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電鍍液表面張力、接觸角、流速以及壓強(qiáng)等因素對硅通孔浸潤過程的影響（一）
來源：《復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》 瀏覽 169 次 發(fā)布時(shí)間:2025-11-25
摘要：使用Fluent流場仿真軟件模擬了電鍍液對硅通孔（TSV）的浸潤過程，討論了TSV深寬比、電鍍液流速、電鍍液表面張力、接觸角以及壓強(qiáng)等因素對TSV浸潤過程的影響。通過對比仿真尋找出能在電鍍之前使電鍍液完全浸潤TSV所有表面的預(yù)潤濕處理方法，以防止因潤濕不徹底在TSV底部形成氣泡而導(dǎo)致的有空洞電鍍填充。通過仿真發(fā)現(xiàn)，電鍍液表面張力越小，電鍍液與待電鍍樣片表面的接觸角越小，浸潤過程中電鍍液的流速越慢，浸潤所處環(huán)境的壓強(qiáng)越低，則越有利于電鍍液對TSV的浸潤；且流速為0.002 m/s時(shí)即可對深寬比低于或等于130μm:30μm的TSV實(shí)現(xiàn)完全浸潤；浸潤環(huán)境壓強(qiáng)低于3000 Pa時(shí)即可在流速為0.05 m/s時(shí)對深寬比為150μm:50μm的TSV基本實(shí)現(xiàn)完全浸潤。當(dāng)TSV結(jié)構(gòu)的深寬比大于2的時(shí)候，沒有經(jīng)過預(yù)潤濕而直接放入電鍍液的TSV結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)無空洞電鍍填充。
相比于傳統(tǒng)的片上系統(tǒng)（SoC）和系統(tǒng)級封裝（SiP）方法，在器件性能、互連密度、異質(zhì)集成化以及制造成本方面，三維疊層封裝（3D-IC）有很多的潛在優(yōu)勢。其中，實(shí)現(xiàn)了芯片與芯片之間最短互連的銅填充硅通孔（Through Silicon Via，TSV）技術(shù)是三維硅基封裝工藝的核心。為了能夠得到更高密度更好功能的封裝，對小直徑高深寬比TSV的需要變得越來越迫切。已有很多研究致力于TSV填充這一領(lǐng)域，電鍍銅填充TSV易于操作并且成本較低。使用這種方法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量TSV填充的標(biāo)志是無空洞填充、最小的表面銅覆蓋沉積量和相對較短的電鍍時(shí)間。其中，完成TSV無空洞快速填充的一個(gè)重要因素是在電鍍之前，實(shí)現(xiàn)電鍍液對TSV整個(gè)表面的充分潤濕。目前，對于電鍍填充TSV的研究主要集中在電鍍過程中的優(yōu)化，如添加劑的使用、電流密度的控制等，有關(guān)TSV浸潤條件以及相關(guān)影響因素的研究報(bào)道尚不多見。而TSV的充分潤濕是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量TSV填充的前提，因此，本文的目的是通過模擬仿真電鍍液對TSV的潤濕過程，尋找有效的方法使電鍍液能夠浸潤TSV所有表面，尤其是高深寬比TSV的底部表面，確保實(shí)現(xiàn)無空洞電鍍填充。影響浸潤程度的因素主要有：電鍍液的表面張力和接觸角，浸潤過程中電鍍液的流速，浸潤TSV所處環(huán)境的壓強(qiáng)，TSV的深寬比，及TSV的形狀等。
本文主要針對上述前四個(gè)因素，用Fluent軟件進(jìn)行了仿真模擬，探討一種可實(shí)現(xiàn)并易于操作的浸潤方法。
1 Fluent軟件的建模
按照實(shí)際電鍍液及樣片的情況，在流體仿真軟件中進(jìn)行建模。主要分為2個(gè)部分：前處理軟件Gambit中對平面模型的建立，F(xiàn)luent中對流場進(jìn)行具體解算。本文截取TSV軸對稱結(jié)構(gòu)的中心軸截面，建立二維分析模型，直接反應(yīng)實(shí)際TSV的浸潤過程。同時(shí)，基于對比實(shí)驗(yàn)考慮，忽略電鍍液組分與被浸潤表面化學(xué)反應(yīng)造成的界面影響，并直接采用與電鍍液物理性質(zhì)基本相同的水作為液相組分。氣相組分中采用理想不可壓氣體假設(shè)模擬正常大氣壓下的操作環(huán)境。建立的Fluent分析模型如圖1所示。其中較小的矩形塊代表TSV，4~8代表被潤濕表面。初始情況下，所有被模擬區(qū)域?yàn)闅庀鄥^(qū)域，之后液相從邊界3以特定流速進(jìn)入（除流速討論單元，其余均設(shè)置為0.05 m/s），逐步潤濕全部或局部表面，直至從邊界1流出。具體設(shè)置為邊界1為壓力出口，2為對稱邊界，3為速度人口，4、5、6、7、8均為壁面邊界條件。表面張力和接觸角均采用實(shí)際測量值0.06 N/m，64°；重力加速度為9.81 m/s2，方向?yàn)樨Q直向下。
圖1說明：1為壓力出口邊界，2為對稱邊界，3為速度人口，4~8均為壁面邊界條件。
2 TSV深寬比的影響
深寬比為150μm:75μm和150μm:50μm的TSV浸潤仿真結(jié)果分別如圖2的(a)(b)所示，前者可以完全浸潤，后者在TSV底部形成氣泡。模擬結(jié)果表明如果不進(jìn)行充分潤濕，深寬比大于2:1的TSV就會(huì)因不能完整浸潤而在靠近TSV底部的位置形成部分表面緊貼TSV側(cè)壁的大氣泡，且該氣泡在之后的電鍍過程中難以排出，導(dǎo)致電鍍液無法接觸到TSV底部附近的位置，進(jìn)而形成較大空洞。
按照同樣設(shè)置仿真了深寬比為130μm:30μm和120μm:20μm的情況，結(jié)果均為不可完全浸潤。