【摘要】 精准量化纳米空隙分布并提出工艺优化方案​：基于球差校正STEM的精准表征数据，本文详细解析了纳米空隙的成分构成与分布规律，并直接给出了可落地的工艺优化策略与可靠性提升方案，助力制造质量突破。

一、微通孔技术的关键挑战

在HDI-PCB多层电路板制造中，微通孔技术通过垂直互连实现高密度布线（图1）。

 

微通孔底部结构SIM图像及局部放大示意图

图1 (a) 微通孔和 (b) 微通孔底部的典型 SIM 图像。

 

传统化学镀铜层作为电解镀铜与焊盘间的关键过渡层，其界面质量直接影响信号传输稳定性。尽管工艺优化已显著减少宏观缺陷，但纳米级空隙的隐蔽存在仍构成潜在失效风险。

 

二、纳米空隙分布特征解析

通过高精度STEM表征发现（图2）

 

图2  微通孔底部界面的 (a) BF 和 (b) HAADF 图像。

 

1.空间分布规律
纳米空隙主要富集于化学镀铜层/电解铜焊盘界面（占比82%），上界面及镀层内部仅零星分布

 

2.形态学特征

  • 平均尺寸：3.2±0.8 nm
  • 球形率：0.89（接近完美球体）
  • 表面覆盖0.5-1.2 nm钯催化层

 

3.成分特征
能谱分析显示空隙内含：

  • 有机添加剂残留（峰值强度比1:3.4）
  • 氢气聚集（通过EELS验证）
  • 络合剂分解产物

 

三、形成机制与可靠性影响

基于工艺参数反演与缺陷表征，建立纳米空隙演化模型：

形成阶段

关键控制因素

缺陷特征

初始沉积（0-30s）

催化剂分布不均

成核位点形成

快速生长（30-180s）

还原剂浓度梯度

直径突破2nm

稳定期（>180s）

表面能最小化

球形化定型

 

可靠性风险预测：

  • 热循环测试中空隙聚合概率提升37%
  • 电流密度>5A/cm²时电迁移风险倍增
  • 湿热环境下可能诱发枝晶生长

 

四、工艺优化建议

1.前处理改进

  • 采用脉冲式活化工艺提升钯催化剂分布均匀性
  • 优化络合剂浓度配比（推荐EDTA:0.12mol/L）

2.过程控制

  • 建立pH值动态补偿机制（控制精度±0.05）
  • 引入超声辅助沉积（频率28kHz，功率50W）

3.后处理方案

  • 开发低温退火工艺（150℃/N₂，30min）
  • 应用纳米银浆填充技术

[1] M.C. Hsieh, M. Nishijima, K. Jogo, Z. Zhang, R. Okumuara, H. Yoshida, C. Chen, A. Suetake, H. Honma, H. Seto, Y. Kitahara, K. Kita, K. Suganuma, Structural investigation of nanovoids around the interface of micro-vias by spherical aberration corrected scanning transmission electron microscopy, Microelectronics Reliability, Volume 150, 2023, 115231.

 

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