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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 428 (2023) Citare questo articolo

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Il Cu elettrolitico è stato ampiamente applicato negli imballaggi elettronici avanzati e le sue proprietà meccaniche sono fondamentali per l'affidabilità. In questo studio, i fogli di Cu fabbricati mediante elettroplaccatura con varie concentrazioni di bis-(3-solfopropil)disolfuro (SPS) vengono esaminati utilizzando test di trazione. La concentrazione di SPS influenza la dimensione dei grani delle lamine di Cu elettroplaccate, determinando proprietà meccaniche diverse. Un effetto Hall-Petch significativo, \({\sigma }_{y} = 197,4 + 0,12{d}^{\frac{-1}{2}}\), è dimostrato per le lamine di Cu elettroplaccate. Le diverse concentrazioni di impurezze identificate mediante spettrometria di massa di ioni secondari a tempo di volo corrispondono alle diverse dimensioni dei grani, determinando la frattura transgranulare e intergranulare durante la prova di trazione. I risultati dimostrano che la concentrazione di SPS che controlla le microstrutture del Cu elettroplaccato determina un effetto Hall-Petch sulle proprietà meccaniche delle lamine di Cu elettroplaccato.

In passato, l'alluminio veniva utilizzato come materiale di interconnessione principale negli imballaggi elettronici; tuttavia, l’elevata domanda di materiali di interconnessione con lo sviluppo di imballaggi elettronici avanzati ha portato alla sostituzione dell’alluminio con il rame (Cu). Questo perché il Cu presenta una migliore conduttività elettrica e resistenza all'elettromigrazione rispetto all'alluminio. Inoltre, l'eccellente conduttività termica, la duttilità, la temperatura di fusione relativamente elevata e la resistenza adeguata del Cu lo hanno reso un materiale conduttore popolare nei prodotti elettronici1,2.

La galvanoplastica del Cu è importante per la produzione industriale di massa nella fabbricazione di tracce conduttive, fili e metallizzazione nei dispositivi elettronici3,4,5. Attualmente, la maggior parte delle soluzioni galvaniche per le fabbriche di semiconduttori e circuiti stampati sono comunemente composte da acido solforico e solfato di rame a causa della loro bassa tossicità e dell'eccellente gestione dei bagni galvanici5,6,7. Al contrario, gli additivi organici aggiunti alle soluzioni galvaniche sono vitali per controllare la velocità di deposizione degli atomi di Cu ridotti e delle microstrutture del Cu galvanizzato. Ad esempio, alcuni additivi nelle soluzioni di placcatura possono essere utilizzati per fabbricare film di Cu con strutture nanogemellate per migliorarne l'elettricità, la resistenza e la soppressione dei vuoti5,8,9. Uno degli additivi è lo ione cloruro (Cl−) di NaCl o HCl, che aumenta la velocità di riduzione degli ioni Cu10. Inoltre, Cl− può collaborare con altri additivi, come il polietilenglicole (PEG), per sopprimere la velocità di riduzione del Cu sulla superficie del catodo11,12. Il bis-(3-solfopropil)disolfuro (SPS) reagisce con Cl− per accelerare la velocità di riduzione degli ioni Cu sulla superficie del catodo e ridurre la rugosità superficiale del Cu13 elettrolitico. La variazione nelle concentrazioni degli additivi ha influenzato significativamente le microstrutture del Cu elettrolitico a causa del cambiamento nella cinetica di deposizione degli atomi di Cu ridotti14. Pertanto, vale la pena indagare sull'influenza della concentrazione degli additivi sulle proprietà del Cu elettrolitico.

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-d48472891e573"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-d48472891e691"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>