基于多物理場(chǎng)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(chǎng)等都會(huì)影響鍍層性能。因此，引入多物理場(chǎng)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(duì)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(jià)值。
　　采用循環(huán)伏安法（CV）、恒電流法（GM）與動(dòng)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(cè)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(cè)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(duì)加入不同濃度添加劑的電鍍液體系進(jìn)行 CV測(cè)試與動(dòng)電位極化測(cè)試，結(jié)果表明：鍍液體系加入PEOPI時(shí)，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(duì)電化學(xué)測(cè)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(chǎng)之間的耦合，用有限元方法模擬了盲孔填銅過程，并對(duì)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(chǎng)線在孔口聚集所形成的高電流密度區(qū)會(huì)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(duì)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(zhǎng)。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(gè)階段的沉積過程，包括初始生長(zhǎng)期、爆發(fā)生長(zhǎng)期與穩(wěn)定生長(zhǎng)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(chǎng)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(duì)比。數(shù)值模擬結(jié)果表明，鍍槽中鍍液對(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(duì)象，采用多物理場(chǎng)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