球差校正透射电子显微镜解析HDI-PCB微通孔界面纳米空隙形成机制

高密度互连PCB微通孔可靠性挑战

随着电子产品小型化需求激增，高密度互连印刷电路板（HDI-PCB）凭借微孔互连技术成为高频电路设计的核心方案。然而，微通孔界面的可靠性问题频发，尤其是化学镀铜层因氢气析出形成的纳米级空隙，易引发分层与氢脆性失效。

通过球差校正透射电子显微镜（STEM）观察发现，纳米空隙（2-30 nm）主要聚集于化学镀铜层与电解铜镀层的底部界面，呈线性排列（图1）。结合**原子探针断层扫描（APT）**分析证实，空隙并非完全中空，内部填充氢气、有机残留物及复合物，直接削弱镀层机械性能。

图1(a)微通道和(b)微通道底部的典型SIM图像

纳米空隙形成机制与实验方法

化学镀铜工艺中，铜离子还原反应（式1）伴随氢气生成，若未及时逸散则会滞留于镀层内形成空隙： Cu²⁺+2HCHO+4OH⁻→Cu+2HCOO⁻+H₂↑+2H₂O

样品制备流程（图2）包括：

图2(a)微通道底部界面的高炉和(b)HAADF图像

1.激光烧蚀钻孔与表面去污处理；

2.钯催化化学镀铜（CuSO₄、HCHO体系）；

3.离子研磨与**聚焦离子束（FIB）**制备横截面样品；

4.STEM观察（JEM-ARM200F）及APT元素分析（LEAP5000xS）。

实验表明，空隙形成与镀层初期反应条件密切相关，改进镀液添加剂虽能抑制宏观缺陷，但纳米级空隙仍为潜在风险源。

关键发现与工程应用价值

1.空隙分布特征：90%以上纳米空隙集中于化学镀铜层底部界面（图2b），表明反应初期氢气析出是主因。

2.填充物分析：APT检测到空隙内含H₂及有机络合物，佐证氢气滞留假说。

3.工艺优化方向：控制镀液pH、还原剂浓度及表面催化活性，可减少空隙生成。

本研究为HDI-PCB微通孔可靠性提升提供了微观结构层面的理论依据，助力5G通讯与高性能封装技术发展。

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