CN100523309C - 电镀设备液体输送系统，有该系统的电镀设备及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种电镀设备的液体输送系统，其包括彼此间隔地固定设置的数个喷嘴，各喷嘴沿着一个别路径将电解液送入设备内，且喷嘴可在大致上垂直于路径的一平面上移动。还揭示一种电流分配器来控制导向一基板不同部位的电流密度。亦揭示一种将一液体输送到一电镀设备的一容器内的系统，包括容纳电解液的一管、容纳从管来的电解液且让电解液得以经过而送入容器的数个出口、以及在作业期间允许容器内的电解液经由管以外之路径进入出口的装置。还揭示一种电镀设备操作方法，包括以下步骤：(a)在第一电流密度下操作该电镀设备第一段时间；以及(b)接着在较高的一第二电流密度下操作该电镀设备第二段时间。
Description
技术领域
本发明关于一种电镀设备的液体输送系统(例如用来输送液态电解液者)、具此液体输送系统的电镀设备、及电镀设备的操作方法。
背景技术
在传统电镀程序中，要电镀的基板，例如一印刷电路板(PCB)，可有要利用电镀填满容纳藉由数喷嘴输送到电镀设备的一处理槽中的电解液中的金属(例如铜)的数个小槽(称为“微径”)，微径典型尺寸直径约50μm—200μm，深度约50μm—125μm。
图1为被一层金属(例如铜)部分填满的一印刷电路板12微径，填满率a/A总是小于1，其中a为微径10底部与未被铜填满的一槽16底部之间距离，而A为微径10底部与铜层14表面之间距离，业界总是试着要将PCB12电镀到填满率尽可能接近100％。
在电镀期间，且如图2所示，输送电解液20的一喷嘴18位置在一阳极22与PCB12(其作用如同一阴极)之间，实务上发现令人满意的微径填满效果在PCB12微径孔口需要大量电解液冲击流，在此方面，图3A到3F示出在表1所示状态下对微孔进行填满的实验结果。
表1
上述表1及后面讨论中，“ASF”是指“每平方英尺之安培”，而1ASF等于每平方公尺有10.76安培。
如图2所示，位置记号“V”是指在PCB 12上最靠近喷嘴18之嘴且在喷嘴18轴线上的部分，因此是被电解液喷射流覆盖的区域，而位置记号“E”是指在PCB 12上最远离喷嘴18的嘴的部分。上述实验结果见图4，其中Y轴为填满率(％)，而X轴为电流密度(以ASF为单位)。图4中上面的曲线为图3A-3C微径填满结果，图4中下面的曲线为图3D-3F微径填满结果，而中间的曲线为为上、下曲线的算术平均。
其可看出：
(a)在相同电流密度下，微径在位置V和在位置E的填满率不同；
(b)在位置V的微径，电流密度愈高时的填满率愈高；
(c)在位置E的微径，电流密度愈低时的填满率愈高。
亦对填满率和由喷嘴输送的电解液流率相对关系在固定电流密度下进行实验，图5A-5C为设置在相对于喷嘴的相同位置的三个微径在不同电解液流率下且在25ASF电流密度下进行实验的结果，如图6所概示，Y轴为填满率(％)，而X轴为电解液流率(每分钟多少升，L/min)，结果显示流率愈高时填满率愈高。
为了得到PCB均匀填满率和电流分布，已有人建议以“刀缘”方式将PCB搅动，藉由“刀缘”搅动(亦即喷嘴18与PCB 12之距离b(图7)保持一定)，PCB 12左右(见图7中之双向箭头)或上下往复移动。然而此法有以下缺点：
这种PCB“刀缘”搅动仅适用于微径填满，但PCB并非只有微径，也有通孔，其需要不同方式之移动，例如距离b(图7)会有所变化之前后移动。
b.由于边缘效应，PCB边缘总是有较厚的电镀，其避免的方法是调整阳极和PCB边缘位置，但是当阴极(亦即PCB)相对于电镀机移动，其很难调整其屏蔽位置和阳极位置，因而亦难以得到良好PCB电镀均匀性。
此外，不同尺寸的微径需要不同电流密度来达到良好微径填满结果，一般而言，高电流密度适合较大微径；但是高电流密度易在较小微径内产生空隙，反之，虽然低电流密度适合较小微径，但一般会造成较大微径有下切，因此在电镀具不同尺寸微径基板时难以得到令人满意的结果。
由是本发明的一目的在于提供一种电镀设备的液体输送系统、具此液体输送系统的电镀设备、具电流分配器的电镀设备、及电镀设备的操作方法，以减轻上述缺点，或至少为大众提供另一种替代方案。
本发明的此一目的以及其它目的在下面讨论中将很可清楚。
发明内容
依据本发明的第一观点，其提供一种电镀设备的液体输送系统，该系统包括至少二液体出口，该至少二液体出口彼此间隔地固定设置以利同时动作且可将液体送入该设备内，其中至少第一个液体出口沿着一路径将该液体送入该设备内，且其中该等液体出口可在大致上垂直于该路径的一平面上移动。
依据本发明的第二观点，其提供一种设有液体输送系统的电镀设备，该系统包括至少二液体出口，该至少二液体出口彼此间隔地固定设置以利同时动作且可将液体送入该设备内，其中至少第一个液体出口沿着一路径将该液体送入该设备内，且其中该等液体出口可在大致上垂直于该路径的一平面上移动。
依据本发明的第三观点，其提供一种将至少一基板电镀的电镀设备，包括阳极装置、容纳一电解液的容器装置、将该解液输送进入该容器的装置、以及控制导向该基向不同部位的电流密度的装置。
依据本发明的第四观点，其提供一种将一液体输送到一电镀设备的一容器内的系统，该系统包括容纳从一液体源来的该液体的管装置、容纳从该管装置来的该液体且让从该管装置来的该液体得以经过而送入该容器之至少一出口、以及在作业期间允许该容器内的该液体经由该管装置以外之路径进入该出口的装置。
依据本发明的第五观点，其提供一种设有将一液体输送到一电镀设备的一容器内的系统的电镀设备，该系统包括容纳从一液体源来的该液体的管装置、容纳从该管装置来的该液体且让从该管装置来的该液体得以经过而送入该容器的至少一出口、以及在作业期间允许该容器内的该液体经由该管装置以外之路径进入该出口的装置。
依据本发明的第六观点，其提供一种电镀设备操作方法，包括以下步骤：(a)在第一电流密度下操作该电镀设备第一段时间；以及(b)接着在较高的一第二电流密度下操作该电镀设备第二段时间。
附图说明
以下将以举例方式参考附图说明本发明的例子，其中：
图1为被一层铜部分填满的PCB微径；
图2显示一电镀设备中的一阳极、一喷嘴、以及一PCB的位置；
图3A-3F为在相对于喷嘴的不同位置且在不同电流密度下的六个微径填满结果；
图4为图3A-3F结果概示图；
图5A-5C为在相同电流密度下但喷嘴流出的电解液流率不同下的三个微径填满结果；
图6为图5A-5C结果概示图；
图7为电镀设备第一种传统电解液输送系统；
图8为本发明第一实施例的电解液输送系统；
图9A和9B显示图8中电解液输送系统中的喷嘴移动方式；
图10为本发明第二实施例的电解液输送系统；
图11为图10中电解液输送系统部分放大图；
图12示出图10中电解液输送系统的电流分配器；
图13A和13B为电镀设备第二种传统电解液输送系统；
图14A和14B为电镀设备第三种传统电解液输送系统；
图15A和15B为本发明第三实施例的电解液输送系统；
图16A和16B为本发明第四实施例的电解液输送系统；
图17A和17B示出图16A和16B中电解液输送系统细部图，其中图17A为沿图17B的Z-Z线所取剖面图；以及
图18A-18D为在不同电流密度大小下以及在不同操作模式下对不同尺寸微径进行的实验结果。
具体实施方式
现在请参阅图8，其揭示本发明的电镀设备的液体输送系统，其特别是将电解液输送到电镀设备的一槽102内的系统。液体输送系统包括将电解液输送到槽102内的两排喷嘴104a，104b，喷嘴104a彼此固定间隔设置以利同时移动，类似于此，喷嘴104b彼此固定间隔设置以利同时移动，特别地，喷嘴104a，104b与一管105a，105b结合以接受从它来的电解液，可以理解喷嘴的排数可为一排或多于两排，视特定需求及设计而定。
如图8所示，基板，例如数个印刷电路板(PCB)(图8仅示出其中一个PCB106)可被例如一PCB承载器(例如飞杆，未示出)下降到槽102内位于数排喷嘴104a，104b之间，在电镀期间，PCB106大致上相对于电镀机的槽102保持不动，接着使数排喷嘴104a，104b沿着与箭头SA，SB所指方向垂直的平面上的各直线往复移动，箭头SA，SB为喷嘴104a，104b将电解液输送到槽102内的方向。因此，数排喷嘴104a，104b可例如左右往复移动如图8中双箭头RA，RB所示，或是上下往复移动，亦即进出纸面。
由于管子与喷嘴104a，104b重量远小于PCB 106和飞杆(未示出)重量，可动部分的重量大幅降低，因此使其作动所需动力较少。
在喷嘴104a，104b远离PCB 106移动路径的一侧有一各排阳极108a，108b，在运作期间，阳极108a，108b电连结到一电源，而槽102中的PCB 106作用如同一阴极，在槽内102于PCB 106与阳极108a，108b之间得以存在一电场，因而将电解液中的金属(例如铜)电镀在PCB 106内和PCB 106上的适当位置，电场强度(以ASF或安培每平方米来测量)可视需要调整。
请参阅图9A和9B，其分别示出一对相邻喷嘴104B移动的最左端位置和最右端位置，实际上发现，为了达到最适当电解液喷射流涵盖范围，d/D比值最好为1/2-3/5，其中d为二相邻喷嘴104a之间的距离，而D为各喷嘴104a最左端位置与最右端位置间的距离。
在此安排下，阴极(亦即PCB 106)与阳极108a，108b的距离保持不变，使其易于在PCB 106上得到均匀电镀效果。
此种电解液输送系统亦可与其它系统结合，例如PCB 106必要时可前后移动，例如如图8中朝向和远离PCB 106的双箭头T所示，使通孔得以电镀到令人满意。
上述安排最适合用于升降式电镀机，在输送带式电镀机(其中基板利用输送带移动经过一处理槽)中不一定要，如上所述且如图2-4所示，微径填充(micro via filling)的最佳组合是使位置V有较高电流密度，在位置E则有较低电流密度。
达成此一效果的电镀设备(以标号200标示)概示于图10中，设备200包括至少一处理槽202，电解液可经由数喷嘴204a，204b导入处理槽202。基板，例如PCB(图10仅示出其中一个PCB 206)可被例如输送带(未示出)在箭头F方向移动穿过到槽202内。在数排喷嘴204a，204b远离PCB 206在槽202内移动路径的各侧有各排阳极208a，208b。
设在阳极排208a与喷嘴排204a之间者为一第一电流分配器210a；设在喷嘴排204a与PCB 206在槽202内移动路径之间者为一第二电流分配器210b；设在喷嘴排204b与PCB 206在槽202内移动路径之间者为一第三电流分配器210c；设在喷嘴排204b与阳极排208b之间者为一第四电流分配器210d。可以理解只有当电流分配器210a和210b中仅有一个且电流分配器210c和210d中仅有一个，才可得到令人满意的结果。图10中四个电流分配器210a，210b，210c，210d为任意选择且可达到较佳结果。
如图11所示，在安装电流分配器210a之下，阳极208a与PCB 206(其作用如同阴极)之间的电场改变或重新分布使得较高电流密度导向最靠近各喷嘴204a的位置V1，V2，V3，V4，而较低电流密度导向位置E1，E2，E3(PCB 206上与二相邻喷嘴204a等距离的区域)。
如图12更清楚地所示，电流分配器210a为由电绝缘材料例如聚丙烯(PP)或聚氯乙烯(PVC)制成的多孔板，在电流分配器210a上设有数组通孔212a，212b，其中通孔212a尺寸比通孔212b大，由于电流分配器210a的绝缘性，电场仅能经由通孔212a，212b存在于阳极208a与PCB 206之间。由于通孔212a，212b具有不同尺寸，通过通孔212a的电流密度较大，而通过通孔212b的电流密度较小。请了解虽然所示通孔212a，212b形状为圆形，其可为其它形状，例如细长槽孔及间隙，只要能让电通过即可。
图13A和13B示出电镀设备另一种传统电解液输送系统300，在此安排中，一供应管302的壁306设有至少一孔304通过壁，让电解液308能离开管302进入电镀设备的一槽内，电解液通过孔304进入槽的流率Q(公升/分钟)等于电解液从管302进入孔304的流率q。图14A和14B示出电镀设备又一种传统电解液输送系统310，在此安排中设有位于孔314附近且经由一供应管318的一壁316与孔314连通的一沟道312，供应管318中的电解液320先进入孔314，接着在进入电镀设备的一槽内之前通过沟道312，如同图13A和13B所示以及如上所述例子，电解液通过沟道312进入槽的流率Q等于电解液从管318进入孔314的流率q。
如上所述，电解液流率愈高则填满率愈高，所以上述安排是设计来增加电解液流入槽内的流率，但不一定要增加电解液流入供应管的流率，因此不一定要增加电解液从供应管到供应管上各孔的流率，其特别有利，因为PCB与阳极之间隔非常小而且不能允许大型管路工作。
依据本发明的第一种安排见图15A和15B，在此安排中，一供应管402设有数孔，其中一孔404见图15A和15B，孔404与一沟道406连接且呈液体连通关系，沟道406通到具一漏斗状嘴410的一加宽空间408，实际上发现在运作期间，当电解液通过沟道406进入空间408并进入电镀设备的一槽内，在漏斗状嘴410附近的电解液被进入嘴410的通过的电解液拉到与电解液出口方向相反的方向，并与离开的电解液混合。从空间408进入槽内的电解液总流率Q等于从管402进入孔404的电解液流率q1与从槽被拉入空间408的嘴410的电解液流率q2之和。可看出一部分电解液是从槽直接进入空间408而非从管402，亦可看出沟道406比管402内径窄且比空间408窄。
依据本发明的第二种安排见图16A至17B，在此安排中，一供应管502设有数孔，其中一孔504见图16A和16B，孔504与通到一通孔508的一沟道506连通，其纵轴P-P一般垂直于电解液从沟道506进入通孔508的流动方向。在通过通孔508之后，电解液在进入电镀设备的一槽内之前进入一加宽孔510。实际上发现，在此安排中，在通孔508二孔口512附近的槽内的电解液被拉入通孔508且与通孔508内的电解液混合，并在再度进入槽之前进入孔510，因此，电解液从槽进入通孔508的方向一般垂直于电解液从沟道506到孔510的流动方向，并随后流入槽内。电解液从孔510进入到槽内的总流率Q等于电解液从管502进入孔504的流率q1和电解液从槽经由孔口512进入通孔512的流率q2，q3的总和。可看出一部分电解液是从槽直接进入孔510而非从管502，亦可看出沟道506比管502内径窄且比孔510窄。
可看出上述使用排放效应(eductor effect)来增加电解液从喷嘴到PCB的流率，排放器或液体喷射器为允许慢速移动甚至静止的流体(例如液体)的区域加入流体高速喷射流的设备，其方式是得到后者大部分动能，结果为流率比原始高动能喷射流快数倍的结合流体喷射流。然而，传统排放器的尺寸相当大，因而不方便或不适用于此处。反之，依据本发明且如上所述的本发明的安排节省空间、易于制造、且成本相当低。
如上所述，一般而言，高电流密度适合较大的微径填充，然而，高电流密度易在较小的微径内形成空隙。另一方面，虽然低电流密度适合较小的微径填充，但一般会造成较大尺寸的微径形成下切，这些系经过实验。图18A为深度皆为75μm的一排三个微径600，602，604的填充结果，微径600直径约75μm，微径602直径约100μm，微径604直径约125μm，施加电流密度为25ASF的电场约55分钟，其填充结果见图18A，可看出仅有微径600有良好结果，微径602和604皆出现下切。
接着的实验也是对深度为75μm的三个微径606(直径约为75μm)，608(直径约为100μm)，610(直径约为125μm)进行，施加电流密度为30ASF的电场约46分钟，因而如同上述第一个实验得到相同的安培-小时大小，其填充结果见图18B，可看出虽然微径608和610有良好和可接受的结果，但微径606出现空隙。
第三个实验也是对深度为75μm的三个微径612(直径约为75μm)，614(直径约为100μm)，616(直径约为125μm)进行，施加电流密度为30ASF的电场约27.5分钟，接着施加电流密度为20ASF的电场约27.5分钟，因而如同上述第一和第二个实验得到相同的安培-小时大小，其填充结果见图18C，可看出虽然微径616有可接受的结果，但微径612，614出现空隙。
实际上发现先施加低电流密度的电场第一段时间，再施加高电流密度的电场第二段时间，可得到更多的可接受结果，两段时间最好相同。第四个实验也是对深度为75μm的三个微径618(直径约为75μm)，620(直径约为100μm)，622(直径约为125μm)进行，施加电流密度为20ASF的电场约27.5分钟，接着施加电流密度为30ASF的电场约27.5分钟，因而如同上述第一、第二和第三个实验得到相同的安培-小时大小，其填充结果见图18D，可看出微径618，620，和622的填充效果不是良好就是至少可接受。
实际上发现对具有多于一种尺寸的微径的PCB而言很难以单一步骤电流密度程序将这些微径填满，本发明程序采用逐渐式应用可防止较小微径产生空隙的较高电流密度，同时将足够的铜电镀在较大的微径内。实际上发现连续较高电流密度的步骤数目可多于二个，例如三个甚至四个，视使用者特定需求而定。
实际上亦发现基板电镀的连续较高电流密度逐渐式应用在相同的令人满意的电镀结果下可减少总电镀时间，例如要避免空隙的最大单步骤电流密度为25ASF，而电镀时间为30分钟，总电流为每平方英尺为25x30/60安培-小时，亦即12.5安培-小时/平方英尺。为达到相同结果，亦即没有空隙，可采用以下逐渐式方法：
25ASF x 20分钟
30ASF x 8.33分钟
总电流为每平方英尺为25 x 20/60+30 x 8.33/60安培-小时，亦即12.5安培-小时/平方英尺，但电镀时间只需28.33分钟。
请了解上述仅为可实施本发明的例子而已，在不偏离本发明的精神之下仍可有许多修改及/或变化。
亦请了解为求清晰之故而揭示于各实施例的本发明特定特征可在单一实施例中结合，反之，为求简洁之故而揭示于单一实施例的本发明不同特征亦可分开地提供或以适当的次组合方式提供。
Claims (3)
1.一种电镀设备的液体输送系统，该系统包括至少二个液体出口，该至少二个液体出口彼此间隔地固定设置以利同时动作且可将液体送入该设备内，其中至少第一个液体出口沿着一路径将该液体送入该设备内，且该至少二个液体出口可在垂直于该路径的一平面上移动，并且该二个液体出口之间距离与各个该液体出口行程长度的比值为1/2到3/5。
2.根据权利要求1所述的液体输送系统，其中该出口可在该平面上沿着一条笔直的直线往复移动。
3.一种设有根据权利要求1或2所述的液体输送系统的电镀设备。
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