，电流密度：30A/dm2，搅拌速率150r/min，时间为8min。
[0084] 即可得到直径60um，高度43um的电镀铜柱材料，晶圆切面图形貌如图2所示。从图2形貌可以看出，电镀铜柱生长过程良好，无烧焦，空洞、夹缝等不良现象，表面光滑，拱形率小于等于5％，可以提高芯片封装产品导电性能、热性能和可靠性。
[0085] 实施例3
[0086] 配方组成如下：
[0087] 甲基磺酸铜：240g/L；
[0088] 甲基磺酸：50g/L；
[0089] 氯离子:40mg/L，主要由二水合氯化铜、氯化钠或盐酸中的一种或多种提供；
[0090] 聚二硫二丙烷磺酸钠:4mg/L；
[0091] 聚乙二醇：60mg/L；
[0092] 烟鲁绿：70mg/L；
[0093] 溶液配制过程：以1L溶液为例，取水300ml，依次加入甲基磺酸铜：240g；甲基磺酸：50g，二水合氯化铜：0.091g，聚二硫二丙烷磺酸钠：0.004g；聚乙二醇：0.06g；烟鲁绿：
0.07g，搅拌溶解，再用水补加液位至1L。
[0094] 使用本实施例所制得电镀铜溶液进行电镀的工艺参数：前处理抽真空：10min，溶液交换时间：10min，温度：30±2℃，电流密度：25A/dm2，搅拌速率200r/min，时间12min。
[0095] 即可得到直径60um，高度60.5um的电镀铜柱材料，晶圆切面图形貌如图3所示。从图3形貌可以看出，电镀铜柱生长过程良好，无烧焦，空洞、夹缝等不良现象，表面光滑，拱形率小于等于5％，可以提高芯片封装产品导电性能、热性能和可靠性。
[0096] 综合上述三个实施例可以得出的结论是：电镀铜柱以自底向上形式生长，解决现有电镀铜柱电流密度低，工艺时间长，采用超高电流密度出现烧焦、空洞、夹缝等问题，可以有效防止因为空洞导致信号传输不稳定、电阻大、功率损耗过多等缺点，该超大电流密度的电镀铜柱溶液生产的铜柱表面光滑，拱形率小于等于5％，可以提高芯片封装产品的导电性能、热性能和可靠性。
[0097] 以上公开的仅为本发明的某一客户打样实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
