3流速的影響

TSV深寬比設(shè)置為130μm:30μm，電鍍液流人速度為0.05 m/s和0.002 m/s的浸潤(rùn)仿真結(jié)果分別如圖3所示，前者在TSV底部形成氣泡，后者可以完全浸潤(rùn)。模擬結(jié)果表明降低電鍍液流入速度有利于浸潤(rùn)。通過(guò)仿真中兩種情況下浸潤(rùn)過(guò)程中的流速場(chǎng)對(duì)比，可以看出在電鍍液流入的過(guò)程中，電鍍液流人速度較大時(shí)，如圖4(b)所示，電鍍液表面距離TSV較遠(yuǎn)的部分有著相對(duì)更大的流速，即電鍍液流過(guò)TSV上方的速度大于電鍍液向TSV內(nèi)部流入的速度，導(dǎo)致在電鍍液流過(guò)TSV上方時(shí)，其流入TSV內(nèi)部的分流量還沒(méi)有充滿(mǎn)TSV內(nèi)部排出其中氣體之前，電鍍液就已經(jīng)流過(guò)了TSV上方，并將TSV口部封死，導(dǎo)致內(nèi)部殘留氣體無(wú)法排出，形成不完全浸潤(rùn)；而當(dāng)電鍍液流入速度較小時(shí)，如圖5(b)所示，電鍍液表面在TSV口部附近具有相對(duì)更大的流速，即電鍍液向TSV內(nèi)部流入的速度大于其流過(guò)TSV上方的速度，使得電鍍液流過(guò)TSV上方時(shí)，有足夠的分流量流入TSV內(nèi)部，將其中氣體排出并將TSV填滿(mǎn)，實(shí)現(xiàn)完全的浸潤(rùn)。

但是按照同樣設(shè)置仿真了流速為0.002 m/s時(shí)，深寬比為120μm:20μm的情況，結(jié)果為不可完全浸潤(rùn)，這說(shuō)明通過(guò)控制流速的方法促進(jìn)浸潤(rùn)的效果是有限的，還需要進(jìn)一步討論更有效的方法。

4表面張力和接觸角的影響

電鍍液的表面張力和接觸角都會(huì)對(duì)浸潤(rùn)結(jié)果產(chǎn)生影響，為明確這些影響對(duì)浸潤(rùn)的具體效果，首先使用JK99B型全自動(dòng)張力儀對(duì)表面張力和接觸角進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)量結(jié)果在表1中分別列出。由測(cè)量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著活性劑的增多，表面張力下降很明顯，而接觸角隨著活性劑的增多沒(méi)有顯著的減小；表面張力和接觸角都在減小到一定程度之后趨于穩(wěn)定。

表1電鍍液與空氣之間的表面張力和與樣片表面（表面為銅種子層）的接觸角

注：活性劑溶液平配比為100g水:0.1g十二烷基磺酸。

根據(jù)實(shí)際測(cè)定結(jié)果，按照?qǐng)D1所示的相應(yīng)邊界條件建立表面張力與接觸角不同的三種模型，其中TSV的深寬比均為120μm:20μm，電鍍液從邊界1以0.002 m/s的速度流入，空氣設(shè)置為理想不可壓氣體，三組模型的具體參數(shù)設(shè)置和仿真結(jié)果分別見(jiàn)表2和圖6。

模型(I)使用的表面張力和接觸角為不含活性劑的TSV標(biāo)準(zhǔn)鍍液的實(shí)際測(cè)量值，仿真結(jié)果是不能完全浸潤(rùn)；模型(II)采用的是在1L TSV標(biāo)準(zhǔn)鍍液中加入20mL活性劑溶液的實(shí)際測(cè)量值，這兩種模型在仿真中均表現(xiàn)為不能完全浸潤(rùn)。

以上降低表面張力和接觸角的方法都是通過(guò)添加表面活性劑來(lái)改變電鍍液的性質(zhì)，而實(shí)際中可以通過(guò)改變固體樣品表面的性質(zhì)來(lái)降低固液界面處的參數(shù)接觸角，故將模型(III)僅僅設(shè)置為將模型(II)中的接觸角減小為40°，其他條件均不變化，仿真結(jié)果是可以完全浸潤(rùn)。并且，在考慮潤(rùn)濕性?xún)?yōu)劣方面，主要參數(shù)為接觸角，故仿真結(jié)果表明通過(guò)改變固體樣片表面性能來(lái)減小電鍍液在樣片表面的接觸角是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化浸潤(rùn)結(jié)果的一種非常有效的方法。

5壓強(qiáng)的影響

在考慮壓強(qiáng)對(duì)浸潤(rùn)效果的影響時(shí)，和上述模型最顯著的不同就是要將理想不可壓氣體改成理想可壓氣體。因?yàn)橥ㄟ^(guò)改變TSV結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的壓強(qiáng)來(lái)優(yōu)化浸潤(rùn)效果的過(guò)程中必然涉及到液體對(duì)空氣的壓縮，即仿真中空氣的密度參數(shù)是一個(gè)可變的值。但是這一改變會(huì)使得達(dá)到收斂計(jì)算更加困難；并且這里必須要考慮Fluent軟件計(jì)算能達(dá)到的真空程度。

Fluent中都是用連續(xù)介質(zhì)模型處理才能得到計(jì)算結(jié)果。連續(xù)介質(zhì)模型是將流體介質(zhì)的一些物理屬性如密度壓強(qiáng)速度等都看作是空間及時(shí)間的可微連續(xù)函數(shù)。其成立條件是流體平均自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于物體特征尺寸，即：Lgglambda。

本文中這部分模型中的特征尺寸L為：20μm。

流體空氣的平均自由程lambda計(jì)算公式如下：

其中，V：空氣分子一秒鐘內(nèi)的平均路程，Z：空氣分子1秒鐘的平均碰撞次數(shù)，d：空氣分子直徑，P為T(mén)SV所處環(huán)境的壓強(qiáng)。

根據(jù)公式Lgglambda，F(xiàn)luent所能模擬的壓強(qiáng)最低的數(shù)量級(jí)為103。因此做三組對(duì)比仿真，考慮到深寬比較大時(shí)迭代步長(zhǎng)需設(shè)置的很小，導(dǎo)致仿真時(shí)間很長(zhǎng)，故TSV的深寬比均設(shè)為150μm:50μm，TSV結(jié)構(gòu)所處環(huán)境壓強(qiáng)分別設(shè)為10^5 Pa、10^4 Pa和3000 Pa。仿真結(jié)果如圖7所示，當(dāng)壓強(qiáng)為10^5 Pa時(shí)，TSV底部殘留非常大的氣泡；當(dāng)壓強(qiáng)為10^3 Pa時(shí)，TSV底部殘留較小氣泡；當(dāng)壓強(qiáng)為3000 Pa時(shí)，可以基本浸潤(rùn)。

6影響因素的仿真結(jié)果總結(jié)

表3、表4、表5為上述針對(duì)不同影響因素進(jìn)行的模擬仿真結(jié)果總結(jié)。

上述Fluent軟件和相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)電鍍液浸潤(rùn)TSV的研究表明，當(dāng)TSV結(jié)構(gòu)的深寬比大于2的時(shí)候，沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)潤(rùn)濕而直接放入電鍍液的TSV結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)無(wú)空洞電鍍填充。電鍍液與空氣之間的表面張力較小，電鍍液與待電鍍樣片表面的接觸角約為40°左右時(shí)，可對(duì)深寬比低于或等于120μm:20μm的TSV實(shí)現(xiàn)完全浸潤(rùn)；浸潤(rùn)過(guò)程中電鍍液的流速為0.002 m/s時(shí)即可對(duì)深寬比低于或等于130μm:30μm的TSV實(shí)現(xiàn)完全浸潤(rùn)；浸潤(rùn)所處環(huán)境的壓強(qiáng)低于3000 Pa時(shí)即可在流速為0.05 m/s時(shí)對(duì)深寬比為150μm:50μm的TSV基本實(shí)現(xiàn)完全浸潤(rùn)。