集成电路纯锡电镀镀层厚度均匀性问题探讨

集成电路纯锡电镀镀层厚度均匀性问题探

讨

王文兵

集成电路纯锡电镀镀层厚度均匀性问题探

讨

摘要：本文从理论及实际生产过程分别对电镀过程中的镀层厚度均匀性进行了讨论，并针对其原因从硬件改进和过程控制两个方面对镀层厚度提出了改善建议。

关键词：镀层厚度；屏蔽板；电镀。

The discussion of plating thickness uniformity

about the Pure Tin Plating

Abstract：This thesis discussed plating thickness uniformity improving about the Pure Tin Plating, proposed some improvement ideas about the problem from Hardware improvement and process control.

Key words: thickness; shield plate ;Plating.

一、前言

锡是银白色金属，无毒、延展性和可焊性好，因而锡镀层常作为半导体引线脚的保护剂保证焊接的功能性镀层。随着欧盟WEEE和RoHS 指令的颁布和实施，在过去的几年中无铅纯锡电镀已在封装行业中广泛使用。无铅纯锡电镀由于具有成本低、兼容性好等优点，因此成为绝大多数封装企业无铅化镀层的首选。但是，经过近些年的实践应用表明，在纯锡电镀中还存在着许多问题需要解决[1]。由于封装行业对镀层质量的要求越来越高，所以纯锡镀层的质量成了封装电镀企业重点关注的对象。影响纯锡镀层质量的问题主要有：锡晶须（150℃，1h烘烤预防）、变色（防变色药水）、锡镀层厚度、锡渣和锡片等问题。尤其随着集成电路高集成度、高密度和引线框架的逐步加宽，电镀线也由以往的挂式电镀线逐步过渡到高速电镀线。然而高速电镀线的锡镀层的厚度对产品质量及可焊性的影响不容小视。

二、厚度分布异常描述：

镀层的厚度影响产品的可焊性。为降低某封装体的成本，定压缩引线框架的冗余量，把引线框架两排排列改为排排列并适当增加框架的宽度，电镀纯锡后测量镀层厚度发现该引线框架的镀层厚度与之前相比标准差明显变大，也就是说镀层厚度的均匀性变差。

三、影响镀层均匀性分布的因素及改善措施：

（一）电流（I）：

电镀是利用电化学原理，在铜基材上镀一层锡的过程，电流大小直接影响镀层的厚度。一般来说，在铜表面镀锡中，每分钟内1ASD的电流密度Current density（J）厚度约为0.45μm。

电流密度计算公式：J=I/S

其中S为阴极表面积，I为电流。

（二）钢带速度v（m/min）（阴极的电镀时间T）

被镀阴极的镀层厚度不仅和其阴极附近的电流密度分布有关，而且和其在镀液中反应的电镀时间密切相关，所以在环形纯锡告诉电镀线来讲，钢带速度v影响产品的厚度H：设电镀流程槽有效长度L，产品长度为△L，被镀阴极总表面积为S，阴极电镀时间为T,故：

L=VT

1/J=0.45/H

I=JS

所以四个整流器电流应为： I1=I2=I3=I4=I/(L/4)

每条产品所需电流为：△I=I/(L/△L)

（三）镀液中酸锡的浓度C（g/l）及比例

电镀液的成份及含量和所镀金属的镀层密切相关，通常镀液中采用的成分有甲基磺酸、甲基磺酸锡和添加剂三种成分。其中甲基磺酸用来增强电镀过程中导电系统的导电性，增强阴极表面的电流密度，也促进溶液中存在的sn2+ 靠近阴极被还原，从而沉积在被镀产品上；也起抗氧化作用，抑制镀液中的sn2+氧化成sn4+，，甲基磺酸锡在整个反应中已sn2+的形式存在，为阴极提供反应能源，促进被镀阴极的沉积效果和镀层。

（四）屏蔽挡板的高度h（cm）

（1）屏蔽板错位（2）正常

在电镀过程中，电镀槽中的屏蔽板是一块绝缘的挡板，其作用是通过对电力线的遮挡，改变槽中电场的分布，改善阴极上镀件镀层分布的均匀性。由于一个电镀槽要进行多种型号的引线框架的电镀，不可能对不同型号的引线框架使用不同的电镀液参数，而且也不大可能更换不同尺寸的阳极，生产线上最方便调整的是屏蔽板的位置,[2]镀槽中屏蔽板的高度和阴极产品宽度的位置影响着镀层厚度的分布，引线框架使用的是连续电镀工艺，电镀液从储液罐中通过电泵抽到电镀槽中，然后再回流到储液罐中，如此往复循环。绝缘的屏蔽板就设在电镀槽中，位于阴极和阳极之间。根据以往经验，统一调节屏蔽板高度来调整镀层厚度的均匀性，通过调整电镀槽中屏蔽板的上下位置，使引线框架形成上薄下厚和上厚下薄的两种分布的镀层厚度，这两种镀层厚度叠加在一起改善镀层整体的厚度分布，从而提高了新型引线框架表面电镀层厚度的均匀性，同时降低了镀层厚度超出规格限的风险。如（1）图所示，屏蔽板过低，造成阴极上端部分电流密度过小，下端电流密度过大，造成上下两端镀层厚度偏差过大。故如图（2）所示，根据阴极的宽度来调整屏蔽板高度，使其表面电流密度分布均匀，镀层也随之均匀。通过分别调整电镀槽中屏蔽板的高度，使得不同厚度分布的镀层相互补偿，从而得到整体均匀的电镀镀层，经测量分析，改善后的镀层均匀性得到显著提高。

（3）电镀槽外示意图

（五）阳极的正对面积

在电流一定的前提下，电镀液的参数、阳极几何尺寸和屏蔽板的位置是影响镀层厚度均匀性的主要因素。电镀槽中的阳极的正对面积的变化，改变槽中电场的分布，改善阴极上镀件镀层分布的均匀性。经过试验得知，阳极的正对面积对产品镀层的厚度及分布也存在着一定的影响。在电镀过程中，阳极的分布决定着被镀阴极表面的电流密度及电流的分布。

四、总结：

通过分别调整电镀槽中相关影响因素的调节，包括电流大小、钢带速度（电镀时间）、屏蔽板的高度和阳极正对面积，使得不同厚度分布的镀层相互补偿，从而得到整体均匀的镀层，经统计软件JMP的分析，改善后的镀层均匀性得到显著提高。但是这种方法也存在不足。由于是利用了屏蔽作用获得需要的镀层分布，会使阴极电流效率降低，这也是今后需改进的方向。

参考文献

[1] 曾华梁，吕仲达，陈钧武，等．电镀工艺手册[M]．北京：机械工业出版社，1997：240—241．

[2] 董久超，王磊，汤俊，等．电镀层均匀性的Ansys模拟与优化[J]．新技术新工艺，2008，(11)：113—117．

[3]李党国，周树根，张娟，等．锡含量对铜锡合金在硫酸溶液中钝化膜性能的影响[J]．中国科学，2007，37

[4] 章葆澄．电镀工艺学[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1993：121—126．