基于多物理場耦合的印制電路電鍍銅互連研究.pdf

1、功能化、集成化、小型化和高可靠性的電子信息產(chǎn)品要求作為搭載元器件、功能模塊以及芯片實(shí)現(xiàn)電氣互連的印制電路板向高密度化、高可靠性方向發(fā)展。高密度互連印制電路板的線路微細(xì)化，特別是實(shí)現(xiàn)層間互連的孔更小、密度更高，孔金屬化就成為了高密度互連印制電路層間互連高可靠性的關(guān)鍵。高密度互連印制電路板層間互連孔金屬化是通過電鍍高品質(zhì)、高性能的銅來實(shí)現(xiàn)，要求電鍍銅表現(xiàn)出表面銅層厚度的均勻性與填銅的平整性，從而使印制電路產(chǎn)品形成良好的層間電氣互連，滿足可靠

2、性要求。電鍍銅作為高密度互連板制造的關(guān)鍵技術(shù)，電鍍液的穩(wěn)定性與銅鍍層的均勻性一直是電鍍銅互連研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。然而，電鍍銅過程作用機(jī)理復(fù)雜，而且鍍槽幾何形狀、鍍液傳質(zhì)方式、添加劑組分性質(zhì)、電力線分布、溫度場等都會影響鍍層性能。因此，引入多物理場耦合的數(shù)值模擬技術(shù)研究電鍍銅過程特征非常必要。本文將圍繞高密度互連印制電路板電鍍銅互連技術(shù)開展盲孔填銅、通孔電鍍銅與圖形電鍍銅的研究，其對高密度互連板電鍍銅工藝與電化學(xué)體系的數(shù)值模擬具有重要的科學(xué)

3、意義與實(shí)用價值。
　　采用循環(huán)伏安法（CV）、恒電流法（GM）與動電位極化法研究了加入聚二硫二丙烷磺酸鈉（SPS）、環(huán)氧乙烷-環(huán)氧丙烷嵌段共聚物（EO/PO）與聚環(huán)氧乙烷亞胺鹽（PEOPI）的酸性鍍液體系的電化學(xué)行為。GM測試結(jié)果表明，酸性鍍銅液中EO/PO與Cu?、Cl?形成EO/PO-Cu?-Cl?吸附在電極表面，有效印制銅的沉積。SPS與EO/PO在電極表面吸附表現(xiàn)出不同的吸附效果，SPS可以吸附在未被占據(jù)的活性位點(diǎn)，也可以

4、取代EO/PO吸附的位點(diǎn)，加速銅的沉積。CV測試結(jié)果表明，EO/PO在電極表面形成飽和吸附層的臨界濃度較低（?5 mg/L），加入量達(dá)到200 mg/L的EO/PO處于過飽和狀態(tài)，其在電鍍銅過程中的消耗可忽略不計(jì)。對加入不同濃度添加劑的電鍍液體系進(jìn)行 CV測試與動電位極化測試，結(jié)果表明：鍍液體系加入PEOPI時，銅沉積反應(yīng)受PEOPI濃度與旋轉(zhuǎn)圓盤電極（RDE）轉(zhuǎn)速影響較大。對電化學(xué)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到不同變量（如添加劑覆蓋率、添

5、加劑濃度、RDE轉(zhuǎn)速、交換電流密度與極化曲線斜率等）之間的關(guān)系可應(yīng)用于后續(xù)電鍍銅過程的數(shù)值模擬。
　　構(gòu)建印制電路盲孔填銅模型，進(jìn)行電鍍銅物理場之間的耦合，用有限元方法模擬了盲孔填銅過程，并對其填銅效果進(jìn)行了系統(tǒng)分析。采用CuSO4·5H2O、H2SO4與Cl?組成的基礎(chǔ)鍍液體系進(jìn)行盲孔銅填充，數(shù)值模擬結(jié)果表明，電場線在孔口聚集所形成的高電流密度區(qū)會導(dǎo)致夾斷效應(yīng)的產(chǎn)生，最終使孔內(nèi)填銅形成空洞。然而，采用CuSO4·5H2O、H2S

6、O4、Cl?、SPS、EO/PO與PEOPI的鍍液體系進(jìn)行盲孔填銅，盲孔內(nèi)部發(fā)生銅沉積反應(yīng)使孔內(nèi)有效沉積區(qū)域減小，這樣 SPS在孔內(nèi)銅面的相對吸附量顯著增加，從而加速孔底銅的沉積，加快孔內(nèi)部銅的生長。在填銅后期，PEOPI的吸附使部分SPS失效，有效抑制了過填充現(xiàn)象。盲孔填銅通過SPS、EO/PO與PEOPI之間的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)了盲孔填銅的超等角沉積。數(shù)值模擬出盲孔填銅具有三個階段的沉積過程，包括初始生長期、爆發(fā)生長期與穩(wěn)定生長期，且盲孔

7、填充性能可達(dá)到95％。盲孔填銅實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)論相一致。
　　建立高厚徑比通孔電鍍銅數(shù)學(xué)模型，采用多物理場耦合方法比較哈林槽與新型通孔電鍍裝置中通孔電鍍銅的特征，并與通孔電鍍銅實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比。數(shù)值模擬結(jié)果表明，鍍槽中鍍液對流方式影響通孔表面擴(kuò)散邊界層厚度與電流密度分布均勻性，進(jìn)而影響電鍍銅層的均勻性。新型通孔電鍍裝置提高了高厚徑比通孔內(nèi)部鍍液的交換速度，有利于添加劑的快速吸附并在通孔側(cè)壁形成均一厚度的擴(kuò)散邊界層，提高鍍液的均鍍

8、能力，以獲得均勻的電鍍銅層。同時，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，使用新型通孔電鍍裝置實(shí)現(xiàn)了厚徑比為12.8通孔的孔金屬化，其鍍液均鍍能力隨內(nèi)槽與外槽液面差的增加而提高，當(dāng)液面差為10 cm時，鍍液均鍍能力最好，達(dá)到83%；與哈林槽通孔電鍍銅相比，新型通孔電鍍裝置的鍍液均鍍能力提高了至少30%。隨后進(jìn)行哈林槽與新型通孔電鍍裝置通孔電鍍銅實(shí)驗(yàn)，獲得了與數(shù)值模擬一致的結(jié)論。
　　構(gòu)建撓性電路板通孔電鍍銅模型并進(jìn)行了通孔電鍍銅過程的仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。撓

9、性板通孔電鍍銅時，由于SPS和EO/PO在鍍液中擴(kuò)散系數(shù)不同，以及在電極表面吸附時間存在差異，在通孔內(nèi)部形成了較高濃度的 SPS吸附，加速孔內(nèi)銅的沉積速率。SPS與EO/PO在通孔內(nèi)部形成特定的濃度分布梯度，使撓性板通孔電鍍銅的鍍液均鍍能力超過100%。
　　以印制電路板制造的圖形電鍍過程為研究對象，采用多物理場耦合的數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行圖形電鍍銅過程的研究，為鍍層均勻性的改善提供一定的理論指導(dǎo)。圖形電鍍數(shù)值模擬結(jié)果表明，增大陰極與陽