電子元件封裝製程金屬化的形狀與尺寸的精密度涵蓋毫米、微米、到奈米尺度。在電鍍製程中，鍍件表面的電流分佈控制是主要影響因素。電解質導電度、陰極與陽極表面電化學反應動力、電解液流體力學、電鍍槽陰極與陽極形狀、尺寸、相對位置、電流屏蔽等對電流分佈都有決定性的影響。以電腦軟體協助電鍍槽設計與電鍍製程模擬，將有助於生產線新鍍件或電鍍槽設計快速優化，或者是藉由電流分佈或電位分佈計算結果有助於深入了解電鍍製程問題診斷。
本文將從以下大綱，介紹運用模擬計算設計高精密電鍍銅設備時，所需之基本模擬概念。
‧簡介
1. 封裝金屬化製程
2. 電沉積速率分佈
3. 模擬內容
‧電流分佈模擬原理、方程式、邊界條件
1. 基本原理
(1) 電流在電解質中的流動
(2) 流過電極上的電流
2. 控制方程式與邊界條件
(1) 一次電流分佈
(2) 二次電流分佈
‧模擬計算結果與討論
1. 赫爾電鍍槽的一次電流分佈
(1) 數學模型
(2) 電流與電位分佈
2. 赫爾電鍍槽的二次電流分佈
(1) 數學模型
(2) 電流與電位分佈
3. 多陽極電鍍模型的二次電流分佈
(1) 數學模型
(2) 電流與電位分佈
‧結語
【內文精選】
簡介
1. 封裝金屬化製程
半導體製程的精準度隨著技術發展逐年提高，其封裝技術也由早期的「球柵陣列」(Ball Grid Array; BGA)封裝精進到「細間距球柵陣列」(Fine Pitch BGA; FBGA)封裝、「晶圓級晶粒尺寸封裝」(Wafer Level Chip Scale Package; WLCSP)等，精密度涵蓋毫米、微米、到奈米尺寸。在封裝製程中，電子元件金屬化精密度亦隨之提高，半導體元件之間的連線也由微米縮小到奈米；連線金屬則由早期的鋁金屬演進到較高導電度的銅(Cu~1.67, Al~2.67 μΩ·cm)。印刷電路板上各元件接腳的通孔電鍍(Through Hole Plating)（圖一）與盲孔(Blind Hole)或晶片半導體元件接線的鑲嵌銅製程(Damascene Process)（圖二），對傳統電鍍製程呈現新的挑戰。這些製程需要在較高電流密度區域沉積較少的銅，在較低電流密度區域沉積較多的銅。要達成前述目的，可藉由電鍍液組成調整來達成。控制鍍件表面的電流分佈或電場電位分佈，進而影響到區域性電化學反應速率、分子吸附程度，最終操控銅離子在鍍件表面的沉積速率與分佈。
圖二、盲孔或鑲嵌銅製程。(a)傳統電鍍，在鍍層上層封孔，鍍液封埋在鍍層孔洞中；(b)由下而上電鍍(Bottom-up Plating)，如同深孔鍍膜，沉積由盲孔底部沉積較快、逐步填滿
不論是盲孔電鍍、通孔電鍍、選擇性電鍍，都是控制局部的電流分佈與電化學反應來達到目的。這些可以透過電腦軟體模擬計算，快速了解陰陽極形狀、位置、電流屏蔽結構、電化學反應等因素對電流分佈的影響。而金屬沉積速率與電流密度的關係可由法拉第定律(Faradaic Law)計算出來。
模擬計算結果與討論
將上節中所提出的方程式及邊界條件，套用於要求解的電鍍槽系統中，便可以得到在該系統中的電流分佈。以下便先檢視赫爾電鍍槽的電流分佈，是否與文獻吻合，以確認模型之正確性；再結合實驗結果，對模型中的參數進行調整，作為後續模擬所使用。
1. 赫爾電鍍槽的一次電流分佈
赫爾電鍍槽廣泛用於電鍍行業，它可作為鍍浴情況的快速檢驗方法。赫爾電鍍槽具有如圖五所示的梯形形狀，陰極以傾斜的角度面向陽極，單一次電鍍實驗便可以在陰極上觀察到寬廣的電流密度變化，如此可在很短的時間內檢查寬廣範圍電流密度下沉積的厚度和品質。
(2) 電流與電位分佈
電位分佈如圖五所示。高電位（圖中的紅色）接近陽極側，低電位（圖中的藍色）接近陰極側。陽極和陰極的電位均勻，由於這是陽極和陰極上的電位恆定的一次電流密度模型。陰極上電流密度的分佈也在圖中顯示出，在陰極靠近陽極的區域觀察到高的電流密度，遠離陽極的陰極呈現低電流密度區域。
圖五、赫爾電鍍槽形狀、邊界條件，與所計算出的電位分佈
將計算得到的一次電流密度分佈與圖六中的文獻數據進行比較，計算結果與文獻數據之間的一致性良好。計算的數據與高電流密度區域的文獻數據略有不同（圖六中z > 0.9），這是由於在計算中使用了較粗糙（較大元素）的結點....…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：薛康琳／國立聯合大學能源工程學系；周雅靜／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」382期，更多資料請見下方附檔。