酸性镀铜整平剂的应用现状及展望_武锦辉.pdf
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1、随着制造技术向微小化、复杂化、高精度化方向发展,电镀铜镀液中添加剂选择和使用变得更加重要。整平剂作为其中的关键组分,对于实现高平整性镀层、通孔盲孔填充等至关重要。本文简要综述了酸性硫酸盐镀铜整平剂的作用原理,并根据特征基团的不同,对目前研究开发的整平剂进行了分类与总结。最后介绍了整平剂目前的应用现状,并对添加剂未来研究方向和发展进行了展望。关键词:酸性镀铜;整平剂;染料;非染料;季铵盐;无机化合物中图分类号:TQ153.14文献标识码:AApplication status and prospect of acidic copper plating levelerWu Jinhui1,Liu
2、Xinning2,Wu Bo1,Li Ning1,Li Deyu1*(1.School of Chemistry and Chemical Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China;2.Changzhou Xinsheng Automotive Component Co.,Ltd.,Changzhou 213127,China)Abstract:With the development of manufacturing technology towards miniaturization,complexity,
3、and high precision,the selection and use of additives in electroplating copper plating solutions become more important.As a key component,the leveler is very important for achieving high-level plating,through hole filling and blind hole filling,etc.This paper briefly reviews the action mechanism of
4、acidic sulfate copper plating leveler.And according to the different characteristic groups,the leveling agents researched and developed at present are classified and summarized.Finally,the current application status of leveling agents is introduced,and the future research direction and development o
5、f additives are prospected.Keywords:acid copper plating;leveler;dyes;non-dyes;quaternary ammonium salts;inorganic compounds随着电子工业、信息产业的发展,镀铜技术得到迅速的发展。酸性硫酸盐镀铜具有成分简单稳定、电流效率高、价格便宜等特点,从最初的五金镀铜,已经逐渐扩展至印刷电路板、芯片、电子封装等多个领域,其镀液组分也不断改良升级。整平剂作为其中一项关键组分,也在不断地发展中,已经陆续开发出多种不同类型整平剂,并围绕其结构和功能展开了研究。本文简要论述了酸性镀铜整平剂的作用
6、原理,并就目前使用和研究的整平剂进行了归类和总结,希望能为酸性镀铜整平剂的进一步研究和应用提供参考。doi:10.3969/j.issn.1001-3849.2023.04.013 收稿日期:2022-12-17 修回日期:2023-02-09 作者简介:武锦辉(1998),男,硕士研究生,email: *通信作者:黎德育,email:77Vol.45 No.4 Serial No.361Plating and FinishingApr.20231整平剂及其作用原理整平剂可被视为高强度的抑制剂,与其他添加剂的配合作用,可将基材表面上的细微的凹陷或划痕填平,使之光滑;也可在通孔、盲孔填充中增强自
7、下而上填充,实现平坦化的表面,产生光亮的铜沉积物和光滑表面。整平剂具有增大阴极极化、抑制沉积的作用,其作用机理可以解释为:在微观凹凸表面,相对更集中的电场及强对流扩散作用促使凸处比凹处更容易吸附整平剂,而使凸处受到强烈抑制作用,凹处由于整平剂扩散受限等原因而受抑制较弱,这种抑制差异导致微观凹处优先沉积,最终镀层趋于平整。通常,我们使用的镀液体系中包含了抑制剂、氯离子、加速剂和整平剂 4 种组分(如 PEG-Cl-SPS-Leveler),其中抑制剂和整平剂都起到了抑制铜沉积的作用,这2种添加剂均主要吸附在微孔表面或者侧壁,而在底部吸附较少。整平剂可以通过竞争吸附或离子对作用使表面的 PEG和
8、SPS置换或失活,来增强其抑制效果。如图1所示,整平剂分子可占据表面,绝大多数的活性位点或与抑制剂共同吸附在表面形成复合抑制作用1,整平剂浓度较高时,表面被整平剂完全覆盖,而当整平剂浓度较低时,表面被整平剂部分覆盖,这为抑制剂PEG的吸附留下空间,最终整平剂和PEG共同吸附于表面。此外,一些整平剂如聚乙烯亚胺(PEI)2和十二烷基三甲基氯化铵(DTAC)3还具有使SPS加速剂失活的能力,它们通过亚胺阳离子与SPS尾部磺酸根阴离子基团发生离子配对,降低了SPS的活性,从而进一步增强了抑制效果。另外,值得强调的是,高整平或完全填充效果的实现,是镀液中各添加剂组分间协同和竞争作用的结果,而不是单组分
9、添加剂作用的简单叠加。只有在特定的添加剂组合和优化的浓度下才能实现良好的效果。2整平剂的种类整平剂一般为含氮杂环化合物或者季铵盐化合物。其分子本身带正电荷,能够吸附在阴极表面,特别是在高电流密度区,起到抑制铜离子沉积的作用。与其他添加剂协同作用,细化晶粒,起到整平作用。根据已有的研究,整平剂可大致分为染料型和非染料型两类。有机染料是酸铜电镀工艺中最早使用的一类添加剂。染料型添加剂具有覆盖能力强、整平效果好等优势,但其高温易分解、允许电流密度小、易聚合沉积,对于大规模工业生产不利,同时还存在一些质量问题和环境污染问题,这限制了其进一步发展。基于此,近年来又开发出许多非染料型、性能稳定且环境友好的
10、新型整平剂分子,可实现与染料型添加剂相媲美的整平效果。表1和表2展示了不同结构的整平剂分子。(a)整平剂浓度高时的吸附行为(b)整平剂浓度较低时的吸附行为图1PEG和整平剂共存时的表面吸附行为1Fig.1Adsorption behavior of the surface when PEG and leveler coexist78第 45 卷 第 4 期(总第 361 期)2023 年4 月电 镀 与 精 饰表1染料型整平剂Tab.1Dye-type levelers序号1234567染料类型吩嗪染料噻嗪染料噻唑染料酞菁染料DPP类染料三苯甲烷染料偶氮染料染料名称健那绿(JGB)二嗪黑(DB
11、)藏红T亚甲基蓝(MB)硫黄素T阿尔新蓝(ABPV)二酮吡咯并吡咯染料龙胆紫(GVT)甲基橙结构式 参考文献/专利4-678-910461213-16171879Vol.45 No.4 Serial No.361Plating and FinishingApr.20232.1染料型整平剂2.1.1吩嗪染料吩嗪类染料是一种常用的整平剂,其结构中的N+可作为活性位点,使其吸附于高电子密度区域,起到抑制沉积的作用。健那绿(JGB)是其中研究最多的一种添加剂,一定量的JGB的加入可以增大阴极极化,使晶粒细化,改善表面凹陷和针孔现象,降低表面粗糙度。JGB能够与聚乙二醇(PEG)和 Cl形成一种复合抑制
12、剂,对铜的沉积产生协同抑制作用,并且该抑制作用与对流程度及氯离子浓度有关,强对流及高氯离子浓度有利于增强复合抑制剂的抑制作用4。另外,Lai Z等人5通过分子动力学模拟及恒电流实验发现JGB可以与加速剂MPS形成拮抗作用,在高电流密度下,JGB将取代MPS的反应位点,形成竞争吸附。Li Y B等人6对JGB在阴极表面的吸附行为进行了研究,JGB在通电条件下是不稳定的,在较低的阴极极化电位下,其结构中的N=N发生断裂,被还原为更稳定的产物A。所产生的产物A可以稳定地吸附在阴极表面上,且在高过电位下仍可以稳定吸附。这种新物质才是镀铜过程中真正的整平剂,如图2所示。二嗪黑(Diazine Black
13、,DB)也被用作为整平剂,它的结构与JGB十分相似,区别在于其含有一个OH。二嗪黑虽是JGB的衍生物,但两者电化学行为有所不同。与 JGB表现出的增大极化作用相反,Dow W P等人7发现DB并不能增强PEG-Cl-对铜沉积的抑制作用,并且在仅有氯离子存在时还表现出一定的去极化作用。DB的加入可以使结晶细致,表面平整,但是过量的DB将失去与其他添加剂的协同效应,使得表面粗糙。DB也会改变镀层的择优取向,铜镀层的择优取向由(111)变为(220)。表2非染料型整平剂Tab.2Non-dye type levelers序号123添加剂类型小分子含氮杂环化合物大分子含氮聚合物季铵盐表面活性剂添加剂名
14、称2-巯基吡啶(2-MP)苯并三氮唑(BTA)三环唑(TCA)聚乙烯亚胺(PEI)聚乙烯吡咯烷酮(PVP)咪唑-环氧氯丙烷共聚物(IMEP)十二烷基三甲基氯化铵(DTAC)结构式 参考文献/专利26-2725242,333437380第 45 卷 第 4 期(总第 361 期)2023 年4 月电 镀 与 精 饰藏红(ST)具有与JGB分解副产物相似的结构,并且具有额外的1个氨基(NH2)结构,可以更容易地与PEG中的氧原子通过氢键来实现相互作用,形成复合抑制效果8。Zhu H P等人9对藏红分子结构进行了改性,将其结构中的甲基官能团用羟基来取代,并将改性后的藏红(mST)用作整平剂,结果发现
15、,这种具有吩嗪羟基结构的mST可以实现更快速的盲孔填充。与传统的 PEG-JGB-SPS 相比,PEG-mST-SPS所需的沉积时间减半,这种快速填充效果来源于mST在微孔表面的强烈吸附作用,如图3所示,将 mST添加到 PEG-SPS电解质中将形成 PEG-mST的复合抑制剂,这种复合抑制剂表现出高度依赖于对流的吸附能力,并且与 SPS相比,mST-PEG在表面上竞争吸附力要强得多,因此mST-PEG将占据微孔表面及侧壁的大部分位置,并在该处产生强烈的抑制作用,但其在微孔底部的竞争吸附力较差,底部受抑制较弱,由此可实现超快的填充速度及超薄的表面厚度。2.1.2噻嗪染料噻嗪染料是指含有N和S六
16、元芳环(噻嗪环)的染料,其结构中具有的季铵阳离子等特征基团,可在电沉积过程中优先吸附从而影响铜沉积速率。Manu R等人10研究了以亚甲基蓝(MB)为整平剂,实现高纵横比通孔填充。研究表明,亚甲基蓝可在较低浓度下实现出色的填充效果。而当MB浓度较高时,由于其小分子结构及复杂的扩散行为,会失去与其他添加剂的协同作用,镀层表面出现凸起或团聚现象。因此,MB适合作为低浓度的通孔填充添加剂。2.1.3酞菁染料分子中含有四氮卟吩结构的染料也被报道用为整平剂11。Dow W P等人12研究了阿尔新蓝(a)JGB的分解过程 (b)JGB的吸附-解吸行为图2JGB的分解过程及吸附-解吸行为6Fig.2Deco
17、mposition process and adsorption-desorption behavior of JGB(a)PEG-SPS中的吸附行为(b)PEG-mST-SPS中的吸附行为图3微孔内添加剂吸附行为示意图9Fig.3Schematic illustration of additives adsorption within the microvia81Vol.45 No.4 Serial No.361Plating and FinishingApr.2023(ABPV)作为整平剂的微孔填充效果,研究发现ABPV可在低氯离子浓度下实现自下而上的填充。通常,在氯离子浓度较低时将无法维
18、持 PEG-Cl的高覆盖率,PEG-Cl的抑制作用不及SPS-Cl的加速作用,其抑制与加速协同作用消失,从而无法实现良好的自下而上填充。加入ABPV可以有效调节低氯离子浓度下PEG与SPS的竞争吸附,ABPV可以通过分子间相互作用来增强PEG在低氯离子浓度下与SPS的竞争吸附,进而恢复在低氯离子浓度下的填充性能。2.1.4其他还有一些其他染料被应用于电镀铜整平剂,目前染料型整平剂的开发仍主要以其结构中含有的季铵阳离子为主要依据来进行筛选与研究,并在此基础上进一步研究分子结构(或取代基)对整平能力的影响。Li J等人13设计并合成了一系列吡咯并吡咯二酮衍生物,均对铜沉积具有明显的抑制作用,其平面
19、结构和氧原子可以增强吸附能力,微孔填充效率可达96.9%。Wang Z Y等人17将龙胆紫(GVT)作为整平剂用于通孔填充,通过原位 FTIR等表征发现GVT可直接吸附在Cu表面,与SPS形成竞争吸附,在10 mAcm-2下可达到97.6%的优异均镀能力。此外,还有甲基橙18、喹吖啶酮衍生物19、氯化硝基四唑蓝20-21等也被报道用于镀铜整平剂。2.2非染料型整平剂2.2.1小分子含氮杂环化合物一些结构中含有杂原子(如N、S)、极性官能团(如巯基)和共轭双键等的小分子化合物,由于其官能团及独特的排列结构,在铜表面产生强的配位和吸附能力22-23,可应用于电镀铜整平剂。Liao C等人24研究了
20、三环唑(TCA)作为一种电镀铜微孔整平剂的效果,研究发现,TCA具有丰富的活性位点,其HOMO和LUMO主要分布在苯丙噻唑环和三唑环上。对TCA在Cu(111)表面的吸附进行了模拟,其结果如图4所示,TCA可以通过共轭结构以平面的形式吸附在铜表面,最大限度地扩大表面覆盖度,以实现更强的吸附,有效抑制铜的沉积,从而在较低浓度下即可实现很好的整平能力。随着TCA浓度的增大,对铜沉积的抑制作用增强。但当浓度过大时,会失去与其他添加剂的协同效应,镀层表面出现结块等现象。此外,与常用的JGB相比,TCA的填充效果和使用寿命更佳。Chang C等人26研究了2-巯基吡啶(2-MP)代替JGB作为整平剂,研
21、究发现2-MP的作用机制与JGB基本相同,在电化学阻抗Nyquist图中观察到的环数量、形状相同,但是2-MP的半圆尺寸比JGB的大得多,说明 2-MP 对 Cu 沉积的抑制作用强于 JGB。2-MP有更好的填充能力,表面铜膜厚度可降至10 m,并同时实现完全填充。当 1 mg/L 2-MP、1 mg/L SPS和200 mg/L EPE加入到基础液中时,可以实现无氯离子情况下的填充。Ren S等人27进一步研究了包含2-巯基吡啶在内的6种含不同官能团的氮杂环化合物,经过研究发现,2-MP、DPT、HMMP和AHMP对Cu沉积具有抑制作用,而2-MPD和MPC对Cu沉积没有抑制作用。此外,量子
22、化学计算和分子动力学模拟已被应用于分析有机分子构型、电子结构以及添加剂分子与金属表面之间的相互作用,可用于研究整平剂分(a)侧视图(b)俯视图图4三环唑(TCA)在Cu(1 1 1)表面吸附平衡构型24Fig.4Cconfigurations for equilibrium adsorption of TCA on Cu(1 1 1)surface82第 45 卷 第 4 期(总第 361 期)2023 年4 月电 镀 与 精 饰子结构的有效活性位点。分子轨道和Fukui函数计算表明,SH和=S官能团是氮杂环化合物吸附在Cu表面上最活跃的反应位点,带有SH 或=S官能团的氮杂环化合物可作为潜在
23、的整平剂。Wang X 等人28同样研究了具有二硫键的2,2-二硫二吡啶(DTDP)作为整平剂的通孔填充效果,通过量子化学计算和MD模拟,发现DTDP分子中有大量的活性位点(如吡啶环、N和S原子),从而使DTDP具有强的铜表面吸附能力,可增大阴极极化,与其他添加剂协同作用,在 13106的 DTDP浓度下,获得了平坦的铜表面和91.3%的填充率。近年来,多种不同结构的含氮或硫杂原子的小分子化合物不断被报道应用于镀铜整平剂,如四唑衍生物29、5-氨基-1,3,4-噻二唑-2-硫醇30等。小分子杂环化合物正成为新型整平剂开发的一个重要方向。2.2.2大分子含氮聚合物长链高分子聚电解质在溶剂中可发生
24、电离,并通过静电等相互作用来实现在固体表面的吸附31-32。因此,一些含氮聚合物也被开发用于镀铜添加剂。Kim S K等人2研究了聚乙烯亚胺(PEI)对铜沉积动力学的影响,PEI可以通过其带电亚胺基团与铜表面间的相互作用实现良好的吸附,起到抑制沉积的作用,此外,PEI中的亚胺阳离子还会与SPS尾部阴离子基团发生离子对相互作用,使吸附的SPS失活。使用一定浓度的PEI可以有效防止过度填充时凸块的产生,而当PEI浓度过高时,会导致SPS大量失活,对自下而上填充产生不利影响。Hayase M等人33也通过三步法策略利用PEI选择性失活加速剂实现了深孔填充。图5展示了使用不同浓度PEI及浸泡不同时间后
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