基于多物理场耦合的印制电路电镀铜互连研究

发布时间：2019-05-03 18:03

【摘要】：功能化、集成化、小型化和高可靠性的电子信息产品要求作为搭载元器件、功能模块以及芯片实现电气互连的印制电路板向高密度化、高可靠性方向发展。高密度互连印制电路板的线路微细化,特别是实现层间互连的孔更小、密度更高,孔金属化就成为了高密度互连印制电路层间互连高可靠性的关键。高密度互连印制电路板层间互连孔金属化是通过电镀高品质、高性能的铜来实现,要求电镀铜表现出表面铜层厚度的均匀性与填铜的平整性,从而使印制电路产品形成良好的层间电气互连,满足可靠性要求。电镀铜作为高密度互连板制造的关键技术,电镀液的稳定性与铜镀层的均匀性一直是电镀铜互连研究的热点与难点。然而,电镀铜过程作用机理复杂,而且镀槽几何形状、镀液传质方式、添加剂组分性质、电力线分布、温度场等都会影响镀层性能。因此,引入多物理场耦合的数值模拟技术研究电镀铜过程特征非常必要。本文将围绕高密度互连印制电路板电镀铜互连技术开展盲孔填铜、通孔电镀铜与图形电镀铜的研究,其对高密度互连板电镀铜工艺与电化学体系的数值模拟具有重要的科学意义与实用价值。采用循环伏安法(CV)、恒电流法(GM)与动电位极化法研究了加入聚二硫二丙烷磺酸钠(SPS)、环氧乙烷-环氧丙烷嵌段共聚物(EO/PO)与聚环氧乙烷亚胺盐(PEOPI)的酸性镀液体系的电化学行为。GM测试结果表明,酸性镀铜液中EO/PO与Cu?、Cl-形成EO/PO-Cu?-Cl-吸附在电极表面,有效印制铜的沉积。SPS与EO/PO在电极表面吸附表现出不同的吸附效果,SPS可以吸附在未被占据的活性位点,也可以取代EO/PO吸附的位点,加速铜的沉积。CV测试结果表明,EO/PO在电极表面形成饱和吸附层的临界浓度较低(?5 mg/L),加入量达到200 mg/L的EO/PO处于过饱和状态,其在电镀铜过程中的消耗可忽略不计。对加入不同浓度添加剂的电镀液体系进行CV测试与动电位极化测试,结果表明:镀液体系加入PEOPI时,铜沉积反应受PEOPI浓度与旋转圆盘电极(RDE)转速影响较大。对电化学测试数据进行曲线拟合,得到不同变量(如添加剂覆盖率、添加剂浓度、RDE转速、交换电流密度与极化曲线斜率等)之间的关系可应用于后续电镀铜过程的数值模拟。构建印制电路盲孔填铜模型,进行电镀铜物理场之间的耦合,用有限元方法模拟了盲孔填铜过程,并对其填铜效果进行了系统分析。采用CuSO4·5H2O、H2SO4与Cl-组成的基础镀液体系进行盲孔铜填充,数值模拟结果表明,电场线在孔口聚集所形成的高电流密度区会导致夹断效应的产生,最终使孔内填铜形成空洞。然而,采用CuSO4·5H2O、H2SO4、Cl-、SPS、EO/PO与PEOPI的镀液体系进行盲孔填铜,盲孔内部发生铜沉积反应使孔内有效沉积区域减小,这样SPS在孔内铜面的相对吸附量显著增加,从而加速孔底铜的沉积,加快孔内部铜的生长。在填铜后期,PEOPI的吸附使部分SPS失效,有效抑制了过填充现象。盲孔填铜通过SPS、EO/PO与PEOPI之间的协同作用实现了盲孔填铜的超等角沉积。数值模拟出盲孔填铜具有三个阶段的沉积过程,包括初始生长期、爆发生长期与稳定生长期,且盲孔填充性能可达到95%。盲孔填铜实验结果与数值模拟结论相一致。建立高厚径比通孔电镀铜数学模型,采用多物理场耦合方法比较哈林槽与新型通孔电镀装置中通孔电镀铜的特征,并与通孔电镀铜实验进行了对比。数值模拟结果表明,镀槽中镀液对流方式影响通孔表面扩散边界层厚度与电流密度分布均匀性,进而影响电镀铜层的均匀性。新型通孔电镀装置提高了高厚径比通孔内部镀液的交换速度,有利于添加剂的快速吸附并在通孔侧壁形成均一厚度的扩散边界层,提高镀液的均镀能力,以获得均匀的电镀铜层。同时,数值模拟结果显示,使用新型通孔电镀装置实现了厚径比为12.8通孔的孔金属化,其镀液均镀能力随内槽与外槽液面差的增加而提高,当液面差为10 cm时,镀液均镀能力最好,达到83%;与哈林槽通孔电镀铜相比,新型通孔电镀装置的镀液均镀能力提高了至少30%。随后进行哈林槽与新型通孔电镀装置通孔电镀铜实验,获得了与数值模拟一致的结论。构建挠性电路板通孔电镀铜模型并进行了通孔电镀铜过程的仿真与实验验证。挠性板通孔电镀铜时,由于SPS和EO/PO在镀液中扩散系数不同,以及在电极表面吸附时间存在差异,在通孔内部形成了较高浓度的SPS吸附,加速孔内铜的沉积速率。SPS与EO/PO在通孔内部形成特定的浓度分布梯度,使挠性板通孔电镀铜的镀液均镀能力超过100%。以印制电路板制造的图形电镀过程为研究对象,采用多物理场耦合的数值模拟技术进行图形电镀铜过程的研究,为镀层均匀性的改善提供一定的理论指导。图形电镀数值模拟结果表明,增大阴极与阳极之间的距离有利于提高图形电镀的镀层均匀性。在阴阳极之间距离为20~40 cm且阴极与阳极刚好处于镀液中的情况下,铜沉积分布均匀性较好。当镀槽中阴极与阳极之间的距离固定且阳极面积远大于阴极面积(?2:1),可采用绝缘挡板或辅助阴极调整镀液内电场线分布的均一性,从而提高镀层均匀性。印制电路图形的设计也影响图形电镀镀层均匀性,均匀分布的图形在电镀铜时镀层均匀性最好,镀层厚度极差为0.02μm。
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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ153

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