Bài 24. Mạ điện đồng cho bo mạch, linh kiện điện tử, bán dẫn

Lâu lâu rồi không viết bài chia sẻ cùng anh chị em. Lần này, em dự định viết một chuỗi gồm khoảng 4 bài liên quan tới dung dịch mạ đồng ứng dụng để mạ cho các bo mạch, linh kiện điện tử, bán dẫn (trong bài viết sẽ gọi chung là mạ đồng cho lĩnh vực điện tử). Bài thứ nhất: Tổng quan về mạ điện đồng ứng dụng cho lĩnh vực điện tử: thành phần cơ bản và công dụng của từng thành phần (suppressor, accelerator và leveler). Bài thứ 2, phương pháp phân tích dung dịch mạ bằng máy CVS (Cyclic Voltammetric Stripping). Bài thứ 3, phương pháp phân tích thành phần suppressor trong dung dịch mạ đồng bằng CVS. Bài thứ 4, phương pháp phân tích thành phần accelerator và leveler trong dung dịch mạ điện đồng bằng CVS.

Thực ra, mảng này em chưa viết vì e là rất ít anh chị em quan tâm tới lĩnh vực này. Các công nghệ này nằm chủ yếu trong các công ty lớn nên hiểu biết về nó còn khá mông lung. Tuy nhiên, không đi thì không bao giờ tới, em sẽ cố viết chi tiết và dễ hiểu nhất để anh chị em tham khảo và hy vọng giúp ích gì cho nay mai.

 

Đặt vấn đề

Để dễ hình dung cho bài viết này, em đặt luôn vấn đề như sau. Bây giờ có một mẫu nền đã hoạt hóa bề mặt như Hình 1(a), cần mạ đồng sao cho ra được kết quả như Hình 1(b). Đối với dung dịch mạ thông thường, thường cho ra kết quả như Hình 1(c) hoặc 1(d). Hình 1(e) là ví dụ điển hình khi chụp SEM phần cắt ngang lớp mạ không đạt yêu cầu.

Hình 1. Ví dụ về (a) hình dạng và (b) yêu cầu của lớp mạ đồng cho chip (IC). Một số kết quả khi mạ (c), (d) và ảnh SEM thực tế khi sử dụng dung dịch mạ đồng với một số phụ gia khác nhau.

 

Giới thiệu

Đồng là kim loại được sử dụng nhiều nhất cho công nghiệp điện tử làm chất dẫn trong các bo mạch (interconect) bởi vì giá đồng rẻ, mạ dễ dàng, tính chất cơ lý tốt. Đồng có độ dẫn điện là 5.96 × 10^7 (S/m), tốt hơn vàng (4.11 × 10^7) và chỉ kém bạc (6.3 × 10^7). Vì vậy, đồng được lựa chọn làm chất dẫn phổ biến cho các bo mạch hay linh kiện điện tử như chips (IC - Integrated Circuit). Độ dẫn điện của đồng bị giảm khi mật độ tạp chất có mặt trong mạng tinh thể tăng lên.

Trong công nghiệp điện tử, đồng được sử dụng làm chất dẫn điện chính trong các bo mạch, IC. Khi thiết kế các bo mạch PCB hay FPCB, các lá đồng mỏng được dán lên nền, sau đó sử dụng các lớp mặt nạ che phủ, tiếp theo sử dụng tia laser in tạo mạch. Phần mặt nạ bị đốt bởi tia laser, để lộ ra lớp đồng. Phần lộ ra này được ăn mòn bằng các dung dịch ăn mòn tạo thành các rãnh ngăn cách các đường dẫn với nhau.

Bo mạch PCB có thể có một hay nhiều lớp khác nhau được liên kết với nhau thông qua các lỗ, hoặc các lỗ đó cũng có thể làm chân để hàn gắn các linh kiện điện tử khác lên sau này (Hình 2). Các lỗ này được mạ đồng thông qua quá trình mạ hóa học, mạ bốc bay và kết hợp với mạ điện. 

Hình 2. Ví dụ về cấu trúc yêu cầu mạ cho một bo mạch PCB.

 

Đối với các chip xử lý (IC), cấu trúc chip bao gồm nhiều lớp xếp chồng lên nhau và được kết nối bởi những cầu dẫn bằng đồng. Cầu dẫn này cũng được làm bằng phương pháp mạ điện (còn gọi là Damascene process).

Đối với những dung dịch mạ đồng cho những ứng dụng này quan trọng nhất là lớp mạ cần điền đầy vào các lỗ hay các rãnh có kích thước từ vài trăm nanomet tới vài chục micromet. Suy nghĩ thông thường trong quá trình mạ, phần bề mặt sẽ gần anode hơn có mật độ dòng cao hơn, sẽ được mạ nhiều hơn so với phần ở xa, dẫn tới lớp mạ sẽ phân bố chủ yếu trên bề mặt, không mạ hoặc mạ yếu ở vùng xa hơn. Kết quả là lớp mạ có chứa các khuyết tật hoặc lỗ trống bên trong (voids and defects), ảnh hưởng rất đáng kể tới khả năng dẫn điện của mạch.

Để giải quyết vấn đề trên, các phụ gia hữu cơ được nghiên cứu để sử dụng cho dung dịch mạ đồng. Phụ gia này có tác dụng ức chế sự hình thành lớp mạ ở phần gần anode và tăng tốc tốc độ mạ ở vùng xa anode. Dung dịch thương mại hiện nay chủ yếu sử dụng 3 loại phụ gia hữu cơ có tác dụng khác nhau rõ ràng: (1) Suppressor (ức chế), như PEG; PPG hay hỗn hợp PEG-PPG; (2) Accelerator (tăng tốc, còn gọi là brightener), như SPS, DPS, MPSA; và (3) Leveler (chất san phẳng), như JGB, BTA, DTAC, PEI.

Dung dịch mạ đồng sử dụng cho lĩnh vự điện tử có thành phần cơ bản tương tự với các dung dịch mạ đồng khác sử dụng cho mạ trang trí, nền nhựa POP… Sự khác biệt chủ yếu đến từ các thành phần phụ gia, trong mạ trang trí hay nền nhựa POP yêu cầu lớp mạ có độ bóng cao (độ san phẳng cao) còn mạ cho lĩnh vực điện tử, yêu cầu lớp mạ có khả năng điền đầy cao.

Dưới đây sẽ đi vào phân tích vai trò của từng thành phần trong dung dịch trên

 Bảng 1. Thành phần của một dung dịch mạ đồng sử dụng trong lĩnh vực điện tử.

 

Vai trò từng thành phần dung dịch mạ đồng sử dụng cho lĩnh vực điện tử

Dung dịch mạ điện đồng sử dụng cho lĩnh vự điện tử, vô điều kiện dung dịch gồm có CuSO4, H2SO4, Cl– và 3 thành phần phụ gia: Suppressor (ức chế), accelerator (tăng tốc) và leveler (san bằng). CuSO4 và H2SO4 thì ai cũng biết, là nguồn cung cấp ion Cu2+ và H2SO4 là dung dịch dẫn (conductive và charge carrier). Vai trò các thành phần khác như sau:

Accelerator

Accelerator còn gọi là brightener, với dung dịch mạ đồng thì accelerator được sử dụng nhiều như SPS (Bis-(sodium sulfopropyl)-disulfide). SPS trong dung dịch mạ đồng có khả năng khử thành MPS (mercaptopropanesulfonic acid) vai trò giống như chất xúc tác làm tăng tốc độ quá trình mạ đồng. Accelerator có kích thước phân tử nhỏ, có khả năng khuếch tán nhanh tới các vùng ở xa anode, làm tăng tốc mạ cho vùng đó. Như Hình 3a, accelerator là các hạt tròn, nhỏ khuếch tán xuống phần đáy của chữ U, xúc tiến quá trình mạ xảy ra ở các vị trí này.

 Hình 3. Vai trò của từng thành phần trong dung dịch mạ đồng sử dụng cho lĩnh vực điện tử.

 

Suppressor

Suppressor, sử dụng phổ biến nhất là PEG (polyethylene glycol) với khối lượng phân tử tối thiểu là 600. Trong dung dịch mạ đồng, PEG liên kết với Cu2+ và Cl–, hình thành phức PEG-Cu²⁺-Cl^– hấp thụ mạnh lên bề mặt. Phức này có kích thước lớn (quyết định do kích thước phân tử PEG), nằm trên bề mặt phía gần anode hơn làm ức chế quá trình mạ xảy ra ở vùng này (Hình 3).

Leveler

Ở thời điểm đầu quá trình mạ, suppressor và accelerator là rất quan trọng để quá trình mạ tập trung vào các vùng xa anode. Tuy nhiên, khi khoảng cách giữa hai vùng này tiến gần tới nhau thì leveler trở nên quan trọng trong việc làm phẳng lớp mạ. Leveler có xu hướng ức chế quá trình mạ ở vùng có điện thế cao và tăng tốc quá trình mạ ở vùng có điện thế thấp. Có thể nói, leveler là chất như kết hợp của cả accelerator và suppressor, tuy nhiên, các tính chất này xảy ra ở những vùng có kích thước nhỏ hơn hẳn so với 2 chất trên. Leveler phổ biến sử dụng cho mạ đồng là JGB (Janus Green B) với nồng độ khoảng 0.5~0.8 ppm.

Ba thành phần trên đều bị tiêu hao trong quá trình mạ. PEG thì bị gãy thành các mảnh có phân tử có khối lượng phân tử nhỏ hơn. SPS thì bị oxi hòa tan trong nước, hoặc oxi sinh ra từ anode oxi hóa thành MPS hay PDS không còn khả năng xúc tiến. Bình thường, leveler bị tiêu hao chậm hơn 2 thành phần trên, nhưng vẫn phải kiểm soát và bổ sung trong quá trình mạ.

Sản phẩm thương mại thường công bố luôn nồng độ và thành phần chính (CuSO4, H2SO4 và Cl–), sau đó các nhà cung cấp chỉ cung cấp các phụ gia để bổ sung. Vì việc tiêu hao các phụ gia là không đồng đều nên phải phân tích nồng độ từng thành phần để bổ sung cho phù hợp. Việc phân tích từng thành phần, em sẽ đề cập ở các bài viết sau.

 

Kết luận

Bài viết này, sơ bộ giới thiệu về các thành phần trong dung dịch mạ đồng ứng dụng mạ cho (F)PCB hay các linh kiện điện tử. Để đi sâu vào phân tích, nghiên cứu và giải thích nguyên lý tác dụng từng thành phần thì cần các bài viết cụ thể hơn. Vì vậy, bài viết tiếp theo, trước tiên em sẽ viết về ứng dụng của Cyclic Voltammetric Stripping (CVS) để đọc, nghiên cứu tác dụng của một số phụ gia trong quá trình mạ điện. Sau đó, sẽ có ứng dụng cụ thể trong từng trường hợp.

 

Chú ý: Những bài viết của em cũng được lưu lại trong trang blog cá nhân: http://ngvanphuong.blogspot.com/ Các ACE nếu có đăng lại bài viết của em, vui lòng ghi nguồn tham khảo bằng link trên hoặc là: "Nguyễn Văn Phương, MSC Co., Ltd. Incheon, Korea" nhé. Em xin cảm ơn.