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Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 428 (2023) Citar este artigo

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O Cu galvanizado tem sido extensivamente aplicado em embalagens eletrônicas avançadas, e suas propriedades mecânicas são críticas para a confiabilidade. Neste estudo, folhas de cobre fabricadas por galvanoplastia com várias concentrações de bis-(3-sulfopropil) dissulfeto (SPS) são examinadas usando testes de tração. A concentração de SPS afeta o tamanho de grão das folhas de Cu galvanizadas, resultando em diferentes propriedades mecânicas. Um efeito Hall-Petch significativo, \({\sigma }_{y} = 197,4 + 0,12{d}^{\frac{-1}{2}}\), é demonstrado para as folhas de Cu eletrodepositadas. As diferentes concentrações de impurezas identificadas por espectrometria de massas de íons secundários time-of-flight correspondem aos diferentes tamanhos de grão, determinando a fratura transgranular e intergranular durante o teste de tração. Os resultados demonstram que a concentração de SPS controlando as microestruturas do Cu galvanizado resulta em um efeito Hall-Petch nas propriedades mecânicas das folhas de Cu eletrogalvanizadas.

No passado, o alumínio era usado como principal material de interconexão em embalagens eletrônicas; no entanto, a alta demanda por materiais de interconexão com o desenvolvimento de embalagens eletrônicas avançadas levou à substituição do alumínio pelo cobre (Cu). Isso ocorre porque o Cu apresenta melhor condutividade elétrica e resistência à eletromigração do que o alumínio. Além disso, a excelente condutividade térmica, ductilidade, temperatura de fusão relativamente alta e resistência adequada do Cu o tornaram um material condutor popular em produtos eletrônicos1,2.

A galvanoplastia de Cu é importante para a produção industrial em massa na fabricação de traços condutores, fios e metalização em dispositivos eletrônicos3,4,5. Atualmente, a maioria das soluções de galvanoplastia para fábricas de semicondutores e placas de circuito impresso são comumente compostas de ácido sulfúrico e sulfato de cobre devido à sua baixa toxicidade e excelente gerenciamento dos banhos de deposição5,6,7. Em contraste, aditivos orgânicos adicionados às soluções de galvanoplastia são vitais para controlar a taxa de deposição de átomos de Cu reduzidos e microestruturas do Cu galvanizado. Por exemplo, alguns aditivos nas soluções de revestimento podem ser usados ​​para fabricar filmes de Cu com estruturas nanotwin para aumentar sua eletricidade, resistência e supressão de vazios5,8,9. Um dos aditivos é o íon cloreto (Cl−) de NaCl ou HCl, que aumenta a taxa de redução dos íons Cu10. Além disso, o Cl- pode trabalhar em conjunto com outros aditivos, como o polietileno glicol (PEG), para suprimir a taxa de redução do Cu na superfície do cátodo11,12. Bis-(3-sulfopropil) dissulfeto (SPS) reage com Cl- para acelerar a taxa de redução de íons Cu na superfície do cátodo e reduzir a rugosidade da superfície do Cu13 eletrodepositado. A variação nas concentrações dos aditivos afetou significativamente as microestruturas do Cu eletrodepositado devido à mudança na cinética de deposição dos átomos de Cu reduzidos14. Portanto, vale a pena investigar a influência da concentração dos aditivos nas propriedades do Cu galvanizado.

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>