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高密度互连通孔填孔电镀铜工艺研究

来源:九壹网
201 6秋季国际PCB技术/信息论坛 电镀与涂覆Plating and Coating 高密度互连通孑L填孑L电镀铜工艺研究 Paper Code:A-01 6 彭佳 王狮席道林程骄何为 梁坤 (电子科技大学微电子与固体电子学院,四川成都610054) (广东光华科技股份有限公司,广东汕头515061) 摘要 传统的利用导电胶填充通孔的方式已经不能满足高密度互连应用中芯板的制造要 求,而为提高高密度互连的可靠性、导电性能、散热性能,提高生产效率,降低 制造成本,通孔电镀填孔工艺应运而生。本文在基于一系列整平剂筛选的基础上, 选出一种目标整平剂,将其应用于通孔电镀填孔中。同时,本文对通孔填孔的影 响因素进行了详尽的研究。分别研究了气流量高低、硫酸浓度、氯离子浓度、整 平剂浓度、抑制剂浓度对通孔填充效果的影响。通过研究结果发现,气流量高低 是影响通孔填充效果的关键性因素,过高的气流量将直接导致通孔无法填充起来。 而为了更好地了解通孔填充过程,文章还对不同时间段的通孔填充情况进行了分 析。最终实现了良好的通孔电镀填充效果。 关键词 通孔填孔;电镀铜;高密度互连;整平剂 中图分类号:TN41 文献标识码:A 文章编号:1009—0096(2016)增刊一O111-07 Research on through--hole filling by copper electroplating for high densit ̄‘high density interc0nnection  一 IHUlJHDI  man acture anufacturePEN J/a WANG u HE wel XIDao.1m cHEN Jiao LIANGKun Abstract Conventional through hole(TH)process plugged with conductive epoxy material already could not satisfy the requirements of high density interconnection(HDI)manufacturing.Through—hole ifll(THF)technology was designed to improve reliability,electrical conductiviy tand thermal conductiviy,tto increase productiviy and tto reduce process costs.In this paper,a target leveling agent was selected after a screening of a series of candidates leveling agents and invested in the TH filling process.Meanwhile,the influential factors of through hole filling were examined.The effects of the concentration of sulfuric acid,chloride ion,leveler and suppresser,and the solution low rate were discussed,respectifvely.Among them,the flow rate waS found the critical factor.Higher flow rate directly led to more signiicant decrease in the ffilling performance.For further understanding of the Cu TH filling proceeds,the hole filling condition at different electroplating duration were also demonstrated.A good filling performance was achieved eventually. Key words Through Hole Filling;Copper Electroplating;HDI;Leveler 电镀与涂覆Plating and Coating 201 6秋季国际PCB技术/信息论坛 0 引言 他统I, 利Jti Itz J 填允通#LI'FJ,J‘式 的I, I 、 Ixi 能、敞热・I+11fF ̄, 1 能满 “崭度1f 迕 Jt J t1・芯扳 制造嘤求,Im为提{ 』业 f.j生 I o THF h :效率,降低制逃成小,通孔IU镀h'i#L 1: (THF)J、 IU镀 ・J l [ 1(b)】足‘sOi新的l 发J陡,4<1{刈J 化统},1 ̄,7PCB IZ;Jz I(jPTHIU铍{=lIJ『 l [I划1(a)], - i i人特,r 、 J 绷 I rPCB芯扳I i,'j',t ̄ll,f4 。迎-SLJJ }孔I 镀 j#LJJ‘i#LI 镀 人的 片址流体 J j质Id:,f/7 的) 。通 }’i扎-I一流 。 扎IIx镀时,流体I J 以 迎孔 fI流动,fli『 物质输 #iJ-fL-It心,fI 址 } i孔I 镀_I1f,流仆删 tif ’,从』Lf,,J Jl ̄1)t水 ,jj]1孔址没仃riYL-l 所州的憾 , 此厄 丈 扎的 允址虹Ⅵ蝶J・ 允, i’f孔 { “¨卜 i ”的 允机 t。通 lf『勺坝、 作 为 允 丈现扎・I 心n,JfU饿制迕接,迎接J 孔ixs7fJl!l ̄,]O;[肜成 个i’i孔, l {4L的琐允。这 的流场、质 化送、JLi,q JI ̄1)t、 允 ̄)LJ:'Itl n }千,甘敛通常川J i’ 孔填允的}U镀制 ,, JIJ J 迎扎f 镀填允 。Ixl此,小文Jl JIU化 fj,J乃 f_J ̄d 系列恪 I制进” 能研究, 选…通川 通孔 扎f'f勺 进 J 究。 ll标 、卜剂,"刈 通eLi; 。允过 及影响 、 _ (1)仿行镀 (2) 电树脂塞孔 (3)整平及电镀涂覆 (4)蚀刻(形成内层线路) (1)通孔填充 (2)蚀刻(形成内层线路) (b1迎丁LIIA ̄7 ̄'f.I—J力 iSLg 术 图1传统导电胶填子L技术 1 实验 1.1 整平剂的筛选 小=实验刈‘‘系列 、 剂进 J 筛选I 作,此处 l对6和l 、卜制进i J 筛选,J 例,分刖川1≠}~6≠≠ ,'÷ 筛选【 f1I 均为IMt 筛选, JI Jcvs,hLiD10试小川转述卜含 、 卉IJ镀液i'14jCVlIIi线。所川cVs机机) 为, 通797 VA,所JI JI 极为 IU极系统:钔 『 作IIXN,Ag/AgC1参比IU极( 液3 mol/L KCI,外液1 mol/L KN03),ilJ{ ̄il1.UD,xI撇。 CVIIII线测试参数哎‘ 为: Ix{ JI 70; 』:0.64V一一0l3 V—O.64v ¨ 迷J耍:20 mV/s 转迷分刖设’ 为:0,200 r/min,1000 r/airn —l12— 201 6秋季国际PCB技术/信息论坛 电镀与涂覆Plating and Coating 镀液成分浓度的设定: 硫酸铜浓度:130 g/L 硫酸浓度:170 mg/L 氯离子浓度:60 mg/L 整平剂浓度:0.001%(10 ppm) 光亮剂浓度:0.000 2%(2 ppm) 抑制剂浓度:0.05%(500 ppm) 1.2通孔填孔影响因素研究 采用筛选出的整平剂为电镀添加剂,本实验分别研究了硫酸浓度、氯离子浓度、整平剂浓度、抑制剂浓 度、气流量大小对通孔填充效果的影响。将钻有通孔规格为中150 p,mX 150“m的板在经过化学沉铜、闪镀加厚 处理后,再置于1.5 L哈林槽中进行电镀填孔试验。所用电源为直流电源,电镀采用的阳极为磷铜阳极,搅拌方 式为阴极底部打气的方式。电镀参数为:1.5 A/dm ×140 min。电镀试验均在室温下进行。试验完成后,用金相 显微镜对电镀结果进行测试。 1.3阶段性通孔填充情况研究 为更好地了解通孔填孔过程,本实验进行了通孔填孔阶段性研究,分别研究了电流密度为1.5 A/dm ,电镀 时间为60 airn、70 airn、90 min、110 airn时的通孔填充情况。将钻有通孔规格为①150 gmX 150 p,ml ̄板在经过化 学沉铜、闪镀加厚处理后,再置于1.5 L哈林槽中进行电镀填孔试验。所用电源为直流电源,电镀采用的阳极为 磷铜阳极,搅拌方式为阴极底部打气的方式。电镀试验均在室温下进行。试验完成后,用金相显微镜对电镀结 果进行测试。 2结果与分析 2.1整平剂的筛选 影n ̄THF电镀铜填充效果的主要因素在于整平剂和光亮剂在孔内外的分布情况。要实现通孔的电镀填充, 电镀添加剂中的整平剂必须具备与流体流动速率有关系的吸附或是抑锘…I 力,即对流越强,添加剂越易抵达铜 面,产生抑制铜沉积的效果,反之,越不易抑制铜沉积。根据这样的电化学特征,当用来电镀填充通孔时,就 表现出良好的填孔能力。因为相对来说,板面及孔口的对流效果都优于孔中,因此整平剂将会大量吸附在板面 及孔1:3,抑制铜沉积,相反地,孔中心的对流效果相对较弱,整平剂吸附少,而光亮剂吸附多,铜沉积效果会 较快,这样就能实现通孔的电镀填孔[5]。整平剂及光亮剂的分布情况可如图2所示。 图2通孔电镀填充整平剂与光亮剂分布示意图 .113. 电镀与涂覆Plating and Coating 201 6秋季国际PCB技术/信息论坛 本实验整平剂的筛选即要选出此类具有“convection.dependent”特性的整平剂,筛选结果如图3所示。从图 中可以看出,1≠f~5群整平剂均具有“convection.dependent”特性,高转速下表现出强的抑制能力,低转速下表现 出相对较弱的抑制能力。这种不同流速下所引起的抑制能力的改变并不是说流速直接改变整平剂的抑制能力, 而是通过改变其与光亮剂在铜面上竞争吸附量而控制其抑制能力的[6]。相比较而言,2≠}整平剂于三种转速下的抑 制能力差异最明显,且其抑制能力相较于其它五种整平剂来说也是较强的。因此,本文筛选出2≠}整平剂作为通 .孔填孔添加剂,应用到以下通孔电镀填孔试验中。 吾l唧lu .羹 _iu , gP. 显e8。Q_8§u 屠.毒lIsⅡad 8譬fI。 量P.v,尊l 嚣 0 葺p.v,由l铽_ lu 图3不同转速下1#~6#整平剂的CV曲线 2.2通孑L填孑L影响因素研究 2.1.1 气流量高低对通子L填充的影响 通孔填充涉及到填孔过程,因此选用的铜酸体系仍应为高铜低酸的体系。从图4中也可以看出,高铜低酸体 系下才有通孔填充效果,且酸的含量对填孔效果有较大影响。 空气搅拌作为一种提高孔内外镀液交换能力的一种方式,气流量的高低无疑将影响通孔的填孔效果。且如 上所述,适用于通孔填充的整平剂具有“convection.dependent”特性,气流量的高低将直接控制整平剂与光亮剂 在铜面上的竞争吸附量,进而影响整平剂抑制能力的大小,因此气流量的控制于通孔填孔至关重要。气流量太 高将导致孔内的流速变高,整平剂在孔内吸附量将增多,其抑制孔内铜沉积作用将增强,进而导致通孔填孔效 果变差。因此,只有在孔内外形成适宜的流速差,才能使整平剂在孔内外形成一定的浓度差,从而获得良好的 填孔效果。从图4可以看出,在此体系中,应用到通孔填充中气流量不能过高,只有在低流速下此镀液才具有良 好的填孔效果。但也不能太低,气流量太低将导致孔中心溶液交换能力差,孔内将会出现空洞。 114. 201 6秋季国际PCB技术/信息论坛 电镀与涂覆Plating and Coating }=id蹿 lf采溉健 l 中 睦 l  c=j 太流速  le t中1 I 低流遗 l 中流述 I 大流琏 。∞ 图4不同铜酸含量条件下气流量对通孔填充的影响 2.2.2硫酸浓度对通孑L填充的影响 _L而捉到硫酸浓度对通孔填充有较大影响, 此本实验对 川硫酸浓度卜通孔填充情况进行了研究,以控 制其浓度范嘲。硫酸作为镀液t卢的导电盐,其 要作用是增』Jl】溶液的导叱性。增7J 1】硫酸浓度可以降低镀液的电 【5【1,提高电镀的效率。但是征填孔电镀过程-lI,硫酸浓度的增加将影响填孔时铜离f的补充,造成填孔 良的 现象。同时溶液导电性的增』JIj,将减小孔内外电流密度的差异性,从I叮影响添Jjf】剂的分布。从 5中可以行I山LI阽ylD 酸的含遍应严格控制在75 g/L以下,超过该含避通孔填孔效果将大人降低。但过低的硫酸含量也将导致溶液的导 IIx性变差,最终引起孔i-q空洞的产生。 2.2.3氯离子浓度对通孔填充的影响 氯离 是酸性镀铜液中必不可少的物质,通常以氯化钠或盐酸的形式添加到镀铜液 l10氯离子的作刖-lc- ̄ 是让铜离子I=j金槭铜在双电层问形成稳定转换的电子传递桥梁。在电镀过程中,氯离f Lj其他各添JJl1剂卡11Tl 作 川,使其它添加刺实现一定的加速能力或抑制能力。如:氯离子可在阴极与抑制剂或整 剂协M作川汁钟I]离 稳定沉积,降低极化,使镀层精细。氯离子的存在会在一定程度上提高抑制剂或整平剂的抑制能力。 6 t‘叮以 看出,氯离子浓度对填孔有影响,随着氯离子浓度的升高,填孔效果会增强,但这_平Il1增姒效果不是 叫 ,=fI=l 较丁Im而所做过的气流量火小、硫酸浓J逆对通孔填孔影响米说。 图5硫酸浓度对通子L填充的影响 图6氯离子浓度对通孔填充的影响 一l15— 电镀与涂覆Plating and Coating 201 6秋季国际PCB技术/信息论坛 2.2.4抑制剂浓度对通孔填充的影响 在氯离子协I叫作刚卜,抑制剂在阴极表_面吸附,最终达到抑制板面金属铜沉干J 门作川。 抑制剂能使 高低 流【 的差异降低(亦即增加极化电阻),让电镀钏能均匀的持续沉积。抑制剂町充 洲湿刺,降低界 的表丽张力(降低接触角), :镀液更容易进入孔内而埔加传质效果。抑制剂含量人低时, 足以 晰形成 完整的ll搜附薄膜,抑制效 差,含量太高则在空气搅拌下产生过多的泡洙,这些泡洙极易进入孔内却} 难及时 排出,从1而肜成 洞,同时,过高的抑制剂含最将会引起其在孔内的含最增多,嘶抑;t ̄]4L 的锏沉枞,进而导 致填孔效果变差。如图7所示,抑制剂浓度太低,无法实现通孔填充效果,抑制剂浓 爪高, iTL效 将l 降。 图7抑制剂浓度对通孑L填充的影响 2.2.5整平剂浓度对通子L填充的影响 整平剂通常是含氮有机物,带订很强的¨ lU性,}ll弈易吸附存高}u流常发 (1 1起区或 角处), 亏钏离 予竞争,使该处的电镀速度趋缓但小影响低『乜流密度区( 1陷【x=)的电镀,使原木起伏 坦,是填孔电镀必加添加剂。本实验采用的 的表面变得 为 剂为前而电化学筛选 V,j2#整半剂,其抑制能力很强,因此只 加少量整平剂就能获得一定的填孔效果。如图8所示,0.0001%(1 ppm)的此整平剂就能实现通孔的电镀填充。 从图中也可看出,随着整平剂浓度的丁卜高,通孔填孔效 有增强,但是当其浓度达到0.0001%(10 ppm)I卜j‘,镀 液将失去填孔能力,电镀板丽将会出现大量铜颗粒。 图8整平剂浓度对通子L填充的影响 2.3阶段性通孔填孔研究 相较于盲孔的“自F嘶L”的电镀填充模式,通孔的填充为蝴蝶式的填充,即儿实现乱一 再完成 孔t} 心连接 肜成的 个微小盲孔的电镀填充。为更好地了解其具体的 允模j= , 的fU镀迮核, …IIJ段通孔 填充情况,本实验进行6组小同时问段的电镀试验,如图9所示。从图中可以看HI,jj亘4L J t:JJ;i允过 _IJ’分为 个 阶段: (1)0~30 min为通孔保角电镀填充阶段: (2)30 min~60 minJ ̄快速电镀钏肜成“X”一11 近接阶段:. (3)60 min~l】0 min为最 填孔阶段。 3 结论 (1)本文用电化学的方法对一系列整平剂进行了筛选,选出 El标整 剂作为通孔填4Li ̄b[I剂, 恪、 卉1J 具有优良“convection.dependent”特性且拥有很强的抑制能力。将 用—卜通孔填充中,可实现良好的迎孔电镀坝 充效果。 .116. 201 6秋季国际PCB技术/信息论坛 电镀与涂覆Plating and Coating 【]■[二 图9不同时间段通子L填充情况 (2)小殳刈 响迎{ L J 允过 的 祟逃 J 究,分"0探 厂 流 人小、硫腋浓嫂、 刊浓心、抑制制沐他划‘迎扎fl'J 响。 离 浓瞍、 1 , 发现 L流 人小址 响通扎 允的父谜 rl 豢,较低的 流砒d’能实 r 迎扎的I 镀J-!。} 。IlJj 疏 浓J 、抑制制浓J业 址 响迎孔填允设 的1 嘤 粜, f1 175 g/L以 411刈水说 离J 浓』变刈迎4LLI }允n0 响较小。 L1_j疏阪n勺浓 最好f 持 (3)小文刈‘小川II,¨川段.]3i1i-{LJ. ̄’}允 进}¨ fJJ1_ 、 发 通孔 充过 lJJ分 YV阶段:O~30 min通孔俅 连接阶段:60 airn~ll0 min最 填孔阶段。 f『】I 镀 允阶段:30 airn~60 airn怏述lU镀仆4 J 成“x”『 参考文献 【11 E.N ̄0.ia,’,L.Barstad J.NaDmtjar1.ct al,Elcctl’opiating Through Iloles with Diffe ̄‘ent Geometry—A Novel and High Pl’oductMty P1‘OCCSS foi’Thi’ough Hole Fill Plaling.IMPACT 20 l 2 [21 .甘迎-fL4H通-fLJ J。 L破川l I',JCuSO4I 帔1. “Cu—BRITETF Jl” . 制IU 信 、。2009 12:38—42 , 0 :. II1: , J’电”,flJ_为, 俊峰迎扎l 铍 孔I. 宄1 优化[J]. 制1Ix踏 i I 3】刈fl , i , .2()1 5 03:l()6一ll 1. 14]幺 J尺. jm扎 l允1_J女仆《j是术[J]. l J JI I 【5】 (』、 201 3 l0:47—51. (f】然科 、 ),20】2,O2:13l一138+259—260. 、 利川IU镀1_l14 允做水i—i扎 o J ̄4L之J 川 . I I. 16】( Y.Lin,.1 J.Yah,M Y.Yen,W P Dow,J..1ouma]ofThe Electrochemical Society,2O1 3,l60(12):3028—3034. 第一作者简介 f{ ,I J 1。ljl上人一 。 J IJ化 『、J,ik ̄iJl 、‘ }i,9Ili从fl『_为敦投,从 IJ制Ilf路及lU 化 ’ I 城l  ̄'J,67t。究 镟] 』纠』一尔竹引进刨 科Ⅲ…队 划资 (项l『编 :201 301c()105324342)4 ̄li/ 尔竹 、l}, 点实验书址 坝_l n0资lJJJ(No.201 6B030302005).. 

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