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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 428 (2023) Citer cet article

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Le Cu électrolytique a été largement utilisé dans les emballages électroniques avancés et ses propriétés mécaniques sont essentielles à la fiabilité. Dans cette étude, des feuilles de Cu fabriquées par galvanoplastie avec diverses concentrations de bis-(3-sulfopropyl) disulfure (SPS) sont examinées à l'aide d'essais de traction. La concentration de SPS affecte la taille des grains des feuilles de Cu électrolytiques, ce qui entraîne des propriétés mécaniques différentes. Un effet Hall-Petch significatif, \({\sigma }_{y} = 197,4 + 0,12{d}^{\frac{-1}{2}}\), est démontré pour les feuilles de Cu électrolytiques. Les différentes concentrations d'impuretés identifiées par spectrométrie de masse des ions secondaires à temps de vol correspondent aux différentes tailles de grains, déterminant la fracture transgranulaire et intergranulaire lors de l'essai de traction. Les résultats démontrent que la concentration de SPS contrôlant les microstructures du Cu électrolytique entraîne un effet Hall – Petch sur les propriétés mécaniques des feuilles de Cu électrolytiques.

Dans le passé, l’aluminium était utilisé comme principal matériau d’interconnexion dans les emballages électroniques ; cependant, la forte demande de matériaux d'interconnexion associée au développement d'emballages électroniques avancés a conduit au remplacement de l'aluminium par du cuivre (Cu). En effet, le Cu présente une meilleure conductivité électrique et une meilleure résistance à l’électromigration que l’aluminium. De plus, l’excellente conductivité thermique, la ductilité, la température de fusion relativement élevée et la résistance appropriée du Cu en ont fait un matériau conducteur populaire dans les produits électroniques1,2.

La galvanoplastie du Cu est importante pour la production industrielle de masse dans la fabrication de traces conductrices, de fils et de métallisation dans les appareils électroniques3,4,5. Actuellement, la plupart des solutions de galvanoplastie destinées aux usines de semi-conducteurs et de circuits imprimés sont généralement composées d'acide sulfurique et de sulfate de cuivre en raison de leur faible toxicité et de leur excellente gestion des bains de placage5,6,7. En revanche, les additifs organiques ajoutés aux solutions de galvanoplastie sont essentiels pour contrôler le taux de dépôt des atomes de Cu réduits et des microstructures du Cu électrolytique. Par exemple, certains additifs contenus dans les solutions de placage peuvent être utilisés pour fabriquer des films de Cu avec des structures nanotwin afin d'améliorer leur électricité, leur résistance et leur suppression des vides5,8,9. L’un des additifs est l’ion chlorure (Cl−) provenant de NaCl ou de HCl, qui augmente le taux de réduction des ions Cu10. De plus, Cl− peut coopérer avec d’autres additifs, tels que le polyéthylène glycol (PEG), pour supprimer le taux de réduction du Cu à la surface de la cathode . Le bis-(3-sulfopropyl) disulfure (SPS) réagit avec Cl− pour accélérer le taux de réduction des ions Cu sur la surface de la cathode et réduire la rugosité de surface du Cu13 électrolytique. La variation des concentrations des additifs a affecté de manière significative les microstructures du Cu électrolytique en raison du changement dans la cinétique de dépôt des atomes de Cu réduits . Par conséquent, l’influence de la concentration des additifs sur les propriétés du Cu électrolytique mérite d’être étudiée.

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>