专利名称：沉积无铅锡合金的方法
技术领域：
本发明涉及沉积无铅锡合金的方法。更具体地说，本发明涉及抗非正常沉积和局部沉积的无铅锡合金沉积方法。
背景技术：
JP61-194196公开了一种使用有机磺酸槽通过电镀沉积锡铅合金的方法。从中可得知，通过电解质组合物的电流的间歇中断或反向会增强沉积物形成晶须的抵抗性。电流密度是2A/dm2。电流通过电解质组合物的周期部分不长于80秒，最好在20秒到50秒之间。其它周期部分不短于3秒，最好在5秒到20秒之间。
如上文所述，根据已知的电镀方法，其它周期不短于3秒。如果在沉积锡铋合金形式的无铅锡合金时使用这一已知方法，就需要注意以下的不足。
晶须的形成已经成为而且将继续成为一个越来越严重的问题。由一个和另一个周期部分组成的一个周期即一个工作-非工作周期太长，以至于不能有效抑制须状晶须的形成(一个不足)。局部沉积已经成为而且将继续成为一个越来越严重的问题。当电流中断时，在阳极和阴极上或阳极和阴极周围会发生铋的无电沉积。当铋无电沉积显示出高电离倾向时，很难完成均匀的沉积过程(另一个不足)。
虽然不希望受到理论的限制，但晶须的形成被认为是基于枝晶长大。用无间断电流电镀的沉积物表面经常发现晶须的形成。晶体的结构、晶体增长的各向异性和阴极表面中的亲和力会导致枝晶前体的出现。电镀电流通过枝晶前体部分，导致在这些部分上产生高密度电流。暴露于高密度的电流下加速了这些部分的沉积，并导致了枝晶长大。众所周知晶须是短路的主要原因，所以仍然需要一种方法可以沉积无铅锡合金而不形成晶须，以生产高质量的产品。
阴极表面附近的金属离子的密度在加速沉积期间降低，形成一个电偶层，导致从阴极表面分离的枝晶前体处的金属离子密度的增加，导致电镀沉积物的局部浓缩。
发明内容
本发明的目的在于防止在无铅锡合金的电镀沉积物表面形成晶须。因此，本发明的一个目的是提出一种不形成晶须和电镀沉积物局部浓缩的沉积无铅锡合金的方法。本发明的特定目的是提出一种在电镀期间通过抑制电偶层形成而沉积无铅锡合金的方法。
根据本发明的一个实施例，提供了一种在底基上沉积无铅锡合金的方法，该方法包括使底基接触用于沉积无铅锡合金电解质组合物；在工作周期部分期间使电流沿第一方向周期地通过用于在底基上沉积无铅锡合金的电解质组合物；和在非工作周期部分期间周期地阻止电流沿第一方向通过电解质组合物。
图1是执行根据本发明的沉积无铅锡合金方法的电镀设备的部分截面图。
图2展示了随着时间的改变表示通过电镀组合物的电流的大小和方向的指令信号的图表，展示了本发明的一个实施例。
图3展示了随着时间的改变表示通过电镀组合物的电流的大小和方向的另一指令信号的图表，展示了本发明的又一个实施例。
图4是一个包含实验结果的表格。
图5绘出了实验结果。
具体实施例方式
如在本说明书中所使用的，除非特殊说明，否则以下简写代表以下意思g＝克；L＝公升；mL＝毫升；℃＝摄氏温度；A/dm2＝安培每平方分米。术语“沉积”和“电镀”在说明书中可以互换。所有的数据范围都包括。
市场上提供的任何类型的电镀设备都可用来执行根据本发明的沉积无铅锡合金的方法，而不需任何实质的改变或修改。参照图1，标号1指示了一个包含用于在底基上沉积无铅锡合金的电解质组合物2的电镀槽。阳极3和阴极浸于电解质组合物2中，包括外伸部分5的半导体装置4连接到阴极上。在这种情况下，外伸部分5作为阴极，且是被电镀的底基。阳极3和阴极被连接到一个整流器6。响应指令信号(如图2)，整流器6可以使电流沿一个方向周期地通过阳极3和阴极之间的电解质组合物2，以便在工作周期部分期间在外铅部分5上沉积无铅锡合金。当然，在非工作周期部分期间整流器6可以周期地阻止或抑制电流通过。
外伸部分5只是一个待电镀的底基实例。底基可以是电子元件。电子元件可以是铅框架、半导体包装、连接器、接触件、片形电容器或塑料。合适的塑料包括塑料层压板，如印刷布线板，特别是包铜印刷布线板。
底基与电解质组合物可以本领域所熟知的任一种方式接触。
根据本发明的一个实施例，制备烷醇磺酸槽的槽组分作为电镀锡铋合金的电解质组合物。电解质组合物包括浓度为200±25g/L的烷醇磺酸、浓度为45±5g/L的锡烷醇磺酸、浓度为1.1±0.6g/L的铋烷醇磺酸，和PF-05M(化学产品商标名，由ISHIHARA CHEMICAL CO.，LTD提供)。电解质组合物维持在40±5℃。在工作周期部分，用于电镀的电流密度不大于5A/dm2，优选在4.5A/dm2。根据本发明的一个实施例，具有以上密度的电流在工作周期部分内沿一个方向或第一方向周期地通过电解质组合物，以便在外伸部分上沉积锡铋合金。为了抑制在阴极表面附近金属离子密度的降低，通过在非工作周期部分期间周期地中断通过电解质组合物的电流，从而在非工作周期部分期间周期地阻止电流沿第一方向通过。
参照图2，工作-非工作周期由工作周期部分和随后的非工作周期部分组成。频率范围从每秒1次到每秒5次。每个工作-非工作周期的非工作周期部分a与开它的工作周期部分b的比率，即a/b比率不小于0.2。为实现在合理的时间周期内进行电镀，a/b比率优选为0.3。
图3展示了本发明的另一个实施例。此实施例与以上所描述的实施例基本上相同，除了在非工作周期部分期间周期地阻止电流沿第一方向通过的方式不同。在本实施例中为了更有效地抑制在阴极表面附近金属离子密度的降低，通过在非工作周期部分期间使电流沿与第一方向相反的第二方向周期地通过电解质组合物，而在非工作周期部分期间周期地阻止沿第一方向的电流。这可以通过在非工作周期部分内周期地建立反向电势状态，以便使通过电解质组合物的电流换向来实现。
用上述锡铋(Sn-Bi)槽测试或评估图2所示的电流控制过程中的十个样本或实例。图4和图5中是电镀的结果。
例#1开/关比率＝8/2，即a/b比率是2/8(0.25)；频率＝每秒1次。电镀结果非正常沉积的发生率＝0/10(＝0％)。
例#2开/关比率＝7/3，即a/b比率是3/7(0.43)；频率＝5次每秒。电镀结果非正常沉积的发生率＝0/10(＝0％)。
例#3开/关比率＝7/3，即a/b比率是3/7(0.43)；频率＝每秒5次。电镀结果非正常沉积的发生率＝0/10(＝0％)。
不优选的例#4开/关比率＝7/3，即a/b比率是3/7(0.43)；频率＝每秒10次。电镀结果非正常沉积的发生率＝1/10(＝10％)。
不优选的例#5开/关比率＝8/2，即a/b比率是2/8(＝0.25)；频率＝每秒5次。电镀结果非正常沉积的发生率＝3/10(＝30％)。
不优选的例#6开/关比率＝8/2，即a/b比率是2/8(＝0.25)；频率＝每秒5次。电镀结果非正常沉积的发生率＝3/10(＝30％)。
不优选的例#7开/关比率＝9/1，即a/b比率是1/9(0.11)；频率＝每秒1次。电镀结果非正常沉积的发生率＝3/10(＝30％)。
不优选的例#8开/关比率＝9/1，即a/b比率是1/9(0.11)；频率＝每秒5次。电镀结果非正常沉积的发生率＝3/10(＝30％)。
不优选的例#9开/关比率＝9/1，即a/b比率是1/9(0.11)；频率＝每秒10次。电镀结果非正常沉积的发生率＝2/10(＝20％)。
不优选的例#10开/关比率＝10/0，即a/b比率是0/10(＝0)；频率＝每秒0次。电镀结果非正常沉积的发生率＝6/10(＝60％)。
可以应用于本发明的无铅锡合金不限于上述的锡铋合金。无铅锡合金包括从包括铜、银和锌的组中选出的第二金属与锡的组合。
为电镀锡-铜合金，使用烷醇磺酸槽进行锡-铜(Sn-Cu)电镀。用于电镀锡-铜合金的电解质组合物包括烷醇磺酸、锡烷醇磺酸、铜烷醇磺酸，和T-130CU(化学产品商标名，由石狩湾化学有限公司出品)。
为电镀锡-银合金，锡-银(Sn-Ag)电镀使用烷醇磺酸基的酸槽进行。用于电镀锡铜合金的电解质组合物包括烷醇磺酸基的酸，锡烷醇磺酸基的酸，银烷醇磺酸基的酸和HIS-008(化学产品商标名，由ISHIHARA CHEMICAL CO.，LTD生产)。
虽然已详细描述本发明及其优点，但应该理解的是在不离开本发明的精神和范围的前提下，可对本发明进行多种变化、替代和改变。
本发明要求于2002年12月25日提交的号为2002-375604的日本专利申请的优先权，该申请在此被整个并入作为参考。
权利要求
1.一种在底基上沉积无铅锡合金的方法，它包括使底基接触用于沉积无铅锡合金的电解质组合物；在工作周期部分期间使电流沿第一方向周期地通过电解质组合物，以便在底基上沉积无铅锡合金；和在非工作周期部分期间周期地阻止电流沿第一方向通过电解质组合物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，底基包括一个半导体装置的外伸部分。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，周期地阻止包括在非工作周期部分期间周期地中断提供到电解质组合物的电流。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，周期地阻止包括在非工作周期期间沿与第一方向相反的第二方向周期地使电流通过电解质组合物。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个周期的非工作周期部分与工作周期部分的比率不小于0.2。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，周期以从每秒1次到每秒5次范围内的频率重复。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，沿第一方向通过的电流的电流密度不大于5A/dm2。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，无铅锡合金包括从包括铋、铜、银和锌与锡的组中选出的第二金属与锡的组合。
全文摘要
本发明提供了一种用于在底基上沉积无铅锡合金的方法。底基包括半导体装置的外伸部分。底基与用于沉积无铅锡合金的电解质组合物接触。在工作周期部分期间，电流沿第一方向周期地通过电解质组合物，以便在底基上沉积无铅锡合金。在非工作周期部分期间，周期地阻止电流沿第一方向上通过电解质组合物。
文档编号H01L23/48GK1510174SQ20031011302
公开日2004年7月7日 申请日期2003年12月25日 优先权日2002年12月25日
发明者松田元秋, 伊部雅博, 博 申请人:恩益禧电子股份有限公司