-
Die
Herstellung von Leiterplatten mit einem hohen Aspektverhältnis, beispielsweise
so genannter Back-Panels, bereitet wohlbekannte Probleme, eine hochwertige
elektrolytische Kupferabscheidung zu erzielen. Die Platten können eine
Dicke von 3 mm bis zu 10 mm und ein Aspektverhältnis von typischerweise 10
1 aufweisen. Der derzeitige Trend fordert jedoch noch dickere Platten
mit einem Aspektverhältnis
von bis zu 15:1. Typischerweise können derartige Platten größer als
die Platten in der „normalen" Produktion sein,
wodurch zusätzliche
Handhabungsprobleme aufgrund ihres Gewichts entstehen. Einer der
einschränkenden Faktoren
bei der Abscheidung von Kupfer ist der Massentransport von Ionen
in die Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis. Die Hauptprobleme bei
der Herstellung von Platten mit hohem Aspektverhältnis sind das Erzielen der
erforderlichen Kupferdicke in den Bohrungen, ohne dabei die Oberfläche übermäßig zu metallisieren, was
zu einer Übermetallisierung
von Resist beim Pattern-Plating-Verfahren oder zu schlechten Leiterbahnkonturen
beim Panel-Plating-Verfahren führt.
Ein weiterer Faktor bei den Back-Panels ist, dass sich die Bestückung mit
der Einpresstechnik schwierig gestaltet, wenn die Schichtdickenverteilung
bei der Kupferabscheidung unzulänglich
ist. Um Streuungsprobleme zu vermeiden, wurden niedrige Stromdichten
bei der Galvanisierung verwendet, welche die Ausbeute offensichtlich
beeinträchtigen.
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Das
Reverse-Pulse-Plating-Verfahren dient zur Lösung dieser Probleme, indem
es, wie in
DE 42 25 961
C2 und
DE
27 39 427 A1 beschrieben, die Verwendung von höheren Stromdichten
bei verbesserter Oberflächenverteilung
und Streuung in den Durchgangsbohrungen ermöglicht.
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Bei
der horizontalen Behandlung von Leiterplatten hat sich herausgestellt,
dass die Streuung in den Leiterplatten mit hohem Aspektverhältnis der
Uniplate®-(Atotech Deutschland
GmbH)-Systeme einen Hinderungsgrund für deren An wendung bei der Herstellung
von dickeren Platten darstellt. Selbst bei Platten, die eine Dicke
von über
1,6 mm aufweisen, ist die Streuung bei der Kupferabscheidung in
Abhängigkeit
vom Aspektverhältnis
nicht ganz zufrieden stellend. Grund dafür ist, dass größerer Wert
auf die Herstellung von dünnerem Material
mit Sackloch-Mikrovias bei höheren
Stromdichten gelegt wird. Die hohe Stromdichte in der Größenordnung
von durchschnittlich 10 A/dm2 und die Anforderung,
Sackloch-Mikrovias unter derartigen Bedingungen herzustellen, erforderten
die Verwendung von relativ hohen Kupferkonzentrationen von über 35 g/l.
Mit diesen beiden Faktoren konnte jedoch die beste Streuung in den
Platten mit hohem Aspektverhältnis
nicht erreicht werden. Es wurden Versuche unternommen, die Streuung
in Standard-Inpulse®-(Atotech Deutschland GmbH)-Anlagen
zu verbessern. Diese ergaben jedoch nur eine marginale Verbesserung.
Diese Versuche wurden durch die Pulsparameter eingeschränkt, die
mit dem Standard-Inpulse®-System zur Verfügung stehen.
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Bislang
wurde die Dauer der Vorwärtspulse
bei der Herstellung von Leiterplatten mit dem Reverse-Pulse-Plating-Verfahren
auf 10–80
ms und die Dauer der Rückwärtspulse
auf 0,5–6
ms eingestellt. Dadurch wurde ein Frequenzbereich von etwa 12 bis
etwa 95 Hz erreicht. Sollten Leiterplatten mit einer Dicke von 2
mm und mit Durchgangsbohrungen mit einem Aspektverhältnis von
10:1 hergestellt werden, so wurde eine annehmbare Streuung bei der
Kupferabscheidung in den Durchgangsbohrungen erzielt, wenn die Stromdichte
für die Vorwärtspulse
im Bereich von 1–10
A/dm2 und die Stromdichte für die Rückwärtspulse
im Bereich von 10–40 A/dm2 lag. Sollten Leiterplatten mit einer Dicke
von über
2 mm hergestellt werden, so mussten die Stromdichten verringert
werden, wenn ein annehmbares Streuungsergebnis erzielt werden sollte.
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In
einem gemeinsamen Projekt mit dem Kurt-Schwabe-Institut für Mess-
und Sensortechnik e.V., Deutschland, wurde die Strömungsdynamik
bei der Kupferabscheidung untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchung
sind von Reents, B., Thies, A., Langheinrich, P. veröffentlicht
worden: „Online
measurement of flow and mass transfer in micro-holes with PIV and
an electrochemical sensor array" (On-Line
Messung der Strömung
und des Massentransports in Mikrobohrungen mittels PIV und einer
elektrochemischen Sensoranordnung). Proc. ISE Symp., 2002, Düsseldorf,
Deutschland. Die Einflüsse
auf die Kupferabscheidung in Sackloch-Mikrovias wurden als Teil
dieser Versuche dokumentiert und von Reents, B., Kenny, S. veröffentlicht: „The influence
of fluid dynamics on plating electrolyte for the successful production
of blind micro-vias" (Der
Einfluss der Strömungsdynamik
auf den Galvanisierelektrolyten zur erfolgreichen Herstellung von
Sackloch-Mikrovias). IPC Expo 2002 Proc. of the Techn. Conf. IPC,
Northbrook, III., USA (2002).
-
In
dem Fachartikel von G.Kruse: "Moderne
Konzepte bei horizontalen Anlagen", Galvanotechnik, (3) 2002, Seiten 672–684 wird
die Anwendung von Reverse-Pulsplating-Verfahren
in horizontalen Anlagen zur Kupferabscheidung auf Leiterplatten
mit Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis in einer Zusammenstellung verschiedener
Verfahrensmöglichkeiten
unter Berücksichtigung
der das Verfahren beeinflussenden Verfahrensmerkmale dargestellt.
Beispielsweise wird ein Pulsstromverfahren mit einem Vorwärtsstrom-Intervall
von 5–250
ms und einem Rückwärtsstrom-Intervall
von 0–5
ms beschrieben. Die Abhängigkeiten
einzelner Merkmale voneinander werden nicht angegeben.
-
In
US-A-6,071,398 ist ein Verfahren zum Elektroabscheiden von Metall
auf einem Substrat, beispielsweise einer Leiterplatte, offenbart,
bei dem eine gepulste periodische Stromsequenz angewendet wird,
die Vorwärts-
und Rückwärtsstromanteile
aufweist, deren Peakstromdichten in bestimmten Verhältnissen
eingestellt werden und zwar indem die Verhältnisse in periodischen Zyklen
so variiert werden, dass sich ein erstes, ein zweites und ein drittes
Verhältnis
ergibt, so dass die abgeschiedene Metallschicht ein gleichmäßiges Aussehen,
eine feinkörnige
Struktur und eine gleichmäßige Schichtdicke
aufweist. Die Vorwärts-Strompulse haben eine
Zeitdauer von 1–50
ms und die Rückwärts-Strompulse
eine Zeitdauer von 0,1–4
ms.
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Weiterhin
ist in US 2003/0019755 A1 ein Verfahren zum Abscheiden eines Metalls
auf einem Substrat, beispielsweise einer Leiterplatte mit Bohrungen
mit hohem Aspektverhältnis,
angegeben, bei dem das Metall dadurch abgeschieden wird, dass ein
elektrochemischer Abscheidepuls und elektrochemischer Auflösungspuls
nacheinander angewendet werden. Zwischen den Pulsen wird während mindestens
eines Tot-Zeitintervalls ein elektrochemisches Potential von 0 Volt
oder 0 Ampere angewendet. Die ersten zwei Abscheidepulse haben vorzugsweise
dieselbe Zeitdauer. Die Zeitdauer anschließender Abscheidepulse wird
allmählich
verringert. Dadurch wird eine lunkerfreie Schicht gebildet. Beispielsweise
beträgt
die Zeitdauer für
den Abscheidepuls 500–3000
ms, die Zeitdauer für
den Auflösungspuls
1–300
ms und die Zeitdauer des Tot-Zeitintervalls 1–500 ms.
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In
US 6,210,555 B1 ist
ferner ein Verfahren zum Abscheiden einer regelmäßigen Metallschicht auf einem
Substrat, beispielsweise einem Wafer mit sehr kleinen Sacklöchern, offenbart,
bei dem der angewendete elektrische Strom moduliert wird und aus
einer Abfolge von Pulsen besteht, die gegenüber dem Substrat kathodisch
sind, und Pulsen, die gegenüber
dem Substrat anodisch sind, wobei das Tastverhältnis der kathodischen Pulse
kleiner als 50 % und das Tastverhältnis der anodischen Pulse
größer als
50 % ist. Die Frequenz der sich periodisch wiederholenden Pulse
beträgt
10–5000
Hz. Beispielsweise beträgt
die Zeitdauer eines kathodischen Pulses 0,043 ms und die eines anodischen
Pulses 0,250 ms. In einem anderen Beispiel beträgt die Zeitdauer des kathodischen
Pulses 9,2 ms und die des anodischen Pulses 1 ms.
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Aus
dem oben Genannten ergibt sich, dass ein Hauptproblem beim elektrolytischen
Metallisieren von Leiterplatten mit Durchgangsbohrungen mit einem
hohen Aspektverhältnis
darin besteht, eine Metalischicht in den Bohrungen aufzu bringen,
die eine genügende
Dicke aufweist. Gleichzeitig muss die Metallisierung der Leiterplatten
mit einer minimalen durchschnittlichen Stromdichte durchgeführt werden,
um eine angemessene Leistungsfähigkeit
des Verfahrens zu gewährleisten,
was nur dann der Fall ist, wenn der Durchsatz und damit die Stromdichte
bei der Metallisierung hoch genug sind. Schließlich muss auch eine gute Oberflächenqualität sichergestellt
werden, d.h. das abgeschiedene Metall muss so eben und glänzend wie
nur möglich
sein.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die oben
erwähnten
Anforderungen zu erfüllen
und insbesondere auf Leiterplatten, deren Bohrungen ein hohes Aspektverhältnis aufweisen,
eine Metallschicht aufzubringen, die eine genügende Dicke aufweist. Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine höchstmögliche Leistungsfähigkeit
bei der elektrolytischen Metallisierung zu erzielen, wobei dies
darauf hinausläuft,
dass die Stromdichte bei der elektrolytischen Metallisierung von
Leiterplatten so hoch wie möglich
sein muss. Eine durchschnittliche Stromdichte von mindestens 3 A/dm2 wird als angemessen betrachtet.
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Diese
Probleme werden durch das Verfahren zum elektrolytischen Kupferbe schichten
von Werkstücken
mit Bohrungen mit einem hohen Aspektverhältnis nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
dient zum elektrolytischen Kupferbeschichten von Werkstücken, welche
Bohrungen mit einem hohen Aspektverhältnis aufweisen. Das Verfahren
umfasst folgende Verfahrensschritte:
- a. In-Kontakt-Bringen
des Werkstückes
mit einem Kupferabscheide-Elektrolyten,
der mindestens eine Verbindung, die Kupfermetall zu Kupferionen
oxidieren kann, enthält,
- b. In-Kontakt-Bringen des Kupferabscheide-Elektrolyten mit Kupfermetall
zur Erzeugung von Kupferionen aus dem Kupfermetall mittels der Kupfermetall
oxidierenden Verbindungen,
- c. Anlegen einer Spannung zwischen dem Werkstück und mindestens
einer inerten und dimensionsstabilen Anode, wodurch dem Werkstück ein Stromfluss
zugeführt
wird; der erzeugte Stromfluss ist ein Pulsumkehrstrom; der Pulsumkehrstrom
hat eine Frequenz von maximal 6 Hertz; jeder Zyklus des Pulsumkehrstromes
umfasst mindestens einen Vorwärts-Strompuls
und mindestens einen Reverse-Strompuls; die Dauer des mindestens
einen Reverse-Strompulses wird auf mindestens 8 ms eingestellt;
das Verhältnis
der Dauer des mindestens einen Vorwärts-Strompulses zur Dauer des
mindestens einen Reverse-Strompulses wird auf mindestens 15 eingestellt.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Verhältnis
der Dauer des mindestens einen Vorwärts-Strompulses zur Dauer des
mindestens einen Reverse-Strompulses
auf mindestens 18 eingestellt. Dieses Verhältnis kann bis auf höchstens
75 und vorzugsweise auf höchstens
50 eingestellt werden. Besonders bevorzugt wird das Verhältnis auf
etwa 20 eingestellt.
-
Die
Dauer des mindestens einen Vorwärts-Strompulses
kann vorzugsweise auf mindestens 160 ms und besonders bevorzugt
auf mindestens 240 ms eingestellt werden.
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Die
Dauer des mindestens einen Reverse-Strompulses kann vorzugsweise
auf mindestens 12 ms eingestellt werden.
-
Die
Peak-Stromdichte des mindestens einen Vorwärts-Strompulses am Werkstück kann
auf mindestens 3 A/dm2 eingestellt werden. Sie kann auf einen Wert
von höchstens
15 A/dm2 eingestellt werden. Besonders bevorzugt
beträgt
die Peak-Stromdichte des mindestens einen Vorwärts-Strompulses am Werkstück etwa 5,5
A/dm2.
-
Die
Peak-Stromdichte des mindestens einen Reverse-Strompulses am Werkstück kann
auf einen Wert von mindestens 10 A/dm2 eingestellt
werden. Sie kann auf einen Wert von höchstens 60 A/dm2 eingestellt werden.
Besonders bevorzugt liegt die Peak-Stromdichte des mindestens einen
Reverse-Strompulses am Werkstück
in einem Bereich von etwa 16 bis etwa 20 A/dm2.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die Anstiegszeit der Vorwärts- und
der Reverse-Strompulse in Abhängigkeit
von dem verfolgten technischen Ziel eingestellt werden.
-
Die
Werkstücke
sind vorzugsweise plattenförmig.
Es handelt sich dabei bevorzugt um Leiterplatten oder um andere
plattenförmige
elektrische Schaltungsträger,
beispielsweise um Halbleiter-Wafer (integrierte Schaltungen) oder
andere Hybrid(IC)-Schaltungsträger,
wie zum Beispiel Multi-Chip-Module.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte:
- a. eine erste Spannung wird zwischen einer
ersten Seite des Werkstückes
und mindestens einer ersten Anode angelegt, so dass der ersten Seite
des Werkstückes
ein erster Pulsumkehrstrom zugeführt
wird, wobei in jedem Zyklus dieses ersten Pulsumkehrstromes mindestens
ein erster Vorwärts-Strompuls
und mindestens ein erster Reverse-Strompuls fließen.
- b. eine zweite Spannung wird zwischen einer zweiten Seite des
Werkstückes
und mindestens einer zweiten Anode angelegt, so dass der zweiten
Seite des Werkstücks
ein zweiter Pulsumkehrstrom zugeführt wird, wobei in jedem Zyklus
dieses zweiten Pulsumkehrstroms mindestens ein zweiter Vorwärts-Strompuls
und mindestens ein zweiter Reverse-Strompuls fließen.
-
Was
diese letztere Ausführungsform
angeht, so können
der mindestens eine erste Vorwärts-Strompuls bzw.
der mindestens eine erste Reverse-Strompuls zu dem mindestens einen
zweiten Vorwärts-Strompuls bzw.
zu dem mindestens einen zweiten Reverse-Strompuls versetzt sein.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beträgt
dieser Versatz zwischen den ersten und den zweiten Strompulsen etwa
180°.
-
Zur
weiteren Verbesserung der Streuung kann der Stromfluss in jedem
Zyklus zwei Vorwärts-Strompulse
umfassen, wobei zwischen den zwei Vorwärts-Strompulsen und einem Reverse-Strompuls
eine Nullstromunterbrechung vorgesehen ist.
-
Im
weiteren Verlauf des Metallisierungsprozesses kann mindestens ein
Parameter des Pulsumkehrstroms variiert werden, wobei dieser Parameter
ausgewählt
ist aus einer Gruppe, umfassend das Verhältnis der Dauer des Vorwärts-Strompulses zur Dauer
des Reverse-Strompulses und das Verhältnis der Peak-Stromdichte des Vorwärts-Strompulses
zur Peak-Stromdichte des Reverse-Strompulses.
Es hat sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, das Verhältnis der
Peak-Stromdichte des Vorwärts-Strompulses
zur Peak-Stromdichte des Reverse-Strompulses beim Metallisieren
des Werkstücks
zu erhöhen
und/oder das Verhältnis
der Dauer des Vorwärts-Strompulses
zur Dauer des Reverse-Strompulses
zu verringern.
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In
einer Weiterentwicklung der Erfindung wird das Werkstück mit dem
Metallabscheide-Elektrolyten dadurch in Kontakt gebracht, dass der
Metallabscheide-Elektrolyt
mit einer Strömungsgeschwindigkeit
relativ zur Oberfläche
des Werkstücks
an diese herangeführt
wird. Der Metallabscheide-Elektrolyt wird vor zugsweise bewegt an
das Werkstück
herangeführt.
Weiter bevorzugt hat die Strömungsgeschwindigkeit
des Elektrolyten an der Oberfläche
des Werkstückes
eine Geschwindigkeitskomponente, die senkrecht zur Oberfläche des Werkstückes verläuft und
mindestens 1 m/s beträgt.
-
Neues
Kupfer kann durch Auflösen
von Kupfermetall zum Elektrolyten zugefügt werden. Zu diesem Zweck
enthält
der Verkupferungselektrolyt mindestens eine Verbindung, die dazu
in der Lage ist, Kupfermetall zu Kupferionen zu oxidieren. Eine
derartige oxidierende Verbindung kann beispielsweise eine Eisen(III)-Verbindung sein,
z.B. ein Eisen(III)-Ion, insbesondere Eisen(III)-Sulfat. Alternativ
kann diese oxidierende Verbindung auch Sauerstoff sein, das vorzugsweise
im Elektrolyten durch Auflösung
von Sauerstoff aus der Luft erzeugt werden kann.
-
Was
nun die oben angegebenen Untersuchungen betrifft, so wurden weitere
Versuche mit dem Ziel durchgeführt,
die Einflüsse
auf die Durchkontaktierung, insbesondere bei Bohrungen mit hohem
Aspektverhältnis,
zu untersuchen. Tabelle 1 gibt eine Übersicht über den in Betracht gezogenen
Mechanismus des Elektrolytaustausches sowie über die Einflussfaktoren.
-
Die
beeinflussenden Parameter wurden so konstant wie möglich gehalten
und die durch erzwungene Anströmung
künstlich
erzeugte Konvektion untersucht.
-
Eine
speziell gestaltete mehrlagige Leiterplatte mit elektrochemischem
Strömungssensor
wurde als Teil dieser Untersuchungen verwendet. Die schemati sche
Darstellung in 1 zeigt eine Bohrung in der
Testplatte. Diese Testplatte enthält eine Mikroelektroden-Anordnung.
-
Die
Testplatte wurde in einer Testkammer angeordnet, weiche eine Variation
der Schlüsselparameter in
der folgenden Weise ermöglichte:
- • Düsendurchmesser
- • Winkel α zwischen
dem Ffuidstrahl und der Werkstückoberfläche
- • Abstand
zwischen der Düsenmündung und
der Werkstückoberfläche
- • Laterale
Strömung
entlang der Werkstückoberfläche
- • Druck/Strömung
- • Elektrolytdichte
- • Impulspumpen
-
2 zeigt
die Testkammer. Diese Testkammer wird für hydrodynamische Untersuchungen
verwendet. Die Testkammer umfasst ein Gehäuse 1, in dem sich
eine verstellbare Scheibe 2 befindet. Die Testleiterplatte 3 ist
auf dieser Scheibe 2 vertikal angeordnet. Der mit dem Bezugszeichen 4 versehene
Gegenstand ist ein Anschlag. Die elektrochemische Zelle enthält auch
eine Gegenelektrode 5 und eine Referenzelektrode 6, welche
beide ebenfalls in 1 schematisch dargestellt sind.
Eine Düse 7 dient
dazu, die Oberfläche
der Leiterplatte 5 mit dem Metallabscheide-Elektrolyten
in einem Winkel α zu
beaufschlagen, wobei dieser Winkel α als der Winkel zwischen der
Achse der Düse 7 und
dem oberen rechten Teil der Testleiterplatte 3 definiert
wird, wie dies aus dieser Fig. ersichtlich ist. Schließlich ist
ein laterales Düsenverstellmittel 8 vorgesehen,
das eine Feineinstellung des Punktes ermöglicht, an dem der Metallabscheide-Elektrolyt
auf die Testleiterplatte auftrifft.
-
3 zeigt
einen Mikroschnitt durch einen Testkoupon, der eine Bohrung mit
einem Durchmesser von 0,2 mm aufweist und die Elektrodenanschlüsse in der
Innenlage zeigt, wobei die Ergebnisse der mit diesem Testkoupon
durchgeführ ten
Untersuchungen in 4 wiedergegeben sind. Diese
Fig. zeigt die Untersuchungsergebnisse für die Strömungsgeschwindigkeit und den
Sprühwinkel α in Abhängigkeit
vom Strom I an den einzelnen Innenlagen-Elektroden. Die Versuche
wurden unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
In der Innenlage
des Testkoupons kreisförmig
um die Bohrung mit d = 200 μm
gebildete Ringelektroden;
Die Aspektverhältnisse der in den Testkoupons
enthaltenen Bohrungen sind:
in 4.A:
1,3 (stromaufwärts)
in 4.B: 2,8 (in der Mitte);
in 4.C: 4,4 (stromabwärts).
-
Das
Aspektverhältnis
wird in jedem einzelnen Fall als das Verhältnis des Abstands zwischen
dem Bohrungseingang und der jeweiligen stromaufwärts vom Zentrum der Bohrung,
in der Mitte der Bohrung bzw. stromabwärts vom Zentrum der Bohrung
befindlichen Innenlage zum Bohrungsdurchmesser berechnet. Lx = –0,2mm
-
Die
Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids vj(y) war wie folgt:
- 1) 0,66 m/sec
- 2) 1,46 m/sec
- 3) 3,7 m/sec
- 4) 7,2 m/sec
- 5) 11,5 m/sec
-
Die
Kurven in den Diagrammen in 4 sind mit
den Ziffern 1, 2, 3, 4 und 5 bezeichnet
und entsprechen den oben angegebenen Strömungsgeschwindig keiten vj(y). Die Ergebnisse zeigen, dass ein maximaler Diffusionsstrom
bei einem Strömungswinkel
von 90° und
natürlich
bei der höchsten
Auftreffgeschwindigkeit erreicht wird.
-
In
größer angelegten
Versuchen wurde die PIV-Technik (Partikel Image Velocimetry) zur
Abbildung der Elektrolytströmung
durch eine Platte mit hohem Aspektverhältnis eingesetzt. 5 zeigt
die Versuchseinrichtung (Particle Image Velocimeter), die zur Durchführung der
Versuche verwendet wurde. Darin wird ein dynamisches System mit
zwei Laserstrahlen beleuchtet und das entstehende Interferenzmuster
in einer Kamera aufgezeichnet.
-
Die
Daten aus einem der Versuche zur Strömung durch eine Platte mit
einem hohen Aspektverhältnis sind
aus 6 ersichtlich, die die vertikale Strömung der
Lösung
durch die Platte mit hohem Aspektverhältnis darstellt. Die einzelnen
Pfeile zeigen die Richtung und die Größe der Geschwindigkeitsvektoren
an den jeweiligen Stellen des untersuchten Bereichs an.
-
Dank
der Versuchsergebnisse konnten Änderungen
am Uniplate®Inpulse®-System vorgenommen werden,
um die Herstellung von Sackloch-Mikrovias in der dargestellten Weise
zu verbessern.
-
Horizontale Anwendung:
-
Die
Standard-Inpulse®-Module zur horizontalen
Behandlung von Leiterplatten (in denen Platten zur Behandlung auf
einem horizontalen Weg und in horizontaler Transportebene befördert werden)
haben einen Abstand von 95 mm zwischen dem Sprühdüsenstock und der Kathode (Werkstück) und
einen Abstand von 75 mm zwischen Anode und Kathode. Im Inpulse® 2
sind sowohl der Sprühdüsenstock
als auch die Anode viel näher
an der Kathode angeordnet, wobei der Abstand zur Kathode für den Sprühdüsenstock
15 mm und für die
Anode 8 mm beträgt.
Dies ermöglicht
eine intensivere Elektrolytströmung
zur Platte hin und hat zusätzlich noch
den Vorteil, dass die Verwendung einer Anodenabschirmung bei gleichzeitigem
Erhalt einer hervorragenden Oberflächenverteilung entfallen kann.
Das eigentliche Sprühsystem
wurde ebenfalls geändert,
um das Fluid zielgerichteter auf die Platte hin zu bewegen. Diese Änderungen
dienen primär
einem effizienteren Anströmen
der Sackloch-Mikrovias. Unter Verwendung dieses Systems wurden Versuche
durchgeführt,
um die optimale Elektrolytzusammensetzung und die Pulse-Plating-Parameter
zu ermitteln, mit denen die beste Streuung in 3,2 mm dicken Platten
mit einem Aspektverhältnis
von 10:1 erzielt werden kann. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass
primär
die festgelegte Form des Pulses und die Einstellung des Elektrolyten
für die
Verbesserung der Streuung kritisch sind. Es hat sich herausgestellt,
dass die beste Elektrolytzusammensetzung die folgende ist:
Kupfer:
20 g/l
Schwefelsäure:
270 g/l
Chloridionen: 40 mg/l
Eisen(II): 7 g/l
Eisen(III):
1 g/l
Einebner Inpulse® H6: 1,7–2,0 ml/l
Glanzbildner
Inpulse®:
4,0–5,5
ml/l
-
Es
versteht sich, dass der Metallabscheide-Elektrolyt in gewissem Umfang
variieren kann. Die Streuung kann wirksam verbessert werden, wenn
die elektrische Leitfähigkeit
des Metallabscheide-Elektrolyten erhöht wird. Dies kann beispielsweise
dadurch geschehen, dass die Säurekonzentration
erhöht
wird. Die Konzentrationen an Zusatzstoffen sind typischer für Elektrolyte,
die darauf eingestellt sind, Platten mit einem hohen Aspektverhältnis zu
erzeugen. Die Kupferkonzentration ist insbesondere um 15–20 g/l
niedriger als in einem Standard-Inpulse®-Elektrolyten.
-
Die
Pulse-Plating-Parameter wurden von DC-(Gleichstrom)-Plating bei
4 A/dm2 zu Pulse-Plating mit Vorwärts-Pulsen
von 250 ms und Reverse-Pulsen von 25 ms geändert. Eine Auswahl der zusammen
mit der erzielten Streuung ver wendeten Parameter ist in Tabelle
2 wiedergegeben.
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Aufgrund
der schwachen Eckabflachung unter hohen Reverse-Bedingungen und
einer Oberflächenrauigkeit
wurden die besten Streuungsergebnisse bei einer mittleren Stromdichte
von 4 A/dm2 mit Vorwärts-Pulsen von 240 ms und bei
einer Stromdichte von 16 A/dm2 mit Reverse-Pulsen
von 10 ms und nicht von 25 ms erzielt. Es zeichnet sich eine allgemeine
Tendenz ab, dass die Streuung bei niedrigerer Frequenz erhöht wird,
was deutlich aus Tabelle 3 hervorgeht.
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In
allen Versuchen wurde eine Phasenverschiebung von 180° beim Pulsparameter
eingestellt. Dies bedeutet, dass der Reverse-Puls an die Anoden
an der einen Seite der Testplatte angelegt wurde und dass gleichzeitig
der Vorwärts-Puls an die Anoden
der anderen Seite angelegt wurde. Die schematische Darstellung der
Pulsform in 7 (Strom als Funktion der Zeit)
zeigt die Einstellung mit einer Phasenverschiebung zwischen den
oberen und den unteren Anoden (obere Kurve: Strom an der oberen
Seite der Kathode, untere Kurve: Strom an der Unterseite der Kathode).
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8 zeigt
Photos eines Mikroschnitts durch die Platte, die beim in Tabelle
2 dargestellten Versuch 6 aufgenommen wurden. In diesem
Fall wurde eine Platte mit einem Aspektverhältnis von 10:1, einer Dicke
von 3,0 mm und einem Bohrungsdurchmesser von 0,3 mm elektrolytisch
metallisiert. Wie ersichtlich, ist die erzielte Dicke im Zentrum
der Bohrung sehr niedrig, die Platte mit dem Inpulse 2-System weist
eine Streuung von etwa 70 % auf.
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Im
Vergleich zu ähnlichen
Platten würde
mit dem horizontalen DC-Plating-Verfahren
bei 3 A/dm2 eine Streuung von nur 30 % erzielt.
Unter vertikalen DC-Bedingungen
wird bei 2 A/dm2 eine Streuung von 55 % erreicht.
Nur mit dem Pulse-Plating-Verfahren wird eine Streuung von 90 %
unter vertikalen Standardbedingungen mit Bewegung des Elektrolyten
durch Luft erzielt, dies jedoch bei einer Stromdichte von 2 A/dm2. Wie im Folgenden erläutert, ist eine er zwungene
Bewegung zur Verbesserung der Streuung möglich. Aber selbst dies erfolgt
nicht bei einer derartig hohen Stromdichte.
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Vertikale Anwendung:
-
Beim
vertikalen Metallisieren von Werkstücken können Metallabscheide-Elektrolyte verwendet
werden, die dieselbe Zusammensetzung wie die oben für die Horizontalbehandlung
beschriebenen Metallabscheide-Elektrolyte aufweisen. In gleicher
Weise kann das vertikale Pulse-Plating-Verfahren unter denselben
Bedingungen wie bei der Horizontalbehandlung durchgeführt werden.
Daher wird in Bezug auf diese Bedingungen bei der vertikalen Metallisierung
auf die weiter oben gegebene Beschreibung hingewiesen.
-
Üblicherweise
wird der Elektrolyt in vertikalen Systemen durch Bewegen des eigentlichen
Elektrolyten mittels Luft in Kombination mit der mechanischen Bewegung
der zu metallisierenden Leiterplatte bewegt. Diese mechanische Bewegung
muss gewährleisten,
dass die Platten gleichförmig
bewegt und in vertikaler Ausrichtung im Elektrolyten gehalten werden.
Andernfalls würde
die Lösung
nicht gleichmäßig durch
alle Bohrungen in der Platte fließen. Um diese Kathodenbewegung
zu gewährleisten,
werden Einrichtungen verwendet, welche die Platten sicher festklemmen
und auch dazu verwendet werden, Strom zur Platte zuzuführen. Diese Bewegungssysteme,
Luftzufuhr in den Elektrolyten und Bewegung der Platte, können aufgrund
von undefinierter Bewegung durch Luft und aufgrund der durch die
durch die Bewegung entstandenen Blasen verursachte Bewegung der
Platten zu einem unregelmäßigen Transport
des Fluids führen.
-
Zur Überwindung
dieser Probleme werden zunehmend Eduktoren verwendet (Sprühdüsen, die
nach dem Venturiprinzip arbeiten, d.h. dass der erzeugte Sprühstoß zusätzliches
Fluid durch die Düse
treibt, so dass ein großer
Volumendurchfluss erzielt wird). Mit Eduktoren, die nach dem Venturiprinzip
arbeiten, können
kleine Pumpen größere Flüssigkeitsvolumina
befördern.
Die kineti sche Energie der einen Lösung bringt eine andere zum
Fließen.
Typischerweise kann die Verwendung von Eduktoren das Volumen der
bewegten Lösung
im Vergleich zum gepumpten Volumen um ein 4 bis 6-faches erhöhen. Dieses
vergrößerte Volumen
steht jedoch unter einem niedrigeren Druck als die direkt gepumpte
Lösung. 9 zeigt
zwei Größen von üblicherweise
in Systemen zur elektrolytischen Abscheidung von Kupfer verwendeten
Eduktoren. Der kleinere der abgebildeten Eduktoren pumpt ein kleineres
Volumen, ermöglicht
jedoch die Anordnung von mehreren Eduktoren an einem Rohr, wodurch
ein regelmäßigerer
Elektrolytfluss erzielt wird.
-
Derzeit
werden die Eduktoren in einen vertikalen Badbehälter so eingesetzt wie in 10 dargestellt, d.h.
auf dem Boden des Behälters
unterhalb der Kathode, wobei 10 die
Installation von Eduktoren in einer vertikalen Inpulse®-Anlage
in einer Ansicht von oben nach unten zeigt. Am Boden sind die Eduktoren 9 an
einem Zuführungsrohr 10 angeordnet.
-
Diese
Anordnung sieht zwei Rohre vor, die auf jeder Seite unterhalb der
Kathode angeordnet sind, wobei die Eduktoren einstellbar und nach
oben entweder zur Kathode hin oder von der Kathode weg gerichtet sind.
Es gibt ähnliche
Anordnungen, in denen die Eduktoren an einem einzigen direkt unterhalb
der Kathode verlaufenden Rohr angebracht sind, wobei die Eduktoren
in einem festen Winkel angebracht sind und abwechselnd von der Platte
weg weisen. Die mit dieser Einstellung einhergehenden Nachteile
bestehen darin, dass die Gleichmäßigkeit
des Elektrolytflusses von der Positionierung der Eduktoren sowie
vom Abstand zwischen der Düse
und der Platte abhängt.
-
Um
eine gleichmäßigere Anströmung zu
gewährleisten,
können
die Eduktoren zwischen den direkt auf die Kathode ausgerichteten
Anoden in der galvanischen Zelle positioniert werden. Diese Anordnung
hat den Vorteil, dass eine direktere Elektrolytströmung zur
Platte hin erzielt wird, und ist in 11 in
einer Ansicht von oben auf die Seite der Anordnung dargestellt.
Die Eduktoren 9 sind, wie aus dieser Fig. ersichtlich,
auf den Seiten des Behälters
vor den Ano den 11 angeordnet. Der Nachteil aller Eduktorenanordnungen
besteht darin, dass die Elektrolytströmung entlang der Oberfläche der
Platte nie ganz gleichmäßig sein
kann. Es muss ein Kompromiss zwischen der Anzahl an Eduktoren und
der Gleichmäßigkeit
der Strömung
gefunden werden.
-
Um
die durch die Verwendung von Eduktoren verursachte Beeinträchtigung
auf die Gleichmäßigkeit der
Strömung
zu überwinden,
wurde ein bewegliches Sprühsystem
entwickelt, das in einem Versuchsbehälter unter Laborbedingungen
getestet wird. Das System besteht aus einem Düsenkopf, der regelmäßig über die Oberfläche der
Kathode verfahren wird und eine intensive Anströmung der Platte und der Durchgangsbohrungen
am Ort des Sprühvorgangs
erzwingt. Der Kopf bewegt sich in einer Ebene zwischen der Anode
und der Kathode und fördert
den Elektrolyten in Richtung zur Platte hin. Er ist so bemessen,
dass er den Prozess der elektrolytischen Abscheidung nicht stört. Anfangsergebnisse
mit Platten mit einem hohen Aspektverhältnis zeigten eine deutliche
Verbesserung der Streuung im Vergleich zu einer Standardbewegung
mit Luft und eine gleichmäßigere Abscheidung
im Vergleich zu einer bewegten Einrichtung mit Eduktoren im gleichen
Maßstab. 12 zeigt
die Ergebnisse bei der Metallisierung einer 3,0 mm-Platte mit einer
0,3 mm-Bohrung (Aspektverhältnis
10:1) unter Verwendung des beweglichen Sprühsystems. Die durchschnittliche
Stromdichte beim elektrolytischen Metallisieren betrug 2 A/dm2. Es ergab sich eine Streuung von 90 bis
95 %. Verstärkungsmetallisierung
wurde mit DC-Abscheidung
in horizontalen Durchlaufanlagen bei einer Stromdichte von 5 A/dm2 durchgeführt.
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Die
Untersuchungen wurden fortgesetzt und richteten sich auf die Anwendung
von Parametern in so genannten Batch-Metallisierungsprozessen, um
die Streuung zu erbessern, insbesondere in Platten, die dicker als
5 mm sind. Die Pulsparameter werden während des Metallisierungszyklus' geändert. Normalerweise
wird am Anfang des Zyklus' eine
starke Reverse-Ladung angewendet, um eine gute Streuung zu erzielen,
welcher dann eine niedrigere Reverse-Ladung am Ende des Metallisierungszyklus' folgt, um eine gute
Oberflächen beschaftenheit
zu erreichen. Ein Beispiel einer solchen Metallisierungsfolge ist
in Tabelle 4 wiedergegeben.
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13 zeigt
die Metallisierungsergebnisse einer 5,0 mm-Platte mit einer 0,5
mm-Bohrung (Aspektverhältnis
10:1) unter Verwendung einer modifizierten Abfolge beim Pulse-Plating-Verfahren
zusammen mit dem beweglichen Sprühsystem,
um einen optimalen Elektrolytaustausch zu erzielen. Die durchschnittliche
angelegte Stromdichte beträgt
1,7 A/dm2. Es ergab sich eine Streuung von
95–100
%.
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Die
Verwendung von optimierten Pulsparametern sowie das Bewegen des
Elektrolyten verbessern die Streuung bei Tests in Versuchsanlangen
deutlich.
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Daher
haben Versuche in grundlegender Elektrochemie einen starken Einfluss
der Elektrolytbewegung auf die Charakteristik bei der elektrolytischen
Abscheidung von Kupfer gezeigt. Unter experimentellen Bedingungen
zeigen an der horizontalen Inpulse®-Anlage
vorgenommene Änderungen
zusammen mit optimierten Metallisierungsparametern eine Verbesserung
der Streuung.
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In
vertikalen Anlagen ist die Verwendung von Eduktoren zur Verbesserung
der Bewegung dabei, in neuen Anlagen in die Standardausführung aufgenommen
zu werden. Bewegungssysteme, mit denen in vertikalen Anlagen eine
genauso gute Bewegung wie in horizontalen Anlagen erzeugt werden
kann, konnten noch nicht realisiert werden. In der Versuchsanlage
zeigt der Einsatz einer beweglichen Sprüh-Flut-Anlage Vorteile.
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Die
Variation der Pulsparameter während
der Abscheidung von Kupfer hat die Möglichkeit aufgezeigt, die Streuung
mit aggressiven Parametern zu verbessern, wobei gleichzeitig eine
optimale Oberflächenbeschaffenheit
dadurch erhalten wird, dass am Ende der Behandlungszeit (Zykluszeit)
mildere Pulsparameter verwendet werden. Tabelle
1: Elektrolytaustauschmechanismus und Einflussfaktoren
Tabelle
2: Testbedingungen für
Inpulse
® 2-Versuche
mit 3,2 mm dicken Platten
Tabelle
3: Testbedingungen für
Inpulse
® 2-Versuche
mit 3,2 mm dicken Platten, 0,3 mm Bohrungen, I
mittel =
4 A/dm
2 Tabelle
4: Pulse-Plating-Folge für
Versuche mit dicken Platten
Tabelle 3: Testbedingungen für Inpulse® 2-Versuche mit 3,2 mm dicken Platten, 0,3 mm Bohrungen, Imittel = 4 A/dm2
Tabelle 4: Pulse-Plating-Folge für Versuche mit dicken Platten
