發(fā)布時(shí)間：2019-05-03 18:03

【摘要】：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(guò)電鍍高品質(zhì)、高性能的銅來(lái)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(guò)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(guò)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)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(guò)飽和狀態(tài),其在電鍍銅過(guò)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(guò)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(guò)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、H2SO4、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(guò)填充現(xiàn)象。盲孔填銅通過(guò)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(guò)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(guò)程的仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。撓性板通孔電鍍銅時(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(guò)100%。以印制電路板制造的圖形電鍍過(guò)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(guò)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(yáng)極之間的距離有利于提高圖形電鍍的鍍層均勻性。在陰陽(yáng)極之間距離為20~40 cm且陰極與陽(yáng)極剛好處于鍍液中的情況下,銅沉積分布均勻性較好。當(dāng)鍍槽中陰極與陽(yáng)極之間的距離固定且陽(yáng)極面積遠(yuǎn)大于陰極面積(?2:1),可采用絕緣擋板或輔助陰極調(diào)整鍍液內(nèi)電場(chǎng)線分布的均一性,從而提高鍍層均勻性。印制電路圖形的設(shè)計(jì)也影響圖形電鍍鍍層均勻性,均勻分布的圖形在電鍍銅時(shí)鍍層均勻性最好,鍍層厚度極差為0.02μm。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ153

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本文編號(hào)：2469129