JP2008057049A - 内部熱スプレッダめっき方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の熱管理のために構成された熱スプレッダと他の部品をめっきする方法を提供する。
【解決手段】細長い上方チャネル１２２と細長い下方チャネル１２１とを形成する複数の非導電性シールド１３０と、入口を通って下方チャネルに入り、上方チャネルに向かって流れるように、あらゆるめっき溶液を向けるように配向された一連の入口を備えるめっき溶液スパージャと、上方チャネルおよび下方チャネルの外部に、その全長に沿って配置された複数のアノードとを備える、改良方法およびめっきシステム１００。方法は、加工物９００をめっき溶液に浸漬させることと、加工物を少なくとも部分的にチャネルの内部に配置することと、アノードと加工物との間に電流を流し、加工物をチャネルの全長に沿って移動させることとを含む。
【選択図】図２Ａ

Description

本出願は、参照によって本明細書に完全に組み込まれる米国仮出願第６０／２７２８０５号の利益を主張する。

本発明の分野は、半導体装置の熱管理のために構成された熱スプレッダと他の部品をめっきする方法である。

一般的な連続めっきシステムは、細長いめっき室／セルと、部品がめっきされている間、セルの全長に沿って部品を移動させるように構成された移動機構とを備える。めっき室は、一端からめっき室に入り、他端からめっき室を出る部品のめっきを、部品がめっき室の全長を横断する時間までに完了することができるように、十分長い。

図１Ａを参照すると、Ｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｃ．から入手可能なＭＰ３００など、以前から知られているめっきシステムは、垂直溶液スパージャ１１を使用して、めっき溶液８０をめっき区画１２内に導入し、入ってくる溶液８０をめっきされる部品９０に向ける。知られているシステムは、電気絶縁シールド１３をも使用して、カソード／部品９０と１つまたは複数のアノードバスケット１４との間の電流の流れを操作する。図１に示したように、シールド１３とめっきされる部品９０との距離Ｄ１は、部品９０が、部品９０とシールド１３との間に配置された垂直スパージャ１１の間で移動することを可能にするように、十分長い。図１のシステムと同様なシステムは、めっき溶液８０に浸漬されためっきされる縁９１と、めっき溶液８０の外部に配置されている反対側の縁９２とを有する、印刷回路板９０の単一縁９１をめっきするために、通常使用される。図１のシステムと同様なシステムは、めっきのために使用される内部セル１５と、溶液が戻るための外部セル１６と、１つまたは複数の流体入口１５Ａと、１つまたは複数の流体出口１６Ａとを通常備える。流体は、通常、流体入口１５Ａを通って内部セル１５に入り、内部セル１５を流れ出て外部セル１６に入り、次いで、流体出口１６Ａを通って外部セル１６から流れ出る。

残念ながら、以前から認識されているかいないかにかかわらず、図１のシステムと同様なシステムは、加工物上の最適な金属分布を常に提供するとは限らない。したがって、向上した金属分布を有するめっきシステムが必要である。

本発明は、改良めっきシステムおよび方法を対象とし、改良めっきシステムは、細長い上方チャネルおよび細長い下方チャネルと、入口を通って下方チャネルに入り、上方チャネルに向かって流れるように、あらゆるめっき溶液を向けるように配向された一連の入口を備えるめっき溶液スパージャとを備えるようなものである。そのようなシステムの好ましい実施形態は、細長い上方チャネルと細長い下方チャネルとを形成する複数の電気絶縁シールドを備え、上方チャネルおよび下方チャネルは、それぞれ、１インチ（約２５ｍｍ）以下の幅と、電源に電気結合され、かつ上方チャネルまたは下方チャネルの内部に配置された複数の部品保持クランプと、入口を通って下方チャネルに入り、上方チャネルに向かって流れるように、あらゆるめっき溶液を向けるように配向された一連の入口を備えるめっき溶液スパージャと、上方チャネルおよび下方チャネルの外部に、その全長に沿って配置された複数のアノードとを有する。

加工物をめっきする改良方法は、めっきする加工物をめっき溶液のボリュームに浸漬させることと、めっきする加工物を、少なくとも部分的に上方めっきチャネルおよび下方めっきチャネルの内部に配置することとを含み、上方めっきチャネルおよび下方めっきチャネルが、非導電性側面を備え、チャネルが、互いに対向して配置され、かつ互いから離れており、チャネル間の分離が、めっきする加工物の中心にほぼわたって位置する１対の溶液出現スロットを形成し、方法がさらに、加工物と１つまたは複数のアノードとの間に電流を流すことを含み、電流の流れが、溶液出現スロットを通過し、方法がさらに、シールドに本質的に平行である加工物の表面上に、１つまたは複数の内部熱スプレッダを形成するために、めっきチャネルの全長に沿って、めっきする加工物を移動させることを含む。

析出速度は、本明細書に記述したシステムに見られるより乱流の溶液流とより少ないカソードアノード制限とを通して、大きく増大することができることが予期される。

加工物をめっきするために、本明細書に記述しためっきシステムを使用することにより、加工物間のめっきがより均一になり、また各部品が、セルの内部の同じ深さに配置され、かつ同じシールド分布を有する結果として、オーバーめっきがより少なくなることが予期される。

本明細書に記述した方法および装置は、別個の部品の全表面をめっきするのに特に適しており、より具体的には、半導体装置の熱管理のために構成された内部熱スプレッダ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｈｅａｔ Ｓｐｒｅａｄｅｒ、ＩＨＳ）または他の部品をめっきするのに特に適している。

本発明の様々な目的、特徴、態様、および利点は、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な記述と、ならびに添付の図面とから、より明らかになるであろう。図面では、同じ符号は、同じ構成要素を表している。

加工物９００上に向上した金属分布を提供する、改良めっきシステム１００を図２Ａに示す。改良システム１００では、従来のめっきシステムに見られる垂直スパージャ（図１のスパージャ１１）は排除され、流体８００は、水平スパージャ１１０として作用する室の底面を通って室１２０に入る。垂直スパージャを排除することによって、めっきされる部品９００とシールド１３０との距離Ｄ２を、低減することができる（対応して、チャネルの側面を形成するフィールド間の距離Ｄ４も低減される）。めっきされる部品９００とシールド１３０との距離Ｄ２は、１インチ（約２５ｍｍ）以下であることが好ましく、０．５インチ（約１３ｍｍ）以下であることがより好ましい。

図２Ａのシステムは、図１のシステム（Ｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｃ．ＭＰ３００）を以下の方式で修正することによって獲得することが可能である。（１）管状垂直溶液スパージャを排除して、それらを、溶液が、側面からではなく、部品の底面から上面まで、めっきする部品の周囲を乱流として進むように、下方プレナムに製造された穴１１１と置き換える。（２）溶液の速度を増大させる。（３）シールドを移動してめっきする部品（カソード）により近付ける。（４）クランプと部品が、シールド間で移動することを依然として可能にしながら、部品を適切に保持するように、部品保持クランプを十分に狭く組み込む。および（５）まずめっき／部品保持固定具を洗浄および乾燥し、その後、めっき部分と固定具の下半分を洗浄および乾燥する、複式洗浄および乾燥プロセスを組み込む。

流体の流れが、第１のチャネルを通って第２のチャネルに向かい、図２Ａおよび２Ｂに示したようにチャネル間のギャップ１３１に対して配置された部品９００に向かって流れるように、流体の流れを向けるために、穴／入口１１１を有し、かつ上方チャネル１２２と下方チャネル１２１とによって少なくとも部分的に形成された室１２０の端部に配置された１つまたは複数の水平スパージャ１１０を使用することは、より乱流の流体の流れと、対応するより速い析出速度とを提供すると予期される。望ましい乱流を獲得するために、上方チャネルと下方チャネルとの距離Ｄ５（ギャップ１３１の幅）は、加工物９００の高さＤ６の２０パーセント程度に低いことが好ましい。

本質的に、図２Ａのシールド１３０は、狭い上方めっきチャネルと下方めっきチャネル（１２１および１２２）とを形成し、それを通って、めっきされる部品は、上方めっきチャネル１２２の内部に配置された一方の縁９０２と、下方めっきチャネル１２１の内部に配置された反対側の縁９０１とを有する各部品９００と共に移動する。シールド１３０は、電気的に絶縁されているので、加工物９００とアノードバスケット１４０との間の電流の流れは、上方シールドと下方シールドとの間のギャップ１３１を通過させられる。チャネル１２０内の部品９００の位置および移動は、部品９００をクリップ１７０にクリップ固定し、クリップ１７０を移動させることによって達成される。

図３Ａは、図１のシステムが使用する部品保持クランプ／クリップ１７０Ａの当初の構成を示し、一方図３Ｂは、図２Ａのシステムで使用される改良クリップ１７０を示す。クランプ構成は、クリップ１７０の厚さＤ５を低減することによって、シールドと、クランプによって保持されている加工物との距離Ｄ２を０．５インチ（約１３ｍｍ）以下に低減することを可能にするように修正されていることに留意されたい。

めっきされる部品よりアノードの近くにシールドを移動させることによって、シールドを使用してアノードを遮蔽するのではなく、シールドによって形成された狭いチャネルの内部で加工物を移動させることによって、めっきシステムの加工物／カソードを遮蔽することにより、加工物上の析出金属の分布が、より良好になることが予期される。したがって、シールド１３０とアノード１４０との距離Ｄ３は、めっきされる部品９００とシールド１３０との距離Ｄ２より大きいことが予期される。

図２Ａのシステムを使用する方法１０００は、以下のステップを含むことが可能である（図４参照）。ステップ１０１０、すなわち、めっきする加工物９００をめっき溶液８００のボリュームに浸漬させる。ステップ１０２０、すなわち、めっきする加工物９００を、少なくとも部分的に上方めっきチャネル１２２および下方めっきチャネル１２１の内部に配置し、上方めっきチャネルおよび下方めっきチャネルが、非導電性側面（シールド１３０）を備え、チャネル１２１および１２２が、互いに対向して配置され、かつ互いに離れており、チャネル間の分離が、めっきする加工物９００の中心にほぼわたって位置する１対の溶液出現スロット１３１を形成する。ステップ１０３０、すなわち、加工物９００と１つまたは複数のアノード１４０との間に電流を流し、電流が、溶液出現スロット１３１を通過する。およびステップ１０４０、すなわち、１つまたは複数の内部熱スプレッダ（９１１、９２１）の上に電気析出層を形成するために、めっきする加工物９００をめっきチャネル１２１および１２２の全長に沿って移動させる。加工物９００の表面（９１０、９２０）は、この動作中、シールド１３０に本質的に平行である。

以上の方法は、１つまたは複数の以下のステップをさらに備えることが可能である。ステップ１００５、すなわち、めっき中に加工物を保持および移動させるように構成されたフレームに、加工物を結合する。ステップ１０５０、すなわち、めっき後、加工物を湿らせたまま、フレームの少なくとも一部を洗浄および乾燥する、第１洗浄および乾燥サイクルを実施する。およびステップ１０６０、すなわち、第１洗浄および乾燥サイクル後、加工物を内部セル１５０から取り外して、洗浄および乾燥する、第２洗浄および乾燥サイクルを実施する。まずフレームを乾燥する、そのような２ステッププロセスの使用により、しみのない加工物の乾燥が得られるが、その理由は、クリップからの潜在的に汚染された洗浄水が、加工物の上に再析出するおよび／または加工物にしみをつけることができないからである。

以下のステップも、以上の方法において使用されたとき、有利であることが立証される可能性がある。ａ）加工物／部品とクリップとを清浄水で洗浄する。ｂ）しみにかまわず、クリップのみを乾燥する。ｃ）クリップを乾燥させたまま、部品のみを超純水で洗浄する。ｄ）部品を乾燥する。この乾燥方法により、クリップからの汚染された洗浄水が、乾燥中に部品の上にはねかかって、熱スプレッダにしみを付ける可能性が防止される。

この方法の変形形態は、加工物９００上の最適なめっき分布または少なくともより均一なめっき分布を獲得するために、１インチ（約２５ｍｍ）以下の幅を有し、および／またはチャネル間のスロット１３１の幅を調節するステップを含むチャネルの使用を含むことが可能である。

好ましい実施形態では、水平スパージャ１１０は、チャネル内で乱流を提供するように、適切に寸法決めされる。セルがオーバーフローしないように、十分に排水が可能であるように注意しなくてはならない。また、めっき流体が、セルより上のクリップの部分にはねかからないようにしながら、クリップの浸漬部分の上に乱流を達成するのは困難である。クリップの上にはねかかった溶液は、前述した洗浄乾燥の懸念の一因となる。

室１２０は、表面のはねかけを最小限に抑えながら、加工物を横断する乱流を見込むことが好ましい。これは、一般に、所与の直径を有する一連の穴を備える放出プレナム（水平スパージャ１１０）を構成することによって達成される。これらの穴は、流体をクリップ内に含まれている部品に向けるような方式で穴あけされる。めっき溶液は、バルブ型リストリクタを通して、このプレナムを通ってくみ上げられ、このバルブは、めっき溶液の表面にはねかけを生じずに、最大流を達成するように調節される。放出プレナムと部品との距離、放出プレナムの穴の直径、およびプレナムを通る流速は、すべて、溶液表面のはねかけを最小限に抑えながら、加工物における乱流を最大にするように設定される。

シールド１２０は、電気絶縁材料のシートを備えることが好ましい。シートには、スロットが、電流の流れを可能にするように機械加工されており、スロットは、めっきする部品の中心に配置される。スロットの長さは、流れる電流が制限されているアノードの長さと一致すべきであり、スロットの高さは、電気めっきされた構成要素の上に最良の金属分布を提供するように選択される。経験的に、約１／４”（約６．４ｍｍ）のスロットは、側面の正方形熱スプレッダ１ １／４”（約３２ｍｍ）をめっきするのに十分な電流を可能にする。この例では、シールドは、めっきする部品を含んでいるクリップの１／２”（約１３ｍｍ）内で移動された。

好ましい実施形態では、溶液の速度は、乱流の領域内に明らかにあるようなものである。これは、めっき電解液を加工表面において補充するために重要であり、補充は、金属析出速度を増大させるために必要である。上述したセルを使用して、電解液をベースとするスルファメートからニッケルを析出させるとき、２ミクロン／分を超える析出速度を達成した。

システム１００は、以下の金属、すなわちＮｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｂｉ、またはこれらの合金の１つまたは複数８００を析出させるように構成された金属電解液と共に使用するように、特に適合されていることが予期される。

システム１００は、加工物９００が、半導体装置から熱を除去または散逸させるように特に構成された１つまたは複数の銅熱スプレッダを備える場合に、有利に使用される可能性があることが予期される。代替として、銅は、アルミニウム、アルミニウムシリコン合金、コバール合金４２、またはそれらの合金で置き換えることが可能である。

好ましいシステムおよびまたは方法を使用することにより、析出された金属の厚さが、めっきされる加工物の表面上で、１ミクロン未満だけ変化するように、金属の均一な分布を維持しながら、少なくとも２ミクロン／分の析出速度が得られることが予期される。約４ミクロンのニッケルで電気めっきされたサンプルの３１ｍｍの正方形熱スプレッダは、部品上で、３．５ミクロンから４．５ミクロンの膜均一性を有していた。最適化された遮蔽方法を使用せずにめっきされた同一部品は、通常、最低で３ミクロンから最高で６ミクロンを超えていた。

以上のように、改良めっきシステムの特定の実施形態と応用を開示した。しかし、当業者には、すでに記述した修正以外の多くのさらなる修正が、本明細書の発明の概念から逸脱せずに可能であることが明らかなはずである。したがって、本発明の主題は、添付の請求項の精神において他に限定されない。さらに、本明細書と請求項の両方を解釈する際に、すべての用語は、文脈と矛盾しない最も広範な可能な方法で解釈されるべきである。具体的には、「備える」と「備えている」という用語は、非排他的な方法で、要素、構成要素、またはステップを指し、参照された要素、構成要素、またはステップが、存在する、または使用される、あるいは明らかには参照されていない他の要素、構成要素、またはステップと組み合わせることが可能であることを示すと解釈されるべきである。

従来の技術のめっきシステムの斜視図である。 本発明を具体化するめっきシステムの斜視図である。 図２Ａのシステムにおいてめっきされる部品の詳細図である。 図１のシステムにおいて使用するのに適したクリップの上面図である。 図２Ａのシステムにおいて使用するのに適したクリップの上面図である。 本発明を具体化する方法の概略図である。

Claims (18)

1. 細長い上方チャネルおよび細長い下方チャネルと、
   入口を通って前記上方チャネルおよび前記下方チャネルの一方に入り、前記上方チャネルおよび前記下方チャネルの他方に向かって流れるように、あらゆるめっき溶液を向けるように配向された一連の入口を備えるめっき溶液スパージャとを備えるめっきシステム。
2. アノードと、
   第１表面導電性表面、第２導電性表面、および周辺縁を備えるほぼ平面のカソードとをさらに備え、前記第１導電性表面および前記第２導電性表面が、互いにほぼ平行で、かつカソードの両側に配置され、
   前記スパージャが、前記第１導電性表面または前記第２導電性表面のいずれかに対するのと同程度に、前記カソードの前記周囲縁に対して少なくとも接近して配置される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記スパージャが、前記カソードとほぼ同一平面上の平面において、前記入口を通って前記カソードに向かって流れるように、あらゆるめっき溶液を向ける、請求項２に記載のシステム。
4. 前記上方チャネルおよび前記下方チャネルのそれぞれが、前記カソードとほぼ平行な、２つのほぼ平面でかつ平行な非導電性側面を備え、
   前記カソードが、前記非導電性側面間において、前記上方チャネルおよび前記下方チャネルのそれぞれの内部に少なくとも部分的に配置される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記上方チャネルおよび前記下方チャネルが、互いに対向して配置され、かつ互いに離れており、前記チャネル間の分離が、１対の溶液出現スロットを形成し、
   電流が、前記出現スロットを通る以外に、前記アノードと前記カソードとの間を流れることを防止するように、前記チャネルが構成される、請求項４に記載のシステム。
6. 前記出現スロットが、前記カソードの中心線に対してほぼ平行に配置される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記カソードが、誘電体基板を備え、前記導電性表面が、前記誘電体基板上に熱スプレッダを形成するのを促進するように構成される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記上方チャネルおよび前記下方チャネルのそれぞれが、１インチ以下の幅を有する、請求項１に記載のシステム。
9. 前記スパージャが、水平に配置され、かつ前記入口を通って前記下方チャネルに入り、前記上方チャネルに向かって流れるように、あらゆるめっき溶液を向ける、請求項１に記載のシステム。
10. 前記上方チャネルおよび前記下方チャネルのそれぞれが、０．５インチ以下の幅を有する、請求項１に記載のシステム。
11. 前記上方チャネルおよび前記下方チャネルのそれぞれが、０．５インチ以下の幅を有し、電源に電気結合され、かつ前記上方チャネルまたは前記下方チャネルの内部に配置された複数の部品保持クランプをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
12. 前記上方チャネルおよび前記下方チャネルの外部に、前記上方チャネルおよび前記下方チャネルの全長に沿って配置された複数のアノードをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
13. 前記上方チャネルおよび前記下方チャネルが、ある距離だけ離れ、前記上方チャネルおよび前記下方チャネルの少なくとも一方が、移動して、前記距離を変化させるように構成される、請求項１に記載のシステム。
14. めっきされる部品からチャネル壁までの最短距離が、前記チャネル壁とアノードとの最短距離より短い、請求項１に記載のシステム。
15. アノードと、平面カソードと、スパージャと、複数の電気絶縁シールドとを備え、
    前記複数のシールドのそれぞれが、前記アノードと前記カソードとの間に配置されるが、前記スパージャと前記カソードとの間には配置されず、前記複数のシールドのそれぞれが、前記カソードとほぼ平行な２つの基準面の一方とほぼ同一平面上にあり、
    前記スパージャが、前記カソードとほぼ同一平面上の平面に沿って、前記カソードの縁に向けてめっき流体を向けるように構成されるめっきシステム。
16. 加工物をめっきする方法であって、
    めっきする加工物をめっき溶液のボリュームに浸漬することと、
    めっきする加工物を、上方めっきチャネルおよび下方めっきチャネルの内部に少なくとも部分的に配置することとを含み、前記上方めっきチャネルおよび前記下方めっきチャネルが、非導電性側面を備え、前記チャネルが、互いに対向して配置され、かつ互いから離れており、前記チャネル間の距離が、めっきする加工物の中心にほぼわたって位置する１対の溶液出現スロットを形成し、方法がさらに、
    電流を前記加工物と１つまたは複数のアノードとの間に流すことを含み、前記電流が、前記溶液出現スロットを通過した後でのみ、前記上方チャネルおよび前記下方チャネルに流れ込み、方法がさらに、
    シールドに本質的に平行な前記加工物の表面上に、１つまたは複数の内部熱スプレッダを形成するために、前記めっきする加工物を前記めっきチャネルの全長に沿って移動させることを含む方法。
17. めっき中に前記加工物を保持および移動させるように構成されたフレームに、前記加工物を結合することと、
    めっき後、加工物を湿らせたまま、前記フレームの少なくとも一部を洗浄および乾燥する第１洗浄および乾燥サイクルを実施することと、
    第１洗浄および乾燥サイクル後、前記加作物を洗浄および乾燥する第２洗浄および乾燥サイクルを実施することとをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 水を前記第１洗浄サイクルおよび前記第２洗浄サイクルに使用し、前記第２洗浄サイクルが、前記第１洗浄サイクルに使用された水より少ない不純物を有する水を使用する、請求項１７に記載の方法。

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