封装载板减成法蚀刻ORP对蚀刻速率的影响及控制.pdf
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1、2023春季国际PCB技术/信息论坛32图形形成与产品检测 Graphic formation and Inspection封装载板减成法蚀刻ORP对蚀刻速率的影响及控制 Paper Code:S-056 王怡悰 彭广胜 田生友 李志东(武汉新创元半导体有限公司,湖北 武汉 430070)摘 要 随着芯片封装载板逐渐向细型、薄型发展,图形蚀刻精度对线宽/间距、铜厚等参数存在重要影响,对该过程的稳定性进行控制是保障产品品质的重要一环。本课题对减成法蚀刻的过程进行了研究,探明多余铜被蚀去是因为发生了氧化还原反应。其中由二价铜离子充当氧化剂,产物亚铜离子与氯离子形成络合物后再被双氧水氧化为铜离子,重
2、新参与反应,这种动态过程导致了蚀刻速率的波动。研究发现,蚀刻过程的速率受到铜离子浓度与氧化还原电位的影响,前者可通过溶液比重表征,而后者受到铜离子、双氧水与盐酸浓度的多重影响,直接关系到蚀刻速率。文章将从反应角度探究蚀刻氧化还原电位大小对蚀刻速率的影响,旨在通过控制氧化还原电位在一定范围以达到稳定的蚀刻效果,有望提高减成法蚀刻产品的品质,实现精细线路的精准蚀刻。关键词 封装载板;减成法蚀刻;氧化还原电位;蚀刻稳定性 中图分类号:TN41 文献标识码:A 文章编号:1009-0096(2023)增刊-0032-05 Study on the influence of oxidation-redu
3、ction potential onetching rate in package substrate tenting etching and its control Wang Yicong Peng Guangsheng Tian Shengyou Li Zhidong Abstract With the gradual development of chip packaging substrates to small and thin types,the pattern etching accuracy has an important impact on parameters such
4、as line width/spacing and copper thickness.Therefore,controlling the stability of this process is an important part of ensuring product quality.In this project,the process of reduced etching was studied,and it was found that excess copper was etched due to redox reaction.In it,the divalent copper io
5、n acts as an oxidant,and the product cuprous ion forms a complex with chloride ion and then is oxidized to copper ion by hydrogen peroxide and re-participates in the reaction,which leads to fluctuations in the etching rate.It is found that the etching rate is affected by the concentration of copper
6、ions which can be characterized by the specific gravity of solution,and oxidation-reduction potential which is directly related to the etching rate.In this paper,the influence of etching redox potential on etching rate will be explored from a microscopic perspective,aiming to achieve stable etching
7、effect by controlling the oxidation-reduction potential in a certain range,which is expected to improve the quality of tenting etching products and achieve accurate etching of fine lines.Key words Package Substrate;Tenting Etching;Oxidation-Reduction Potential;Etching Stability33图形形成与产品检测 Graphic fo
8、rmation and Inspection 2023春季国际PCB技术/信息论坛1 课题背景随着半导体行业的快速发展,芯片封装工艺也面临着越来越多的挑战,逐渐向高密度、高精度、高性能等方向发展,这对制成精度提出了更高的要求,芯片封装载板的小型化、薄型化也使得图形蚀刻成型过程的稳态管控更加重要1。在封装载板的制成过程中,药水蚀刻是将目标图形转移至加工基板最为重要的一部分,对于线宽、间距、铜厚等参数有着直接的影响2,同时也关系着同批次产品的品质差异。在印制电路板减成法中,常用的蚀刻液包括FeCl3溶液、硫酸/双氧水溶液、碱性CuCl2溶液以及酸性CuCl2溶液3。其中前三种蚀刻液体系具有腐蚀设备
9、、溶液不稳定以及产生氨气的缺点,相较之下,酸性CuCl2溶液体系具有更优越的蚀刻性能,可以通过对该体系中的蚀刻稳定性进行研究来确定工艺参数。在酸性CuCl2溶液体系中,主要产生作用的成分为铜离子、盐酸以及氧化剂。蚀刻进行时,基板裸露的铜与铜离子发生氧化还原反应后被蚀去,生成的亚铜离子与氯离子络合,产生游离络离子。过程中起氧化作用的铜离子不断被消耗,对蚀刻速率产生影响,因此还需加入氧化剂使亚铜转化为铜离子重新参与反应。在一系列反应过程中,蚀刻量速率会受到溶液比重、蚀刻温度、氧化还原电位(ORP)、氯离子浓度、pH以及喷压等因素的影响。从氧化还原反应的原理方面进行分析,氧化还原电位能够决定反应趋势
10、,对蚀刻速率至关重要,想要得到稳定的蚀刻效果,可以从稳定氧化还原电位方面入手。2 蚀刻过程分析2.1 蚀刻反应在酸性CuCl2溶液体系中,二价铜离子作为氧化剂与载板表面裸露的单质铜进行反应,反应方程式如下4:式(1)根据能斯特方程可计算反应的氧化还原电位5:其中,从动力学角度分析,则反应常数 ,反应速率可忽略不计,反应(1)几乎不可能发生,但是蚀刻液中富含的氯离子可与生成物亚铜离子反应为氯化亚铜沉淀,反应方程式如下:式(2)反应常数 ,反应(2)反应速率远远大于反应(1),联立(1)(2)反应,可发生如下反应2:式(3)该反应常数 ,由于反应(2)的存在,利用铜离子为氧化剂与单质铜反应进行图形
11、蚀刻是可行的,但是过程中铜离子不断消耗,反应速率随之降低。同时,反应生成的沉淀将附着在铜层表面,阻碍后续氧化还原反应的发生6。不过,当溶液中氯离子浓度足够高,还可与亚铜离子继续络合,成为游离三氯合亚铜络离子(CuCl32-),从而提高蚀刻速率,反应方程式如下:式(4)u2 21根据能斯特方程可计算反应的氧化还原电位5:2|2|?ln22|0.520.160.36其中,2,0.16,0.52从动力学角度分析,1则反应常数11 0.36 964878.314 298.158107,反应速率可忽略不u2 21根据能斯特方程可计算反应的氧化还原电位5:2|2|?ln22|0.520.160.36其中,
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