圖解電鍍銅填孔機理

楊智勤 張曦 陸然 韓卓江

（無錫赫普輕工設(shè)備技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214125）

1 前言

近年來，電子產(chǎn)品追求輕薄短小的目標(biāo)，上游IC元件日趨微小化，在有限的表面上，裝載更多的微型器件促使印制電路板的設(shè)計趨向高精度、高密度、小孔徑方面發(fā)展，傳統(tǒng)的過孔與導(dǎo)通孔互聯(lián)的多層PCB板逐漸已不能滿足產(chǎn)品需求。同時半導(dǎo)體行業(yè)的元件垂直整合、直接連通，盡量減少透過電路板或封裝基板來做電訊互通，這些高密度的互聯(lián)技術(shù)，從上游的半導(dǎo)體制程到中游的封裝載板制程，一直到下游的電路板制程，都需要電鍍銅填孔技術(shù)，為了適應(yīng)印制電路板的發(fā)展，盲孔的電鍍銅填孔工藝得到了廣泛研究[1]。

本文主要從電鍍銅填孔過程監(jiān)控切片圖分析其機理模型，以期加深廣大業(yè)者對電鍍銅填孔機理的認(rèn)識。

2 電鍍銅填孔機理

2.1 CEAC電鍍銅填孔機理

盲孔電鍍銅填孔的技術(shù)，首次由IBM應(yīng)用于雙鑲嵌制程技術(shù)，利用電鍍銅完成IC晶片的內(nèi)連接導(dǎo)線制作。IBM公司提出IC上的盲孔電鍍銅填孔機理，認(rèn)為之所以出現(xiàn)電鍍時產(chǎn)生“孔底上移”現(xiàn)象的原因，是因為添加劑的吸附、消耗和擴散的作用，電鍍銅添加劑抑制了銅離子的電化學(xué)沉積，當(dāng)其吸附在陰極上會阻礙銅離子的鍍析。同時，添加劑本身會被陰極電位裂解，所以沿著孔口到孔底，存在添加劑的濃度差，孔底位置，添加劑濃度低，因此銅沉積的速率沿著孔口到孔底越來越快，產(chǎn)生“孔底上移”的作用，圖1是盲孔電鍍銅填孔的切片圖，由圖1可知，盲孔基本被銅填充，實現(xiàn)了盲孔的電鍍銅填孔。

圖1 盲孔電鍍銅填孔示意圖

隨著對填孔機理的不斷研究，Moffat等[2]提出了“曲率提升加速劑覆蓋率”（Curvature Enhanced Accelerator Coverage，CEAC）機理來解釋盲孔電鍍銅填孔作用機理，此機理模型后來又修正為“曲率提升吸附物覆蓋率”機理模型，這種模型機理是主要基于試驗和仿真模擬，在非平坦表面添加劑吸附率的差異，孔壁側(cè)向銅離子鍍析速率不同，孔底面積幾何內(nèi)縮，改變了盲孔的幾何外型，在此過程中電解質(zhì)變得不重要，盲孔的幾何外型發(fā)揮重要作用，隨著整平劑的吸附鈍化了光亮劑的作用，CEAC機理預(yù)測了盲孔電鍍銅填孔過程中盲孔幾何外型的改變趨勢和填孔電鍍的Bottom-up機理，這種模型解釋了一定條件下的Super-Filling原理。因為盲孔電鍍銅填孔添加劑中，不只有光亮劑會吸附、整平劑和載運劑也有可能。CEAC機理模型解釋超級等角沉積（Superconformal Electro Deposition）電鍍銅填孔機理，能夠預(yù)測盲孔電鍍銅填孔過程中會產(chǎn)生“裂縫”和“空洞”缺陷，圖2和圖3是兩種缺陷的實際盲孔電鍍銅填孔過程監(jiān)控切片圖，兩種缺陷在盲孔AR值偏小和盲孔孔型不佳的情況下，發(fā)生幾率將倍增，也驗證了盲孔電鍍銅填孔CEAC機理的合理性。

圖2 填孔“裂縫”缺陷

圖3 填孔“空洞”缺陷

另外，通過盲孔電鍍銅填孔不同階段的切片圖，可以更加清晰了解到CEAC機理模型的原理，圖4和圖5分別是電鍍時間為14 min和28 min時的電鍍銅填孔的圖片，由圖可知，隨著銅離子的電化學(xué)沉積過程的持續(xù)進行，盲孔孔底面積幾何內(nèi)縮，“孔底上升”趨勢明顯；圖6是盲孔電鍍銅填孔過程中，人為設(shè)置斷電流后的切片圖片，實際整個電鍍過程被人為的分為兩個階段，圖中的微蝕分界線是電鍍過程中兩個階段的外在體現(xiàn)，由圖可知，盲孔電鍍銅填孔的初始階段，盲孔孔底面積幾何內(nèi)縮，盲孔幾何外型發(fā)生改變，證實了CEAC機理的合理性。

圖4 14min填孔切片圖

圖5 28min填孔切片圖

圖6 填孔斷電流切片圖

2.2 CDA電鍍銅填孔機理

Dow[3]等研究了對流強弱對與盲孔電鍍銅填孔的影響，提出了“對流有關(guān)性吸附”（Convection Dependent Adsorption，CDA）機理，解釋了“孔底上移”的原因，此機理模型理論與CEAC機理模型類似，但不依賴盲孔孔底面積內(nèi)縮，主要原理是盲孔孔底Cu+與光亮劑中S元素形成配合物，光亮劑富集在孔底，內(nèi)層和外層的沉積速率不同，孔底銅的高速率沉積實現(xiàn)Bottom-up機理。Dow研究了對流強弱對與盲孔電鍍銅填孔影響，對流越強，銅離子反而不利于沉積，相反，對流較弱，銅離子電化學(xué)沉積容易析出。CDA機理模型說明無論電鍍配方中是否具有光亮劑，孔底表面曲率是否改變，或有無添加劑都無太大影響。為了驗證此機理模型的合理性，Dow設(shè)計了試驗證實盲孔的“孔底上移”行為與孔底的幾何面積內(nèi)縮無關(guān)，而與對流的強弱有關(guān)，試驗設(shè)計盲孔的側(cè)壁無導(dǎo)通銅層，板面與孔底導(dǎo)通，詳見圖7。因此在電鍍時，絕對不會發(fā)生孔底面積幾何內(nèi)縮，電鍍時銅離子必須從孔口擴散至孔底，銅離子電化學(xué)沉積過程中，應(yīng)當(dāng)首先選擇在板面上的銅層析出，然后才會擴散至孔底銅層析出，電鍍時若提供不同強度的對流，板面位置和孔底位置的銅層厚度將不一致，對流強時，孔底銅的電化學(xué)沉積速率大于板面的銅的電化學(xué)沉積速率，孔底位置銅厚度大于板面銅厚度，反之亦然。

圖8所示現(xiàn)象即為CDA模型的現(xiàn)實表現(xiàn)，在加工過程中，盲孔閃鍍銅層異常，盲孔電鍍銅填孔后發(fā)現(xiàn)，盲孔無法實現(xiàn)填孔，孔內(nèi)具有明顯的孔底銅和板面銅的微蝕分界線，盲孔在孔壁銅缺失的情況下，“孔底上移”現(xiàn)象依然可見，電化學(xué)沉積銅的過程中，電鍍銅層的生長主要符合CDA機理模型，與孔底表面曲率上升，孔底幾何面積內(nèi)縮無關(guān)。

圖7 Dow試驗?zāi)Ｐ蛨D

2.3 孔壁完整性對電鍍銅填孔的影響

以上論述可知，CEAC和CDA機理模型能夠解釋電鍍銅填孔機理，并可從實際的電鍍過程中得到證實，筆者在負(fù)責(zé)電鍍銅填孔工藝時，發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象確難以用以上理論進行解釋，盲孔在孔壁銅存在異常時，無法發(fā)生“孔底上移”現(xiàn)象。因此設(shè)計沉銅板件，浸水后過酸洗烘干，改變孔壁沉銅層的致密性，電鍍銅填孔后如圖9中所示，盲孔孔底面積幾何開始內(nèi)縮，在弱對流下，板面銅厚度大于孔底銅厚度，說明了在電鍍銅填孔過程中，CEAC和CDA機理都存在，而實際盲孔確無法實現(xiàn)電鍍銅填孔，“孔底上移”現(xiàn)象?；诖爽F(xiàn)象可以推斷，孔壁銅質(zhì)量對電鍍銅填孔作用非常顯著，可以看出孔壁完整性是電鍍銅填孔的基礎(chǔ)條件，當(dāng)盲孔孔壁不完整時，CEAC機理模型無法實現(xiàn)，這可能是因為孔壁銅的不完整時，氯離子在孔壁的吸附性差，而電鍍銅填孔過程中氯離子的作用顯著，其主要與光亮劑、載運劑形成復(fù)合物，只有在氯離子的作用下，光亮劑和載運劑的脫吸附動力學(xué)才能實現(xiàn)，因為PEG、SPS或MPS的吸附需要大量的氯離子，孔壁銅的不完整性，影響了氯離子在銅層表面的吸附作用，也影響了電鍍銅填孔機理的產(chǎn)生，產(chǎn)生了如圖9所示的電鍍銅填孔表現(xiàn)，由此說明，孔壁銅完整對電鍍銅填孔影響重大，只有在孔壁銅完整的條件下，CEAC電鍍銅填孔才能實現(xiàn)。

圖9 電鍍銅填孔圖

3 總結(jié)

在電鍍銅填孔機理未提出之前，往往將填孔機制理解成抑制劑吸附于板面，光亮劑吸附于孔底，不同有機添加劑的選擇性吸附，銅離子的電化學(xué)沉積是從底部緩慢的逐漸上移，實現(xiàn)激光盲孔的電鍍銅填孔，而CEAC和CDA機理的提出，打破了我們對電鍍銅填孔的認(rèn)識，盲孔的電鍍銅填孔并非簡單的孔底銅上移，而是遵循一定的機理模型；另外，通過實際的盲孔過程監(jiān)控切片圖發(fā)現(xiàn)，電鍍銅填孔的完美實現(xiàn)，是基于孔壁銅完整性的前提，只有保持孔壁銅的完整，電鍍銅填孔機理才能發(fā)生。

[1]Ryszard Kisiel, Jan Felba, Janusz Borecki,et al.Problems of PCB microvias fi lling by conductive paste,Microelectronics Reliability, 2007(47):335–341.

[2]T.P.Moffat , D.Wheeler, S.-K.Kim, et al.Curvature enhanced adsorbate coverage mechanism for bottomup superfilling and bump control in damascene processing, Electrochimica Acta, 2007(53):145–154.

[3]Wei-Ping Dowa,Ming-Yao Yena,Sian-Zong,et al.Filling mechanism in microvia metallization by copper electroplating,Electrochimica Acta,2008(53):8228–8237.