摘要：使用Fluent流场仿真软件模拟了电镀液对硅通孔（TSV）的浸润过程，讨论了TSV深宽比、电镀液流速、电镀液表面张力、接触角以及压强等因素对TSV浸润过程的影响。通过对比仿真寻找出能在电镀之前使电镀液完全浸润TSV所有表面的预润湿处理方法，以防止因润湿不彻底在TSV底部形成气泡而导致的有空洞电镀填充。通过仿真发现，电镀液表面张力越小，电镀液与待电镀样片表面的接触角越小，浸润过程中电镀液的流速越慢，浸润所处环境的压强越低，则越有利于电镀液对TSV的浸润；且流速为0.002 m/s时即可对深宽比低于或等于130μm:30μm的TSV实现完全浸润；浸润环境压强低于3000 Pa时即可在流速为0.05 m/s时对深宽比为150μm:50μm的TSV基本实现完全浸润。当TSV结构的深宽比大于2的时候，没有经过预润湿而直接放入电镀液的TSV结构很难实现无空洞电镀填充。

相比于传统的片上系统（SoC）和系统级封装（SiP）方法，在器件性能、互连密度、异质集成化以及制造成本方面，三维叠层封装（3D-IC）有很多的潜在优势。其中，实现了芯片与芯片之间最短互连的铜填充硅通孔（Through Silicon Via，TSV）技术是三维硅基封装工艺的核心。为了能够得到更高密度更好功能的封装，对小直径高深宽比TSV的需要变得越来越迫切。已有很多研究致力于TSV填充这一领域，电镀铜填充TSV易于操作并且成本较低。使用这种方法实现高质量TSV填充的标志是无空洞填充、最小的表面铜覆盖沉积量和相对较短的电镀时间。其中，完成TSV无空洞快速填充的一个重要因素是在电镀之前，实现电镀液对TSV整个表面的充分润湿。目前，对于电镀填充TSV的研究主要集中在电镀过程中的优化，如添加剂的使用、电流密度的控制等，有关TSV浸润条件以及相关影响因素的研究报道尚不多见。而TSV的充分润湿是实现高质量TSV填充的前提，因此，本文的目的是通过模拟仿真电镀液对TSV的润湿过程，寻找有效的方法使电镀液能够浸润TSV所有表面，尤其是高深宽比TSV的底部表面，确保实现无空洞电镀填充。影响浸润程度的因素主要有：电镀液的表面张力和接触角，浸润过程中电镀液的流速，浸润TSV所处环境的压强，TSV的深宽比，及TSV的形状等。

本文主要针对上述前四个因素，用Fluent软件进行了仿真模拟，探讨一种可实现并易于操作的浸润方法。

1 Fluent软件的建模

按照实际电镀液及样片的情况，在流体仿真软件中进行建模。主要分为2个部分：前处理软件Gambit中对平面模型的建立，Fluent中对流场进行具体解算。本文截取TSV轴对称结构的中心轴截面，建立二维分析模型，直接反应实际TSV的浸润过程。同时，基于对比实验考虑，忽略电镀液组分与被浸润表面化学反应造成的界面影响，并直接采用与电镀液物理性质基本相同的水作为液相组分。气相组分中采用理想不可压气体假设模拟正常大气压下的操作环境。建立的Fluent分析模型如图1所示。其中较小的矩形块代表TSV，4~8代表被润湿表面。初始情况下，所有被模拟区域为气相区域，之后液相从边界3以特定流速进入（除流速讨论单元，其余均设置为0.05 m/s），逐步润湿全部或局部表面，直至从边界1流出。具体设置为边界1为压力出口，2为对称边界，3为速度人口，4、5、6、7、8均为壁面边界条件。表面张力和接触角均采用实际测量值0.06 N/m，64°；重力加速度为9.81 m/s²，方向为竖直向下。

图1说明：1为压力出口边界，2为对称边界，3为速度人口，4~8均为壁面边界条件。

2 TSV深宽比的影响

深宽比为150μm:75μm和150μm:50μm的TSV浸润仿真结果分别如图2的(a)(b)所示，前者可以完全浸润，后者在TSV底部形成气泡。模拟结果表明如果不进行充分润湿，深宽比大于2:1的TSV就会因不能完整浸润而在靠近TSV底部的位置形成部分表面紧贴TSV侧壁的大气泡，且该气泡在之后的电镀过程中难以排出，导致电镀液无法接触到TSV底部附近的位置，进而形成较大空洞。

按照同样设置仿真了深宽比为130μm:30μm和120μm:20μm的情况，结果均为不可完全浸润。