热处理工艺对电镀金属化玻璃通孔(TGV)基板翘曲行为及铜柱性能的调控机制研究

针对射频芯片3D封装中玻璃通孔(TGV)基板因电镀铜层残余应力导致的翘曲问题，研究团队通过分子动力学模拟和实验验证，揭示了热处理温度(100-300℃)对SiO2-Ti-Cu界面稳定性、铜柱晶界取向(∑3/∑9型达45.46%)及电阻率(15.83→18.11×10?6Ω·m)的调控规律，首次实现翘曲曲率半径979m与电性能的平衡，为高密度互连提供新工艺方案。

　　

在5G和物联网技术飞速发展的今天，射频芯片的3D封装技术成为提升通信设备性能的关键。然而，作为核心部件的玻璃通孔(TGV)基板在电镀金属化过程中，却面临着一个棘手的难题——由于铜层与玻璃基板的热膨胀系数差异，导致基板产生严重翘曲，直接影响后续化学机械抛光(CMP)的加工精度和芯片可靠性。更令人头疼的是，传统通过调控电镀参数降低残余应力的方法，在填充高深宽比(6:1)的玻璃通孔时完全失效，因为必须形成的超厚铜层(>20μm)会加剧应力积累。

面对这一行业痛点，来自国家关键研发计划支持的研究团队独辟蹊径，将目光投向了半导体行业成熟的热处理工艺。他们发现，通过精确控制氮气保护下的热处理温度，不仅能调控铜层残余应力，更能同步优化通孔内铜柱(TGV-Cu)的微观结构。这项发表在《Journal of Alloys and Compounds》的研究，首次建立了热处理温度-基板翘曲-铜柱性能的三维关系图谱。

研究团队采用分子动力学模拟与多尺度表征相结合的策略。通过激光诱导湿蚀法制备直径50μm、密度2×10⁴/mm²的TGV阵列，在电镀填孔后实施梯度温度(室温至300℃)热处理。利用电子背散射衍射(EBSD)解析晶界演变，X射线光电子能谱(XPS)检测界面化学状态，结合微纳米压痕仪和四探针法分别评估机械与电学性能。

分子动力学模拟揭示界面强化机制
模拟显示钛原子在SiO₂-Ti-Cu界面能促进铜的偏析行为，使界面能降低23%。热处理后铜原子扩散系数提升两个数量级，形成更强的金属-玻璃化学键合，这解释了后续实验中界面无裂纹的现象。

热处理温度与翘曲的抛物线关系
当温度升至100℃时，铜层残余应力释放最充分，基板翘曲曲率半径达到峰值979m，较未处理样品提升3.2倍。但此时铜柱维氏硬度(HV)降至最低值3.64×10^?2GPa，显示软化和应力释放的关联性。

晶界工程调控电-机性能
EBSD分析发现200℃处理样品中>50°的大角度晶界占比达51.63%，晶粒取向扩散(GOS)值最低(0.5)，这种结构能有效抑制裂纹扩展。300℃时∑3/∑9型孪晶界比例激增至45.46%，但热应力诱导的位错导致电阻率上升14.4%。XPS证实电镀添加剂残留是铜柱电阻率(18.11×10^?6Ω·m)显著高于无氧铜的主因。

这项研究的意义在于突破了传统"唯翘曲论"的工艺优化思路，开创性地提出热处理温度窗口选择需兼顾基板平整度与互连性能。特别是发现100℃可作为CMP前处理的黄金温度，而200℃处理则适合要求高可靠性的应用场景。分子动力学模拟建立的SiO₂-Ti-Cu界面模型，为后续开发新型界面改性剂提供了理论工具。该成果不仅解决了TGV基板产业化的关键技术瓶颈，其揭示的晶界-性能关联规律更可推广至其他三维集成领域。