CN1558967A - 电极与阳极组件的装接 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电镀，尤其涉及一种将金属电镀到衬底上的阳极以及一种使用该阳极将金属电镀到衬底上的方法。该包括：大致实心的成形金属主体；金属电极轴，该金属电极轴具有在该轴的一个端部处从该轴的外周向外突伸的一个或多个钩。该钩穿过主体固定并穿过其中延伸一距离。

Description

电极与阳极组件的装接

技术领域

本发明涉及电镀，尤其涉及一种将金属电镀到衬底上的阳极以及一种使用该阳极将金属电镀到衬底上的方法。

背景技术

在微电子器件制造中，为了各种目的，金属可以镀到衬底上。通常，在容纳电镀溶液的室或容器中金属镀到衬底上，该溶液是包含金属离子的电镀槽，以便将金属镀到衬底上。

在半导体芯片、印刷电路板和其它电路部件和器件的制造中，器件的导体使用包括锡和/或铅的焊料来电镀，以便提高该器件的可焊接性。在多个半导体器件安装在铅框架上由钩子悬挂在置于电镀槽中的阴极支架上的同时或在器件已经单化(即晶片形式)之前，通常执行电镀步骤。电镀槽包含传导电流的阳极，该电流流经阴极和铅框架，以便使金属沉积在器件的引线上。在电镀之后，铅框架被切割并且独立的半导体芯片被分离。

被沉积的金属的均匀性是电流密度、电镀槽纯度、和阳极纯度的函数。电镀槽的成分和在电镀槽内的状态必须认真地控制，以便使得所需质量的所需金属沉积在衬底上。电镀率、均匀性、和沉积质量受各种因素影响。例如，影响电镀的电镀率、均匀性、和沉积质量的参数是电镀槽中的化学浓度、电触点的特性和分布、以及在电镀系统内的电压。电镀系统的外形结构可影响在该系统内状态和由该系统实施的电镀。

电镀槽内的阳极传导的电流进入电镀溶液并在阳极和阴极工件之间产生电场。在常规的电镀操作中，当电镀进行时，阳极被消耗，并且任何的阳极杂质可产生称为阳极细粒的颗粒。当阳极细粒的量增大时，阳极泥继续变厚。阳极泥涉及许多的问题。例如，由于离子迁移经过阳极泥到电镀溶液中并且电镀电压升高，因此阳极泥可导致电镀室内的电压降。升高的电镀电压可能影响沉积的均匀性。阳极泥的影响取决于电镀室的结构和电镀参数。此外，阳极泥可能结合到电镀金属的结构中，并且污染被电镀的工件。

由于阳极泥的形成和电镀的劣化，例如可能产生的电镀均匀性的劣化，因此在电镀系统中通常需要维护阳极。阳极维护包括从电镀室中取出阳极，通过刮擦除去多余的阳极泥，在适当的溶液中腐蚀，以便除去剩余的阳极泥，并且随后进行一次或多次的冗长的阳极重整步骤。重整步骤持续大约5-16小时。杂质还可能形成气泡，例如空气泡，其可能干扰在阳极和晶片或工件之间的电场线。在电镀系统中对电场的干扰可能导致过电位。过电位可能导致电镀电压以不稳定的方式升高，直到电源达到其设定的允许电压并被切断。由气泡导致的在电操作中的扰动还可能影响电沉积的均匀性。电镀薄膜的厚度往往在气泡附近的区域中较薄。在阳极组件中可能出现电镀离子的浓度梯度。电镀离子的浓度梯度在靠近阳极处较高并且在晶片或被电镀的工件附近较低。电镀离子的浓度梯度导致浓度极化。该极化还导致电镀电压升高。同时在这种情况下浓度梯度不仅影响电镀的晶片的均匀性，浓度梯度还可导致电镀电压升高并达到其允许值，再次导致电镀室断电。空气泡或气泡不仅导致不希望的电镀室极化，而且还破坏电镀薄膜的均匀性。这是因为电场在到达工件之前电场在空气泡或气泡周围不得不弯曲。这导致优选的平行电场线变形并在工件上形成不希望的金属均匀沉积。

为了在工件上更均匀地电镀，必需形成大致没有外来杂质的电镀槽。溶液纯度的提高有助于消除浓度梯度、浓度极化，并且可改善电镀和电镀室的整个操作。本发明还使得可明显提高电镀室的生产率。电镀槽杂质的一个来源是阳极组件。通常阳极包括阳极结构本身以及用于在电镀溶液中引入和保持阳极的金属柄。通常，该金属柄焊接到阳极上。接合处通常使用焊料成分来形成，然而，焊料成分本身往往将金属杂质引入到电镀槽中。所希望的是，固定地将阳极与柄装接并且不需要焊接连接。本发明提供了一种改进的阳极和保持器。至少一个带钩的端部连接到保持器上是依据本发明的阳极和保持器的特征。机械连接顾及到优选的腐蚀和间断或不持续的电接触。带钩的端部穿过阳极中的孔来固定，由此省去了或减少了其间的焊料成分。

本发明还包括在衬底上电镀金属的方法。衬底可布置在电镀成分中，并且电流从改进的阳极供应到衬底，这导致金属从纯电镀溶液中电镀到衬底上。

发明内容

本发明提供一种阳极，其包括：大致实心的成形金属主体；金属电极轴，该金属电极轴具有在该轴的一个端部处从该轴的外周向外突伸的一个或多个钩；该一个或多个钩被固定在该主体内。

本发明还提供一种阳极，其包括金属电极轴和围绕该轴的一个端部铸造的大致实心的成形金属主体。

本发明还提供一种用于制造阳极的方法，其包括：

a)提供在轴的一个端部处具有从轴的外周向外突伸的一个或多个钩的金属电极轴；

b)提供大致实心的成形金属主体；

c)穿过该金属主体的侧壁固定该一个或多个钩。

本发明还提供一种用于制造阳极的方法，其包括：

a)提供金属电极轴；

b)围绕该轴的一个端部浇注熔融金属，并且冷却该熔融金属，由此形成一包括封装该轴的所述端部的实心金属主体的阳极；以及

c)随后从模具中取出该阳极。

本发明还提供一种电解结构，其包括：

a)包含导电流体的容器；

b)在该导电流体中的如权利要求1所述的阳极，该阳极连接到电路中；和

c)在该导电流体中的阴极，该阴极连接到电路中。

附图说明

图1示出了在轴的一个端部处具有一个或多个从轴的外周向外突伸钩的金属电极轴。

图2示出了本发明的阳极，其具有金属主体和金属电极轴，带有钩的端部穿过金属主体的侧壁固定。

图3是阳极和悬挂在电镀槽内的工件晶片阴极是示意图。

具体实施方式

图2示出了依据本发明的阳极2。该阳极具有阳极主体4和穿过该阳极主体4的侧壁8固定的金属电极轴6。阳极主体4具有顶边缘8、外壁表面12、和下边缘16。上边缘8和下边缘16优选为平行平面。尽管所示的阳极部分4具有盘形状，但是其可具有适于形成阳极的任何形状或截面。这些包括矩形、正方形、立方体、圆形、椭圆形、梯形、楔形、管状、三角形、环形、不规则形状、球形、柱形。它们可以是实心的或具有孔。

如图1所示，金属电极6包括具有一个或多个钩20的轴18，该钩在轴的一个端部处从轴的外周径向向外突伸。在阳极2的结构中，钩20穿过金属主体4的顶边缘8固定，并且穿过顶边缘8朝向下边缘16延伸一距离，以便钩定位在主体4中。在优选实施例中，所有的钩位于阳极主体内。在本发明的一个实施例中，该主体内的轴部分没有任何的钩。

该金属主体包括可导电的并且在电解电镀状态下分解成离子物质的金属或合金。这些金属的非限定性的示例包括锡、铅、铜、铝、银、铋、铟、锑、及其组合物。优选的主体金属包括但不限于，锡、锡-铅合金、锡-银-铜合金、银-铋合金、及其组合物。

在更优选的实施例中，该金属主体包括从大约0-100％的锡和大约0-100％的铅，更优选为包括大约5-63％的锡和大约37-95％的铅的合金。

轴18和钩优选为包括可导电但在电解电镀状态下不能明显地分解成离子物质的金属或合金，该电解电镀状态使得该金属主体在电解电镀状态下分解成离子物质。这种金属的非限定性的示例包括钛、铜、银、铂、钽、不锈钢、金及其组合物。更具体地说，该轴和一个或多个钩包括镀钛的镍。

金属电极6可通过使用适当的工具对轴18进行机加工从而形成，该工具例如为车床，以便提供在轴的一个端部处从轴的外周径向向外突伸的一个或多个钩20。可使用任何适当的方法以形成带有钩的这种轴，例如铸造方法。

可通过提供在轴的一个端部处从轴的外周径向向外突伸的一个或多个钩；提供金属主体；并随后将该一个或多个钩穿过该金属主体固定，从而制成该阳极。一个组装阳极的方法是在金属主体中钻孔并随后将带钩的端部压入该主体中。然而，优选的方法是在轴的带钩端部周围铸造主体金属。

可通过这样的方法来制造阳极，即，提供具有一个或多个钩的金属电极轴；将焊剂成分施加到一个或多个钩上；将该电极的钩设置在夹具中；将该夹具和电极放置在铸造模具中；将熔融的金属铸造到该铸造模具中；并且冷却该熔融金属，随后从模具中取出该阳极，由此形成阳极。这种铸造方法是本领域普通技术人员公知的。在该实施例中，优选的是，如此选择用于轴和主体的金属，使得对于它们彼此围绕的铸造以形成真正的金相接合是相容的。或者，该轴的端部镀有在铸造过程中容易使得轴和实心主体金属润湿的金属。

在本发明的另一方面中，还提供了一种电镀工件的方法。阴极工件和阳极浸在电镀槽中，并且从阳极流到阴极的电流阳极材料沉积到工件上。

图3示出了包括容器22的电解结构，该容器包含导电流体24。阳极2设置在该导电流体中。该阳极经由轴6连接到电路上。阴极工件26也设置在导电流体24中。阴极26经由适当的支承件28连接到电路上。

阴极工件26适当地是晶片，例如至少一种金属或至少一种合金的材料电镀到其上。该晶片适当地包括例如半导体、陶瓷、硅及其组合物的材料。可使用现有技术的电镀槽进行电镀的任何阴极可依据本发明进行涂敷。例如，在铜、镍、铁、钢等部件上也可形成良好的沉积。如果采用相对较纯的金属的阳极，并且使用锡/铅合金阳极或分开的锡阳极和铅阳极，则可在这些电镀槽中获得最佳的结果。应当注意，阳极的成分对于沉积物的成分具有明显的影响，并且通过所希望的是，采用这样的阳极，其金属比例接近于在被电镀合金中所希望的比例。该沉积物的成分还可通过使用分开的锡和铅的阳极来控制，电流适当地按比例分配到这两个阳极上。

导电流体可由水和至少一种离子物质构成，优选为由阳极材料分离出的离子物质。通常的电镀槽从美国专利4118289和4440608中已知。不同成分的电沉积的锡/铅合金在许多应用场合中是特别有价值的，其包括提供通常使用7/93锡/铅合金的承载触点表面和提供对于希望使用60/40锡/铅合金的例如印刷电路板等上的焊料的表面。用于电镀锡/铅合金的适当含水酸电镀槽包括每升大约5-80克优选为大约45-65克的锡离子；每升大约85-10克优选为大约35-15克的铅离子；每升至少大约100克优选为至少150克的从氟硼酸盐、氟硅酸盐、和氨基碘酸盐中选择的游离基。当电镀槽采用氟硼酸盐游离基时是优选的，所希望的是，其包含每升至少大约50克的游离氟硼酸以及每升至少大约10克的游离硼酸。优选的是，锡离子的量超过铅离子并且处于每升大约45-65克的范围内，其中铅的量在每升大约53-15克的范围内。本发明最希望的特征在于，使得焊料的电沉积的形成具有对于锡/铅合金处于或靠近共晶点的成分，因此在电镀槽中最希望的离子范围是每升大约53-57克的锡离子以及每升大约27-23克的铅离子。氟硼酸电镀槽是优选的，并且为了满足要求必须包含每升至少大约100克的氟硼酸盐游离基；优选的是游离基的量不小于每升大约150克。这种电镀槽应当包含每升至少大约50克的氟硼酸和每升至少大约10克的硼酸。该电镀槽优选为具有小于大约3的pH值并且希望小于大约1。在锡-铅电镀中使用胨做为添加剂是惯例。

电镀槽可在相当宽的阴极电流密度范围内操作，该电流密度取决于例如温度、搅动作用等因素。更具体地说，操作范围是每平方英尺大约10-200安培，优选为每平方英尺大约20-120安培，其中每平方英尺大约25-35安培的较窄范围对于具有大致共晶成分的沉积物的制造是最希望的。电镀效率通常非常高，并且在最佳状态下范围达到大约95％的理论沉积率，在大于70％的电镀槽效率时可最佳地制成优良质量的光亮沉积物。所施加的电压应当是大约0.2-5伏特，优选为0.5-4伏特。

电镀槽应当在至少大约50°F的温度下操作，优选为60-90°F。在低于50°F下操作往往是低效率的并且出现不希望的沉积物，然而温度高于大约90°F将导致锡离子的氧化物变为四价锡态并且产生暗淡、粗糙、基本上不能接受的沉积物；但是，电镀槽在过高的温度下时以过度的速率消耗。

某种搅动是获得高质量的均匀沉积物并且避免污泥或薄膜产生所希望的，并且以高电流密度和高温度进行电镀可通过更剧烈的搅动得到改善。然而，过度的高速搅动是不希望的，这是因为其会导致电镀槽过度地消耗并对实现光亮度的电流密度有不利的限制。不仅电镀槽本身的搅动是所希望的，而且在获得均匀电镀并使得符合要求的电流密度范围加宽的方面中阴极的搅动也是有利。

该过程适于静止电镀设备和具有相同功效的筒式电镀设备，并且可用于带、线材、和连接器带。该电镀槽和过程的应用在连接器带、印刷电路板等方面是特别明显的，这是因为形成的电镀部分的极佳的可焊接性。电镀槽的过滤不太重要，但是当电镀槽出现由空气携带的杂质和其它精整操作的携带物引起的污染时过滤通常是有利的；优选的是，基于连续原理是有效的。可使用各种过滤介质，包括织物，例如聚丙烯和其它常规的过滤材料。

电镀槽的各个部件的消耗最好通过对多个部件进行定期的分析来校正，该分析通过给定的工具来建立。为了确定二价锡盐所需的量，可使用碘滴定技术；铅含量可通过使用稀硫酸沉积来检测。当用于印刷电路和其它电路中以提供可焊接的精整面、触点材料、或抗蚀面时，锡-铅合金电解沉积通常大约0.2-2密耳的厚度。

尽管本发明在制造和组装集成电路的领域中具有相当的实用性，特别是在焊料突起的电镀或对于倒装晶片电互连的突起金相方面，应当理解本发明也可适用于与任何电镀设备和过程一起使用，其中实现均匀的电镀厚度是所希望的。尽管在此披露的阳极作为阳极，但是其也可用做例如阴极的任何电极。

虽然已结合优选实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员可在不脱离本发明的范围的情况下进行变型和替换。因此，本发明包含随后的权利要求和其等效形式的保护范围内的全部的变型和替换。

Claims (29)

1.一种阳极，其包括：大致实心的成形金属主体；金属电极轴，该金属电极轴具有在该轴的一个端部处从该轴的外周向外突伸的一个或多个钩；该一个或多个钩被固定在该主体内。

2.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，该轴包括多个固定在该主体内的钩。

3.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，该一个或多个钩通过围绕该一个或多个钩铸造该主体从而固定在该主体内。

4.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，该轴的处于该主体之外的部分没有钩。

5.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，该主体包括锡、铅、铜、铝、银、铋、铟、锑、锡-铅合金、锡-银-铜合金、银-铋合金、或其组合物。

6.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，该主体包括从大约0-100％的锡和大约0-100％的铅。

7.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，该主体包括大约5-63％的锡和大约37-95％的铅的合金。

8.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，该轴和一个或多个钩包括钛、铜、银、铂、钽、不锈钢、金或其组合物。

9.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，该轴和一个或多个钩包括镀有钛的镍。

10.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，其包括多个在该轴的一个端部处从该轴的外周向外突伸的钩，该钩固定在该主体内，并且该主体包括大约5-63％的锡和大约37-95％的铅；并且该轴和一个或多个钩包括镀有钛的镍。

11.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，该主体具有实心矩形、正方形、圆形、椭圆形、梯形、三角形、环形、或不规则的形状，其中具有孔口或没有孔口。

12.一种阳极，其包括金属电极轴和围绕该轴的一个端部铸造的大致实心的成形金属主体。

13.如权利要求12所述的阳极，其特征在于，其包括金属电极轴，该金属电极轴包括一个或多个在该轴的一个端部处从该轴的外周向外突伸的钩，大致实心的金属主体围绕该钩铸造。

14.一种用于制造阳极的方法，其包括：

a)提供在轴的一个端部处具有从轴的外周向外突伸的一个或多个钩的金属电极轴；

b)提供大致实心的成形金属主体；

c)将该一个或多个钩穿过该金属主体固定。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其包括多个在该轴的一个端部处从该轴的外周向外突伸的钩，该钩固定在该主体内，并且该主体包括大约5-63％的锡和大约37-95％的铅；并且该轴和一个或多个钩包括镀有钛的镍。

16.一种用于制造阳极的方法，其包括：

a)提供金属电极轴；

b)围绕该轴的一个端部浇注熔融金属，并且冷却该熔融金属，由此形成一包括封装该轴的所述端部的实心金属主体的阳极；以及

c)随后从模具中取出该阳极。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，其包括：

a)提供金属电极轴；

b)将该电极的一个端部设置在夹具中；

c)将该夹具和在该夹具中的该电极的该端部放置在铸模中；

d)将熔融金属浇注到该铸模中，并且冷却该熔融金属，由此形成一包括封装该轴的所述端部的实心金属主体的阳极；以及

f)随后从该模具中取出该阳极。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，其包括：

a)提供金属电极轴；

b)将焊剂成分施加到该电极的一个端部上

c)将该施加有焊剂的电极端部设置在夹具中；

d)将该夹具和该施加有焊剂的电极端部放置在铸模中；

e)将熔融金属浇注到该铸模中，并且冷却该熔融金属，由此形成一包括封装该轴的该施加有焊剂的端部的实心金属主体的阳极；以及

f)随后从该模具中取出该阳极。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，该轴的该施加有焊剂的端部具有在该轴的一个端部处从该轴的外周向外突伸的一个或多个钩；该一个或多个钩被固定在该主体内。

20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，其包括多个在该轴的一个端部处从该轴的外周向外突伸的钩，该钩固定在该主体内，并且该主体包括大约5-63％的锡和大约37-95％的铅；并且该轴和一个或多个钩包括镀有钛的镍。

21.一种按照权利要求16所述的方法制成的阳极。

22.一种按照权利要求17所述的方法制成的阳极。

23.一种按照权利要求18所述的方法制成的阳极。

24.一种按照权利要求19所述的方法制成的阳极。

25.一种按照权利要求20所述的方法制成的阳极。

26.一种电解结构，其包括：

a)包含导电流体的容器；

b)在该导电流体中的如权利要求1所述的阳极，该阳极连接到电路中；和

c)在该导电流体中的阴极，该阴极连接到电路中。

27.如权利要求26所述的电解结构，其特征在于，该导电流体包括水和至少一种离子物质。

28.如权利要求26所述的电解结构，其特征在于，该导电流体包括来自该阳极材料的离子物质。

29.如权利要求26所述的电解结构，其特征在于，阴极包括从半导体、陶瓷、硅及其组合物。