CN103975096A - 用于电解蚀刻铜的蚀刻设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在蚀刻材料上电解蚀刻铜的蚀刻设备，包括第一混合设备，其被设计成接收包含铜离子的酸性电解质和氧气或臭氧气体，以便形成第一液体-气体混合物，该混合物可从所述第一混合设备的第一出口被引导进入与其耦合的连接线路；容器，其含有容器液体；第二混合设备，其被布置在所述容器内并且被所述容器液体环绕，其中所述第二混合设备具有抽吸孔口以便抽吸存在于所述抽吸孔口的区域中的所述容器液体，其中所述第二混合设备被连接至所述连接线路并被设计成将所述第一液体/气体混合物和所抽吸的所述容器液体引导至所述第二混合设备的收缩区中，使得所抽吸的所述容器液体能够与所述第一液体/气体混合物混合并由此形成第二液体/气体混合物，其中所述第二混合设备具有第二出口，所述第二液体/气体混合物能够通过所述第二出口流出并与存在于所述第二出口的区域中的所述容器液体混合；以及容器出口线路，其被设计成将其中存在的所述容器液体供应至设置在蚀刻模块中的所述蚀刻材料。

Description

用于电解蚀刻铜的蚀刻设备
本发明涉及用于在蚀刻材料上电解蚀刻铜的蚀刻设备，例如印刷电路或电路板。
为了在印刷电路或印刷电路板上电解蚀刻铜，可以使用含铜的蚀刻流体。如果是那样的话，则蚀刻流体包括，例如，氯化铜(II)，其在与电路或电路板上的铜接触时被还原为氯化亚铜(I)。此反应产物几乎根本就不侵蚀铜并且，因而如果要重复使用蚀刻流体，则反应产物必须被再生回到氯化铜(II)。这样的再生可借助于盐酸和过氧化氢来实现，产生了氯气。可选择地，铜的蚀刻还可基于硫酸电解质而获得。为此目的，硫酸铜(II)被溶解于硫酸并在与待蚀刻掉的铜反应后被还原而得到硫酸亚铜(I)。添加过氧化氢后，可以再次生成硫酸铜(II)，使得以此方式再生的蚀刻流体能够再次被提供给蚀刻材料。
已发现上述的蚀刻方法在实践中难以管理，因为铜在酸溶液中对过氧化氢起催化作用并将其分解，并因此过氧化氢的消耗相对较高。此外，发生大量放热，并因此需要能量密集的冷却。
另一途径是不使用过氧化氢而使用臭氧气体作为电解质中铜(I)离子的氧化剂。二价铜与待蚀刻掉的铜在硫酸电解质中按照下式反应而得到硫酸亚铜(I)：
Cu+CuSO4→Cu2SO4.
然后，获得的硫酸亚铜(I)按照下式用硫酸和臭氧气体被氧化回硫酸铜(II)：
Cu2SO4+H2SO4+O3→2CuSO4+H2O+O2
这里产生相对很少的反应热，并因此对冷却的耗费显著较低。此外，没有形成氯气，代替的是氧气，这与蚀刻设备中较低的风险相关联。
以此方法工作的蚀刻设备是已知的。然而，随着对在印刷电路或印刷电路板上的导体印刷线(conductor track)的小型化的不断增长的需求，已发现，通过延长的加工时间连续蚀刻难以在导体印刷线之间获得窄的且边界明确的中间空间。
因此，本发明的一个目的是提供一种蚀刻设备，采用该蚀刻设备可以用少量蚀刻流体连续蚀刻大量的铜，并且还可以获得具有高的侧面陡度(flank steepness)的导体印刷线的细的且鲜明的轮廓。
此目的通过独立权利要求1的主题获得。本发明的有利的发展是从属权利要求的主题。
本发明的用于在蚀刻材料上电解蚀刻铜的蚀刻设备包括：
-第一混合设备，其被设置成接收包含铜离子的酸性电解质和氧气或臭氧气体，以便形成第一液体/气体混合物，该混合物可被传输离开所述第一混合设备的第一出口进入与其耦合的连接线路，
-容器，其容纳容器液体，
-第二混合设备，其被布置在所述容器内并且被所述容器液体环绕，所述第二混合设备具有抽吸孔口以便抽吸存在于所述抽吸孔口的区域中的所述容器液体，并且所述第二混合设备被连接至所述连接线路并被设置成将所述第一液体/气体混合物和所抽吸的所述容器液体传输至所述第二混合设备的收缩区中，使得所抽吸的所述容器液体能够与所述第一液体/气体混合物混合并由此形成第二液体/气体混合物，并且所述第二混合设备具有第二出口，所述第二液体/气体混合物能够通过所述第二出口流出并与存在于所述第二出口的区域中的所述容器液体混合，以及
-容器出口线路，其被设置成将其中存在的所述容器液体供应至设置在蚀刻模块中的所述蚀刻材料。
发明人已认识到，将含有铜(I)离子和铜(II)离子的酸性电解质与氧气、臭氧气体或氧气/臭氧气体混合物混合不是足够简单的。尽管理论上会发生铜(I)离子氧化成铜(II)离子，但在现有蚀刻设备中的二价铜的量随着电解质循环的增加而减少。之后，电解质的蚀刻作用不断减弱至甚至更大的程度，直到蚀刻操作的结果不再符合要求。这是本发明的起始点：在本发明的蚀刻设备中，存在所供应的氧气或臭氧气体与酸性电解质的非常紧密的混合，使得形成了高浓度的氧气或臭氧气体的气体微泡。这样的效果是大量的铜(I)离子能够在电解质中被氧化回铜(II)离子，这是仅一次运行通过蚀刻设备后就实现了。因此首先可获得高效率的电解质再生。其次，采用具有连续高浓度的铜(II)离子的上述蚀刻设备，可以获得快速且轮廓鲜明的蚀刻，即便是在铜导体印刷线之间的非常窄的凹进处。
气体与电解质的混合首先借助于第一混合设备来实现，所述第一混合设备被设置成接收包含铜离子的酸性电解质和氧气或臭氧气体，以便形成第一液体/气体混合物。这导致铜(I)离子与氧气或臭氧气体之间的第一次接触，使得铜(I)离子的一部分能够在此早期阶段被氧化。
为了氧化足够量的一价铜，借助于本发明的蚀刻设备，第一混合设备通过连接线路被连接至第二混合设备，第一液体/气体混合物被供给至该第二混合设备。第二混合设备被布置在容器内并且被存在于此容器中的液体环绕。第二混合设备具有抽吸孔口以便抽吸存在于抽吸孔口的区域中的容器液体。根据本发明，第二混合设备被设置成使得第一液体/气体混合物与所抽吸的容器液体被传输至收缩区，使得所抽吸的容器液体与第一液体/气体混合物紧密接触并且这两者彼此混合，形成第二液体/气体混合物。
第二液体/气体混合物在因此设想的出口处离开第二混合设备，并且第二液体/气体混合物在穿过收缩区之后被减压并根据伯努利方程以高速度离开。在这种情况下，其夹带了一部分存在于出口区域中的容器液体，导致第二液体/气体混合物与在出口区域中存在的容器液体混合。容器液体是包含铜离子的酸性电解质。在第二混合设备中的收缩区和在第二混合设备的出口区域中的减压再次导致电解质与气体之间的有效混合，使得大量的气体微泡能够形成。气体微泡实现了大量铜(I)离子与酸性电解质氧化得到铜(II)离子。
然后，以此方式形成的并富含铜(II)离子的液体/气体混合物能够在容器出口线路处流出并被供给至待蚀刻的材料。
优选地，第一混合设备是文丘里喷嘴且更优选地是液体喷射气体压缩机(liquid jet gas compressor)。在这样的喷嘴或这样的压缩机的情况下，电解质能够作为活动流被供给而氧气或臭氧气体作为抽吸流。混合是紧密的而没有移动部分，使得低维护的混合设备是可能的。另外，文丘里喷嘴或液体喷射气体压缩机作为可购买组件是相对便宜的。
在本发明的一个实施方案中，第二混合设备被布置在容器的下半部并且容器出口线路被布置在第二混合设备之上。这获得了下述效果：第二液体/气体混合物与存在于第二混合设备的出口处的容器液体的混合物能够通过第二混合设备的抽吸孔口被再次抽吸并在第二混合设备中被再次混合一次。在多次重复此操作的情况下，存在非常紧密的且延长的流体混合，使得形成了甚至更多的氧气或臭氧气体的气体微泡。然后仅相对少部分的气体最终到达容器出口线路处，这能够使混合物传输至待蚀刻的材料。
优选地，在容器出口线路与第二混合设备之间存在至少1米的距离。因此可以可靠地获得容器液体穿过第二混合设备的多次循环。更优选地，容器具有至少1.5米的高度以及至少400升容器液体的体积。这样的结果是，容器液体重复流过第二混合设备并在容器中循环至少两分钟，使得产生大量的气体微泡。
在另外的实施方案中，所述第一混合设备能够容纳至少100升每分钟的酸性电解质和至少50升每分钟的氧气或臭氧气体。因此，假如是通常尺寸的电路板和蚀刻模块，其中形成的足够量的铜(I)离子能够在单次循环中被氧化回铜(II)离子。
参照以下附图解释了本发明的另外的优势和特征，附图显示了：
图1，本发明的蚀刻设备的一个实施方案的示意图；和
图2，在根据图1的蚀刻设备的容器中的流动条件的示意图。
图1以大大简化的形式且以示意图来显示根据本发明的优选实施方案的蚀刻设备100。蚀刻设备100具有第一混合设备1，其具有第一入口2以接收包含铜离子的酸性电解质3。借助于第二入口4，呈氧气、臭氧气体或氧气/臭氧气体混合物形式的气体5能够被传输至第一混合设备中，以便实现与电解质3的混合。此混合操作的结果是第一液体/气体混合物6，其能够在第一出口7离开第一混合设备1。
然后使第一液体/气体混合物6穿过连接线路8至布置在容器11中的第二混合设备10。该容器填充有容器液体12，其是包含铜离子的酸性电解质。第二混合设备10具有至少一个抽吸孔口13。通过此抽吸孔口13，可以抽吸存在于抽吸孔口的区域中的容器液体14。在第二混合设备10中，设置了区15，其中存在流动横截面的收缩，这导致第一液体/气体混合物6与容器液体14的良好混合，使得第二液体/气体混合物16被形成。在第二混合设备10的第二出口17处，第二液体/气体混合物16随后以高速度离开。在这种情况下，其夹带了存在于第二出口17的区域中的容器液体18并与该液体混合。
图2以简化的且高度示意性的视图显示了第二出口17周围存在的第二液体/气体混合物16与容器液体18之间的此种类型的混合操作。流动箭头表示，大部分的容器液体朝向第二混合设备10的抽吸孔口13流动若干次，以便在抽吸孔口13处与流出连接线路8的第一液体/气体混合物6混合。这导致大量气体微泡分布于容器液体12中。仅相对少部分的紧密混合并以此种方式提供有气体微泡的容器液体12在容器的边缘向上流动至被布置在第二混合设备10之上的容器出口线路19。
从图1中清楚的是，容器出口线路19随后将液体/气体混合物传输至蚀刻模块30，在该处，诸如电路板31的蚀刻材料能够被蚀刻。这涉及铜(II)离子还原至铜(I)离子。存在于蚀刻模块30中的包含铜(I)离子和铜(II)离子的液体然后传输至返回线路32中，在其中，由泵33支持的液体被供给回到第一混合设备1，使得混合操作和蚀刻液体的再生能够再次开始。
参考数字的列表
1 第一混合设备
2 第一入口
3 电解质
4 第二入口
5 氧气或臭氧气体
6 第一液体/气体混合物
7 第一出口
8 连接线路
10 第二混合设备
11 容器
12 容器液体
13 抽吸孔口
14 在抽吸孔口的区域中的容器液体
15 收缩区
16 第二液体/气体混合物
17 第二出口
18 在出口区域中的容器液体
19 容器出口线路
30 蚀刻模块
31 电路板
32 返回线路
33 泵
100 蚀刻设备

Claims (6)

1.一种用于在蚀刻材料上电解蚀刻铜的蚀刻设备，包括：
-第一混合设备，其被设置成接收包含铜离子的酸性电解质和氧气或臭氧气体，以便形成第一液体/气体混合物，所述第一液体/气体混合物能够被传输离开所述第一混合设备的第一出口进入与其耦合的连接线路，
-容器，其容纳容器液体，
-第二混合设备，其被布置在所述容器内并且被所述容器液体环绕，所述第二混合设备具有抽吸孔口以便抽吸存在于所述抽吸孔口的区域中的所述容器液体，并且所述第二混合设备被连接至所述连接线路并被设置成将所述第一液体/气体混合物和所抽吸的所述容器液体传输至所述第二混合设备的收缩区中，使得所抽吸的所述容器液体能够与所述第一液体/气体混合物混合并由此形成第二液体/气体混合物，并且所述第二混合设备具有第二出口，所述第二液体/气体混合物能够通过所述第二出口流出并与存在于所述第二出口的区域中的所述容器液体混合，以及
-容器出口线路，其被设置成将其中存在的所述容器液体供应至设置在蚀刻模块中的所述蚀刻材料。
2.如权利要求1中所述的蚀刻设备，其中所述第一混合设备是文丘里喷嘴或液体喷射气体压缩机。
3.如权利要求1和2中任一项所述的蚀刻设备，其中所述第二混合设备被布置在所述容器的下半部并且所述容器出口线路被布置在所述第二混合设备之上。
4.如前述权利要求中任一项所述的蚀刻设备，其中在所述容器出口线路与所述第二混合设备之间存在至少一米的距离。
5.如前述权利要求中任一项所述的蚀刻设备，其中所述容器具有至少1.5米的高度以及至少400升容器液体的体积。
6.如前述权利要求中任一项所述的蚀刻设备，其中所述第一混合设备能够容纳至少100升每分钟的酸性电解质和至少50升每分钟的氧气或臭氧气体。
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