在先进封装领域,玻璃通孔(TGV)被视为继硅通孔(TSV)之后实现芯片垂直电互连最具前景的封装方案之一。但理想很丰满,现实却有一道绕不开的坎——如何在玻璃盲孔中实现均匀、无缺陷的自底向上铜填充? 这是玻璃基垂直互连面临的关键共性问题。
福州大学孙建军教授团队最近给出了一条颇具新意的答案:用电化学图灵模式做时空调制。

TGV的填充有两条技术路径:通孔(基板)通常先在腰部区域使金属桥接,把原通孔变成两个盲孔再填充;盲孔(中介层)则走类似TSV的路线,先填满再背面减薄。路径不同,终点却一致——盲孔里的铜得从底部往上长,而且要长得均匀、无缺陷。这道题不解,玻璃基垂直互连就难言成熟。

TAZBC:让沉积动力学“分叉”的小分子

孙建军团队首次报告了氮唑类小分子——氯化四唑蓝(TAZBC)——在极端自底向上铜填充上的潜力。恒电流模式下,TAZBC的加入会让电位随时间振荡,沉积动力学在空间上发生分叉:活性区与钝化区共存。放到有一定深径比的盲孔里,效果就是电沉积只认底部,侧壁和表面老老实实保持钝化。这正是自底向上填充想要的样子。

但TAZBC并不完美。电场把体系推离平衡态、在时空域内形成图灵分叉结构的同时,也带来了固有失稳——电位振幅可达数十毫伏。振幅一大,侧壁就可能局部加速生长,孔洞缺陷随之而来。

EPE登场:把振幅压下去,把侧壁按住

团队的办法是引入环氧乙烷-环氧丙烷共聚物(EPE)作为辅助添加剂。TAZBC与EPE混合后,电位振幅被控制在10 mV以下,侧壁生长被完全抑制,自底向上的沉积能力却保留了下来。相当于给图灵分叉装了一个“稳流器”:该分叉的地方继续分叉,不该长的侧壁一点不长。

反向脉冲:让每一个孔都长成一样

图灵模式还有另一面:它能在凹陷特征内外诱导自底向上生长,也会让不同凹陷特征之间的生长动力学产生差异。孔与孔之间长得不一样,均匀性就无从谈起。团队用反向脉冲电化学调制技术(PPR)重整了添加剂及金属离子在电极界面的时空行为,最终在保证孔内外存在显著生长动力学分叉的同时,实现了TGV均匀、无缺陷的极端自底向上铜填充。

图1的三段式对比很直观:TAZBC单独作用时高振幅、随机、有缺陷;加入EPE后振幅降下来但仍是混沌状态;上了PPR技术,电位振荡变得高频有序,截面也干净利落地自底向上填满。

效率账也很漂亮:与商业添加剂相比,这套基于电化学图灵模式的时空调制策略电镀效率提升一倍,后续抛光负担也减轻了。

机制层面:从拉曼光谱到晶粒尺寸

两种添加剂如何“合谋”产生图灵图案?团队做了几组扎实的表征:

  • EC-SERS(电化学-表面增强拉曼光谱):添加EPE后,TAZBC抑制层的覆盖能力进一步增强。

  • EBSD(电子背散射衍射):钝化区微孔的晶粒尺寸极小,成核生长受到强烈抑制;活性区则相反,成核速率和晶粒尺寸都显著更快更大。

  • 接触角实验:TAZBC降低镀液润湿性,EPE改善润湿性。两者可能形成聚集体——EPE的疏水性PO嵌段朝向TAZBC,亲水性EO嵌段朝向溶液——这种结构有助于聚集体充分进入盲孔底部,同时保留TAZBC的图灵分叉特性。

不止于填充:图灵不稳定性的更多想象

当然,孙建军团队并未止步于盲孔填充。他们正在继续探索利用图灵不稳定性在封装基板内生成规则结构的可能性,目前已实现盲孔和通孔结构铜填充的可控调制,把这一电化学非线性现象在TGV先进封装中的应用边界又往外推了一步。

一句话总结: TAZBC诱导电化学图灵分叉,让铜只往孔底长;EPE把电位振幅压到10 mV以下,按住侧壁不乱长;反向脉冲调制抹平孔间差异,最终实现均匀无缺陷的TGV自底向上铜填充,效率还比商业添加剂翻了一倍。

来源:冯磊,孙建军. 电化学图灵模式的时空调制:玻璃通孔的自底向上铜沉积[J]. 电子与封装, 2026, 26(9): 090601 .

https://ep.org.cn/CN/Y2026/V26/I9/90601

采集来源:TGV自底向上铜沉积的新突破

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作者 llp