重要なホール

Scientific Reports volume 13、記事番号: 428 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

電気めっきされた Cu は高度な電子パッケージングに広く適用されており、その機械的特性は信頼性にとって重要です。 この研究では、さまざまな濃度のビス-(3-スルホプロピル) ジスルフィド (SPS) を使用した電気めっきによって製造された Cu 箔を、引張試験を使用して検査します。 SPS 濃度は電気メッキされた Cu 箔の粒径に影響を与え、その結果機械的特性が異なります。 電気めっきされた Cu 箔では、顕著なホールペッチ効果 \({\sigma }_{y} = 197.4 + 0.12{d}^{\frac{-1}{2}}\) が実証されています。 飛行時間型二次イオン質量分析法によって特定された不純物の濃度の違いは、異なる粒径に対応しており、引張試験中の粒内破壊および粒界破壊を決定します。 結果は、電気めっきされた Cu の微細構造を制御する SPS 濃度が、電気めっきされた Cu 箔の機械的特性にホールペッチ効果をもたらすことを示しています。

過去には、電子パッケージングの主要な相互接続材料としてアルミニウムが使用されていました。 しかし、高度な電子パッケージングの発展に伴う相互接続材料の需要の高まりにより、アルミニウムが銅 (Cu) に置き換えられるようになりました。 これは、Cu がアルミニウムよりも優れた導電性とエレクトロマイグレーション耐性を示すためです。 さらに、Cu は優れた熱伝導性、延性、比較的高い溶融温度、および適切な強度を備えているため、電子製品で人気の導体材料となっています 1,2。

Cu の電気めっきは、電子デバイスの導電性トレース、ワイヤ、メタライゼーションの製造における工業的大量生産にとって重要です 3、4、5。 現在、半導体およびプリント基板工場向けのほとんどの電気めっき溶液は、毒性が低く、めっき浴の管理が優れているため、一般的に硫酸と硫酸銅で構成されています5、6、7。 対照的に、電気めっき溶液に添加される有機添加剤は、還元された Cu 原子の堆積速度と電気めっきされた Cu の微細構造を制御するのに不可欠です。 たとえば、めっき溶液中の一部の添加剤を使用して、ナノツイン構造を備えた Cu 膜を製造し、電気、強度、およびボイドの抑制を強化できます 5、8、9。 添加剤の 1 つは NaCl または HCl からの塩化物イオン (Cl-) であり、これにより Cu イオンの還元速度が増加します10。 さらに、Cl- はポリエチレングリコール (PEG) などの他の添加剤と共働して、カソード表面の Cu の減少速度を抑制します 11,12。 ビス-(3-スルホプロピル) ジスルフィド (SPS) は Cl- と反応して、陰極表面の Cu イオンの還元速度を加速し、電気めっきされた Cu13 の表面粗さを低減します。 添加剤の濃度の変化は、還元された Cu 原子の析出速度の変化により、電気めっきされた Cu の微細構造に大きな影響を与えました 14。 したがって、電気めっきされた Cu の特性に対する添加剤の濃度の影響は調査する価値があります。

In recent years, three-dimensional integrated circuits have become an essential solution for fabricating high-performance electronic products with extreme miniaturization15,16. Electroplated Cu has been widely applied in redistribution layers (RDLs) and through-silicon vias (TSVs) in advanced electronic packaging such as fan-out wafer-level packaging17,18. In RDLs and TSVs, the Cu wires must pass through silicon wafers and polymer substrates (epoxy molding compound). The latter exhibits a high thermal expansion, whereas the thermal expansion of the former is very low, and that of Cu ranges between them. Thermal stress is generated in the Cu wires by the different coefficients of the silicon, Cu, and epoxy molding compound during the thermal cycling tests19,20. Recently, the size of Cu wires in semiconductor chips has been reduced to the nanoscale, and their excellent mechanical properties have become increasingly important-oriented nanotwinned Cu with different columnar grain structures. Materials 13, 1310 (2020)." href="#ref-CR21" id="ref-link-section-d13182888e573"21,22,23./p>

Figure 3a shows the top-view optical images of the electroplated Cu foils peeled from the glass substrate after electroplating with SPS concentrations of 0, 0.2, 0.5, 1.0, and 2.0 ppm. The specimens were labelled as PC, PCS0.2, PCS0.5, PCS1.0, and PCS2.0, respectively. Although the top-view morphology of PCS0.2 is very similar to that of PC, the images show that the surface brightness of the Cu foil was significantly enhanced by increasing the SPS concentration. This is because the increase in the concentration of SPS gradually replaced the PEG molecules (suppressor) attached to the electroplated surface, accelerating the reduction of Cu ions13,14. When the concentration of SPS was low (0.2 ppm), the effect of the accelerator on the electroplating was very limited; therefore, the morphologies of PC and PCS0.2 resembled each other. When the concentration of SPS was increased to 0.5 ppm, the SPS molecules began to affect the Cu reduction. An increase in Cu reduction provided a uniform electroplating rate on the electroplated surface at the cathode to lower the roughness of the electroplated Cu surface. The SPS was also referred to as a brightener, and the Cu foils of PCS0.5–2.0 were brighter than those of PC and PCS0.2. The effect of SPS on the roughness of the electroplated Cu foil is illustrated by the SEM images in Fig. 3b. The top-view morphology of PC was very rough and had large cone structures, and the size of the cones was significantly reduced by 0.2 ppm SPS. Furthermore, the cones mostly disappeared when the concentration of SPS was ≥ 0.5 ppm, with the electroplated surface being very smooth. Excellent surficial uniformities of PCS0.5–2.0 were be observed in the higher-magnification SEM images (× 10,000), as shown in Fig. S1. Although the rough surface could be improved through an electropolishing process following electroplating-oriented nanotwinned Cu with different columnar grain structures. Materials 13, 1310 (2020)." href="/articles/s41598-023-27669-2#ref-CR21" id="ref-link-section-d13182888e691"21, the different microstructures with varying SPS concentrations possibly impacted the mechanical properties of the electroplated Cu foil./p>

-oriented nanotwinned Cu with different columnar grain structures. Materials 13, 1310 (2020)./p>