抑制TSV中铜热胀出的方法

本发明涉及一种抑制tsv中铜热胀出的方法，属于三维电子封装技术领域。

背景技术：

集成电路产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。随着时代的发展，集成电路已进入后摩尔时代。依靠减小特征尺寸来不断提高集成度的二维封装方式已接近极限，三维电子封装技术成为延续摩尔定律的最佳选择。硅通孔(throughsiliconvia，tsv)技术是三维电子封装实现垂直互连的核心和关键。tsv芯片在制造和服役过程中不断经历温度载荷，材料间的热失配会引发诸多可靠性问题。温度变化过程中，tsv中铜的自由膨胀和收缩会受到周围材料的限制，诱发的热应力使铜在轴向上受挤压，并在铜/硅界面产生较大的切应力，引发塑性和蠕性变形，导致铜从孔内胀出，胀出的铜会对周围器件结构、再分布层、脆性金属间化合物施加压力，导致器件变形或断裂，引发严重的机电故障。目前工业生产过程中主要的解决方案有：增加缓冲或抑制结构；复合电镀的方法；但现有抑制tsv中铜热胀出的方法尚不完善，与tsv制造工艺兼容性较差。因此，需要研究出一种较为完善、与tsv制造工艺兼容性好的方法。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种抑制tsv中铜热胀出的方法。

本发明所述的一种抑制tsv中铜热胀出的方法，包括以下步骤：

步骤s1：超声波调控tsv沉积铜晶粒尺寸工艺参数优化设计，具体包括以下步骤：

步骤s101：建立超声波作用下tsv孔道内声场和流场的分布模型，计算铜离子和添加剂分子的局部浓度；

步骤s102：建立超声波作用下tsv镀铜填充动力学模型，计算阴极表面局部电流密度和铜离子局部浓度的时变分布，确定实现tsv无缺陷、快速填充的工艺参数范围；

步骤s103：建立超声波作用下tsv镀铜填充电结晶动力学模型，计算tsv沉积铜晶粒尺寸与阴极局部电流密度的定量关系，设计获得最小晶粒尺寸的超声电沉积工艺参数；

步骤s2：采用步骤s1设计的使tsv沉积铜晶粒尺寸最小化的超声工艺参数电镀填充tsv，具体包括以下步骤：

步骤s201：预处理；

步骤s202：电镀填充；

步骤s203：清洗；

步骤s204：观测；

步骤s3：进行实验验证。

优选地，所述步骤s101具体包括以下步骤：首先根据液体介质中的谐波方程建立声场分布模型，然后根据运动方程和连续性方程建立超声作用下流场分布模型，最后使用稳态速度场对描述单个物质稳态扩散和对流输运的守恒方程进行数值求解。

优选地，所述步骤s102具体包括以下步骤：首先采用电化学分析和数值拟合的方法建立tsv镀铜填充添加剂覆盖率和添加剂浓度的量化表达模型，并计算添加剂的扩算、吸附及消耗系数；然后建立添加剂作用下局部电流密度的求解模型；最后求解tsv阴极表面还原铜电沉积速度。

优选地，所述步骤s201具体包括以下步骤：将待镀tsv芯片浸没在去离子水中，并排出tsv微孔内的气体，然后将待镀tsv芯片浸没在tsv电镀液中静置。

优选地，所述步骤s203具体包括以下步骤：将tsv芯片浸没在去离子水中清洗，然后迅速进行烘干。

优选地，所述步骤s204具体包括以下步骤：对tsv芯片进行金相封样和磨样，观测tsv镀铜填充形貌和晶粒尺寸。

优选地，所述步骤s3采用退火实验验证超声细化tsv沉积铜晶粒尺寸能够减小其热胀出量。

本发明所述的抑制tsv中铜热胀出的方法，具有以下有益效果：

(1)不同于替换填充材料、复合电镀填充以及增加阻挡层抑制铜胀出的方法，从填充材料的微观组织结构影响其宏观力学行为的角度出发，通过超声波使沉积铜晶粒细化，从而抑制tsv中铜热胀出的方法与现有的tsv镀铜填充工艺兼容性良好，能够促进tsv镀铜填充速度和填充率，不引发其他可靠性问题，对设备的依赖程度低，工艺流程简单易操作，生产成本低。

(2)通过理论分析，基于实验建立数学模型优化设计tsv超声调控工艺参数的方法比目前工业生产过程中采用的大量工程试片、工艺试错的方法更准确、更智能化，不仅能够节约生产成本，缩短研发周期，而且可拓展性强，更符合我国新时期向信息化、智能化工业转型的战略部署。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

图2是本发明步骤s1的流程框图。

图3是本发明步骤s2的流程框图。

图4是本发明步骤s2中电镀填充的设备示意图。

图5是传统电镀和超声调控电镀的tsv填充形貌对比示意图，其中(a)：传统电镀；(b)超声调控电镀。

图6是传统电镀和超声调控电镀沉积铜晶粒尺寸的对比示意图，其中(a)：传统电镀；(b)超声调控电镀。

图7是传统电镀和超声调控电镀热胀出对比示意图，其中(a)：传统电镀；(b)超声调控电镀。

图中：1、精密电源；2、电镀槽；3、电镀阳极板；4、tsv电镀液；5、待镀tsv芯片；6、超声波换能器；7、超声波发生器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1至图3所示，本发明所述的抑制tsv中铜热胀出的方法，具体包括以下步骤：

步骤s1：超声波调控tsv沉积铜晶粒尺寸工艺参数优化设计，工艺参数主要包括：超声波频率、超声波功率和电流密度。

步骤s101：建立超声波作用下tsv孔道内声场和流场的分布模型，计算铜离子和添加剂分子的局部浓度。

首先，根据液体介质中的谐波方程建立声场分布模型，如下公式所示：

其中，p代表声压，ω代表角频率(2πf)，ρc代表tsv电镀液的复密度，cc代表tsv电镀液中的复声速，kc代表复波数，zc代表阻抗，α代表吸收数，c0代表tsv电镀液中的声速，ρ0代表tsv电镀液密度。

然后，根据运动方程和连续性方程，建立超声作用下流场分布模型，如以下公式所示：

其中，代表单位矩阵，p代表tsv电镀液压力，μ代表tsv电镀液粘度，u代表tsv电镀液流速。

最后，使用稳态速度场对描述单个物质稳态扩散和对流输运的守恒方程进行数值求解，如以下公式所示：

其中，d代表物质的扩散系数，代表物质的浓度梯度，u代表超声诱导流场的速度场，rc代表物质的消耗。

步骤s102：建立超声波作用下tsv镀铜填充动力学模型，计算阴极表面局部电流密度和铜离子局部浓度的时变分布，确定实现tsv无缺陷、快速填充的工艺参数范围。

首先，采用电化学分析和数值拟合的方法建立tsv镀铜填充添加剂覆盖率和添加剂浓度的量化表达模型，并计算添加剂的扩散、吸附及消耗系数，如以下公式所示：

其中，θadd代表添加剂覆盖率，在电化学分析过程中采用归一化电流密度表征，即加入添加剂后电流密度的变化量与原电流密度的比值。代表添加剂浓度，根据步骤s101中声场和流场模型求解；kadd代表添加剂吸附系数，γadd代表添加剂消耗系数，采用回归分析法通过实验数据对模型拟合求解添加剂吸附和消耗系数。

然后，根据butler-volmer方程建立添加剂作用下局部电流密度的求解模型，如以下公式所示：

其中，α代表电荷转移系数，j0代表交换电流密度，通过线性扫描伏安法测量超声作用下镀液阴极极化曲线，采用塔菲尔直线外推法求得。代表铜离子局部浓度，根据步骤s101声场-流场模型求解。

最后，根据法拉第电解定律，求解tsv阴极表面还原铜电沉积速度，如以下公式所示：

其中，v代表铜电沉积速度，mcu代表铜的摩尔质量，ρcu代表铜的密度，n代表转移电子数，j代表电流密度，f代表法拉第常数。

采用弱形式通过comsolmultiphysics软件求解，即可获得超声调控tsv填充形貌仿真结果，确定实现tsv无缺陷填充的超声工艺参数。

步骤s103：建立超声波作用下tsv镀铜填充电结晶动力学模型，计算tsv沉积铜晶粒尺寸与阴极局部电流密度的定量关系，以100％填充率为约束，设计获得最小晶粒尺寸的超声电沉积工艺参数。

首先，假设阴极表面每一个晶核都能长成一个晶粒，则t时刻阴极表面的晶粒个数(n)如以下公式所示：

n＝jat(3.1)

t时刻电沉积铜的平均晶粒体积(vg)如以下公式所示：

其中，j表示成核速率，a表示阴极表面积，v表示t时刻阴极表面沉积铜的总体积。

然后，根据电结晶经典热力学和动力学理论，建立成核速率和过电位的函数关系，如以下公式所示：

其中，k1和k2表示成核系数，η表示过电位。过电位的计算如以下公式所示：

最后，基于上述模型求解tsv沉积铜晶粒尺寸vg与超声工艺参数的定量关系，在保证tsv无缺陷填充的基础上优化设计获得最小晶粒尺寸的超声工艺参数。

步骤s2：采用步骤s1设计的使tsv沉积铜晶粒尺寸最小化的超声工艺参数电镀填充tsv，所需要的设备如图4所示，主要包括：精密电源1、电镀槽2、tsv电镀液4、电镀阳极板3、待镀tsv芯片5、超声波换能器6和超声波发生器7。电镀槽2内放置有tsv电镀液4，电镀阳极板3、待镀tsv芯片5以及超声波换能器6放入到电镀槽2内并被tsv电镀液4没过，精密电源1通过电线分别与电镀阳极板3和待镀tsv芯片5连接，超声波发生器7与超声波换能器6通过电线连接。具体包括以下步骤：

步骤s201：预处理。将待镀tsv5芯片浸没在去离子水中，采用水循环真空泵，排出tsv微孔内的气体，然后将待镀tsv芯片5浸没在tsv电镀液4中静置，使种子层润湿。

步骤s202：电镀填充。基于理论设计的tsv超声电镀工艺参数，通过精密电源1设置电镀电流密度(一般为3ma/cm2-7ma/cm2)，通过超声发生器7设置超声频率(一般为20khz-10mhz)和超声功率(一般为200w-500w)，将待镀tsv芯片5放入到电镀槽2内，通过卡槽夹具将待镀tsv芯片5固定在超声波换能器6上，使得待镀tsv芯片5与超声波换能器6紧密贴合。设置完成后，通电电镀并施加超声。

步骤s203：电镀结束后，切断电源，将tsv芯片浸没在去离子水中清洗，去除表面残留的tsv电镀液4。清洗过后，使用低温烘干设备迅速烘干芯片，防止tsv芯片表面在空气中氧化。

步骤s204：观测。对超声电镀后的tsv芯片进行金相封样和磨样，通过扫描电子显微镜观测tsv镀铜填充形貌和晶粒尺寸。无超声和超声调控的tsv电镀填充形貌及沉积铜晶粒如图5所示。

步骤s3：退火实验验证超声细化tsv沉积铜晶粒尺寸能够减小其热胀出量。

根据hall-petch理论，如以下公式所示：

其中，σ代表屈服强度，d代表晶粒尺寸。沉积铜的晶粒尺寸越小，其屈服强度越高，抵抗塑性变形的能力就越强，温度载荷下tsv中铜的热胀出量越少。

采用动态采用热机械分析仪(dma)对超声调控tsv镀铜填充芯片和传统电镀填充芯片进行温度循环实验，根据tsv的退火工艺温度(25℃至425℃)、组装工艺温度(25℃至325℃)、服役温度(0℃至125℃)，设置温度变化范围为0℃至430℃，设置温度变化速率为10℃/min。采用sem观测温度循环实验后传统电镀tsv和超声细化tsv热胀出形貌，如图7所示。可以看出，tsv镀铜填充过程中通过超声细化沉积铜晶粒尺寸能有效减小铜胀出。

本发明可广泛运用于三维电子封装场合。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。