CN104328475A - 镀铜系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镀铜系统，包括水中导电阳极结构、外部电源、控制单元、主电镀单元、氧化铜粉末储存释放单元及氧化铜粉末搅拌溶解单元，其中水中导电阳极结构、主电镀单元及外部电源形成电气回路，外部电源依据输出电力而产生用电输出信号，控制单元依据用电输出信号控制氧化铜粉末储存释放单元释放氧化铜粉末，并经氧化铜粉末搅拌溶解单元传输至主电镀单元。因此，镀液的铜离子是由氧化铜粉末储存释放单元所释放的氧化铜粉末并经氧化铜粉末搅拌溶解单元而获得补充，由控制单元依据外部电源的用电输出信号而控制，藉以实现自动镀铜添加功能。

Description

镀铜系统

技术领域

本发明涉及一种镀铜系统，尤其是在镀铜制程中通过控制单元依据外部电源所提供的电力来控制氧化铜粉末及光泽剂释放至主电镀单元的镀液中。

背景技术

铜的导电性及加工性能良好，是铜箔制造业、印刷电路板产业或电气相关产业中相当重要的导电材料，可当作电气连接线路或电路图案。而铜的导电度深受纯度的影响，所以如何提高铜的纯度并保持电气、厚度、表面特性的均一性，一直以来都是产业界努力的目标。

通常，制造电路板导体铜可包括化学镀铜制程或电镀铜制程，其中化学镀铜制程是利用适当的还原剂将铜离子还原成金属铜，而电镀铜制程主要是利用电力将铜离子还原成金属铜。由于电镀铜制程的制程简单，具有较成熟的工艺，且质量容易掌握，是目前较为主要的制程。

此外，在电镀铜制程中，必须经常补充铜源至镀液中，以维持电镀铜的质量，所以一般是利用由铜或铜合金所制作的阳极，在通电下，将金属铜氧化成铜离子而释放至镀液中，这种方式称为可溶性阳极，比如磷铜阳极。然而，可溶性阳极会随着电镀的进行而消耗并改变形状，进而影响镀液中的电流分布，使得电镀铜的厚度、电气特性不均一。因此，可使用不溶性阳极改善此问题，不溶性阳极主要是利用惰性材料制成，比如铱钽阳极、白金钛阳极、钛包铜阳极，并以氧化铜或其它铜盐当作铜源，有利于镀液流通并有效控制镀液中阳极及阴极之间的电场分布，进而控制电流密度分布，提高电镀铜厚度及电气特性的均一性。

在电镀铜过程中，镀液的铜离子会局部减少，慢慢消耗，但是须保持在特定的较佳温度范围内，才能得到高质量的电镀铜，所以需要采取适当措施，通常是利用空气、机械、溶液喷射(solution jet)或移动镀件等方法进行搅拌。因此，部分镀液会因搅动所产生的气泡而被带出，并附着在附近的机具上，同时进而因蒸发液而影响镀铜厚度分布不均，析出硫酸铜晶体而影响机具的电气特性，比如增加阳极与阳极杆之间接触电阻值。

此外，现有技术中氧化铜的添加操作是先测量镀液中的铜离子浓度，再加入适当量的氧化铜于镀液中，这样不仅耗费人力，且很难维持制程条件的一致性，尤其无法达到高质量、高效率的自动化制作。

因此，很需要一种镀铜系统，其能依据电力消耗而自动估算出镀液中损失的铜离子含量，进而释放适当量的氧化铜粉末以补充铜源，并补充适量的添加剂(即光泽剂)，来实现高质量自动化镀铜制程，并解决上述现有技术的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种镀铜系统，其包括水中导电阳极结构、外部电源、控制单元、主电镀单元、氧化铜粉末储存释放单元以及氧化铜粉末搅拌溶解单元，其中水中导电阳极结构、主电镀单元及外部电源依次连接而形成电气回路，而水中导电阳极结构包括导电性容器、固定元件及浸泡液，外部电源依据输出电力而产生用电输出信号，控制单元依据用电输出信号控制氧化铜粉末储存释放单元释放氧化铜粉末，并经氧化铜粉末搅拌溶解单元而至主电镀单元。因此，镀液的铜离子是由氧化铜粉末储存释放单元所释放的氧化铜粉末而获得补充，且由控制单元依据外部电源的用电输出信号而控制，来实现自动镀铜添加功能。

所述主电镀单元至少包括不溶性阳极、阴极、主电镀槽、镀液及搅拌装置，其中镀液包含硫酸、硫酸铜及光泽剂等，且镀液容置于主电镀槽中，而不溶性阳极、阴极浸泡于镀液中，搅拌装置用于搅拌镀液溶解。所述水中导电阳极结构的浸泡液可以是纯水或去离子水，容置于导电性容器内，并由固定元件将不溶性阳极固定至导电性容器，使得不溶性阳极可经水中导电阳极结构而电气连结至外部电源的正极。

由于主电镀单元的阴极是电气连接外部电源的负极，因此，当外部电源提供电力时，电流从外部电源经水中导电阳极结构而流到主电镀单元的不溶性阳极，将镀液中的水氧化而产生氧气，同时镀液中的铜离子被还原成金属铜而在阴极上析出，进而电流由阴极流到外部电源以形成导通的电气回路。

因此，镀液中损失的铜离子是由氧化铜粉末储存释放单元所释放的氧化铜粉末而获得补充，且由控制单元依据外部电源的用电输出信号而控制，藉以实现自动镀铜添加功能。

附图说明

图1 是本发明所公开的镀铜系统的结构示意图；

图2是本发明所公开的镀铜系统中的水中导电阳极结构示意图。

附图标记说明：10-水中导电阳极结构，11-导电性容器，13-固定元件,15-浸泡液，30-外部电源，40-控制单元，50-主电镀单元，51-不溶性阳极，53-阴极，55-主电镀槽，57-镀液，59-搅拌装置，59a-注气机，59b-注气管，70-氧化铜粉末储存释放单元，71-氧化铜之储存筒，73-推进装置，75-氧化铜粉末，80-氧化铜粉末搅拌溶解单元，81-搅拌溶解槽，83-搅拌棒，85-搅拌液，B-气泡，D20、D21、D23、D25、D27 、D40-方向，I-电流，P1、P2-帮浦，T10-光泽剂储存筒。

具体实施方式

以下配合附图及附图标记对本发明之实施方式做更详细的说明，俾使熟习该项技艺者在研读本说明书后能据以实施。

参阅图1，为本发明镀铜系统的示意图。如图1所示，本发明的镀铜系统主要包括至少一水中导电阳极结构10、外部电源30、控制单元40、主电镀单元50、氧化铜粉末储存释放单元70以及氧化铜粉末搅拌溶解单元80，可用以实现自动添加铜源的功能，其中水中导电阳极结构10、外部电源30及主电镀单元50依序串接而形成电气回路，系用以实现镀铜功能。

外部电源30系用以提供电力。

主电镀单元50至少包括至少一不溶性阳极51、阴极53、主电镀槽55、镀液57及其搅拌装置59，其中镀液57是容置于主电镀槽55内，且不溶性阳极51及阴极53是浸泡于镀液57中，搅拌装置59是用以搅拌镀液57，改善主电镀单元50的铜离子均匀度。

不溶性阳极51具有钩状前端，且可为铱钽阳极、白金钛阳极，也可由钛、钛镀白金、钛镀钝金/抗腐蚀金属钝化层、或抗腐蚀导电非金属而构成，而该抗腐蚀导电非金属系包括石墨。阴极53可当作被镀件，比如印刷电路板的基板。镀液57可包含氢离子及金属离子，其中金属离子系包括铜离子、镍离子、锌离子及铬离子的至少其中之一。此外，镀液57还可进一步包含光泽剂、添加剂。不溶性阳极51及阴极53是浸泡于镀液57中。为获得较均一性的电流分布，以提高电镀品质，可将该等不溶性阳极51对称性配置于阴极53的二侧，如图1中所示。然而，本发明的范围系不受限于此，而是可涵盖不溶性阳极51的其它配置方式。

搅拌装置59可包括注气机59a及注气管59b，其中注气机59a连接注气管59b，且注气管59b进一步穿设或配管连接于主电镀槽55内，使得注气机59a经由注气管59b而将空气注入镀液57中以产生气泡B，藉由气泡B在镀液57中上升产生扰动而搅拌镀液57。要注意的是，本发明搅拌方式的范围并不未受限于上述的实例，而是可涵盖镀液搅拌的其它方式，例如机械、溶液喷射式振动镀件方式以进行搅拌。

主电镀单元50的不溶性阳极51的一端经由相对应的水中导电阳极结构10而电气连接至外部电源30的正极，主电镀单元50的阴极53电气连接至外部电源30的负极。控制单元40电气连接至外部电源30，用以侦测外部电源30的输出电力。

氧化铜粉末储存释放单元70包括氧化铜之储存筒71、推进装置73及氧化铜粉末75，而氧化铜粉末搅拌溶解单元80包括搅拌溶解槽81、搅拌棒83及搅拌液85，其中氧化铜粉末75是储存于氧化铜之储存筒71中，而搅拌液85是容置于搅拌溶解槽81，且氧化铜粉末75可藉控制阀门或机械开关(图中未显示)而由氧化铜之储存筒71落入推进装置73，并由可在D20上移动的推进装置73将氧化铜粉末75输送至搅拌溶解槽81内的搅拌液85中，如方向D21所示，同时，用搅拌棒83对搅拌液85进行搅拌。

此外，主电镀单元50的镀液57可由帮浦P1经管线及阀门而注入搅拌溶解槽81中的搅拌液85，如方向D23所示，而搅拌液85进一步以溢流方式经管线流出，如方向D25所示，并可与来自帮浦P1的镀液57混合而注入主电镀单元50的镀液57，如方向D27所示。

具体而言，推进装置73可用螺旋杆推进装置或往复式(平移式)推进装置而实现，藉以产生螺旋推力或水平推力，向前推动所需的氧化铜粉末75。例如，推进装置73可为螺旋输送器或蜗轮。

本发明特征在于由控制单元40依据外部电源30的输出电力以控制推进装置73，进而添加相当量的氧化铜粉末75至搅拌液85，并由帮浦P1将搅拌液85输送至镀液57，藉以添加氧化铜粉末75而达到补充铜源以及循环利用镀液57的目的。

此外，本发明可进一步包括光泽剂储存筒T10及帮浦P2，其中光泽剂储存筒T10系用以储存光泽剂，并由帮浦P2将光泽剂输送至镀液57，如方向D40所示，藉以补充镀液57中耗损的光泽剂，进而改善镀铜操作的稳定性，可提高镀铜的质量。由于镀液57所需补充的光泽剂是与外部电源30的输出电力有关，所以可如同控制氧化铜粉末75的方式，而由控制单元40依据外部电源30的输出电力控制帮浦P2，进而能控制注入镀液57的光泽剂量。

关于水中导电阳极结构10，如图2所示，本发明镀铜系统中的水中导电阳极结构示意图。水中导电阳极结构10包括导电性容器11、固定元件13及浸泡液15，其中导电性容器11及固定元件13可由铜、其它金属或合金构成，而浸泡液15可为纯水或自来水，是容置于导电性容器11内。固定元件13是安置在导电性容器10内，用以锁固不溶性阳极51至导电性容器11，且部分的固定元件13及部分的不溶性阳极51的钩状前端是浸泡于浸泡液15中。

导电性容器11为具有凹槽长条状或U型长条状，且不溶性阳极51的钩状前端是钩挂至导电性容器11的内侧，而不溶性阳极51的尾部是浸泡于镀液57中。此外，固定元件13也可附属于不溶性阳极51或附属于导电性容器11。固定元件13可由如图2所示的膨胀螺丝而实现，可产生迫紧力以提供迫紧功能，用以锁固不溶性阳极51至导电性容器11。然而，本发明的固定元件13并不受限于此，亦即也可利用其它具有向外迫紧功能的组件而实现。例如，可利用螺丝配合斜面达成膨胀固定的目的。

具体而言，外部电源30的正极是经由电气导电线而电气连接至导电性容器11，且电气导电线在终端的接线端子是由固定元件13而锁固至导电性容器11。

浸泡液15本身为水所构成，所以热容量相当大，而其主要作用是在于提供散热、冷却作用，可降低整体水中导电阳极结构10的温度，防止操作时发生过热现象而影响电气特性，而且在浸泡液15被配置成接触到外部空气时，可进一步藉蒸发作用而带离一部分热量，以强加散热、冷却效应。

外部电源30依据所输出的电力乘以时间而产生用电输出信号，亦即该用电输出信号是表示用电量。控制单元40可依据下式中铜的还原反应， 

Cu²⁺ +2 e^- → Cu

而从用电输出信号(或用电量)推算出镀液中铜离子的损失量，亦即2mole电子的电量可消耗1mole的铜离子，所以需要补充1mole的氧化铜粉末至镀液57中。在实际应用操作上，可采用固定时间添加变动量的氧化铜粉末，或变动时间下添加固量的氧化铜粉末，亦即，控制单元40可在固定时间下，比如每隔10分钟，依据用电量大小添加相对应数量的氧化铜粉末，或是在用电量达到默认值时，比如 1库伦电，添加相对量的氧化铜粉末。

由于水中导电阳极结构10的浸泡液13本身为水，所以热容量相当大，可用于提供散热、冷却作用，降低整体水中导电阳极结构10的温度，防止操作时发生过热现象而影响电气特性。此外，在浸泡液15是配置成接触到外部空气时，可进一步藉蒸发作用而带离一部分热量，达到强加散热、冷却的效应。

综上所述，本发明镀铜系统的整体操作可说明如下。

来自外部电源30之正极的电流I可经由水中导电阳极结构10而流向主电镀单元50的不溶性阳极51，而不溶性阳极51可藉电流I所提供的电力，将镀液57中的水氧化而产生氧气，且镀液57中的铜离子在阴极53被还原成金属铜而析出，使得来自阴极53的电流I进一步流向外部电源30的负极，形成导通的电气回路，图1中的电流I系显示电流的流向。外部电源30依据所输出的电力产生用电输出信号，控制单元40接收用电输出信号，并依据用电输出信号以控制氧化铜粉末储存释放单元70而释放相对应量的氧化铜粉末，且经由氧化铜粉末搅拌溶解单元的搅拌处理后传输至主电镀单元50的镀液57中，以补充所需的铜源。

因此，本发明的特点在于，由控制单元依据电镀所消耗的电量大小，控制氧化铜粉末储存释放单元所释放之氧化铜粉末的数量，并经氧化铜粉末搅拌溶解单元而输送至主电镀单元，进而实现自动化添加氧化铜以补充铜源的功能。此外，本发明可进一步由控制单元依据电镀所消耗的电量大小，控制光泽剂的补充量，进而达到自动补充光泽剂的目的。

本发明的另一特点在于，利用水中导电阳极结构串接主电镀单元及外部电源而形成电气回路以实现电镀铜制程，且水中导电阳极结构的浸泡液可防止被主电镀槽中的气泡带出的镀液附着而析出硫酸铜晶体，避免影响电气特性。尤其是，水中导电阳极结构的浸泡液可提供散热、冷却作用，能有效改善电气性能。

以上所述者仅为用以解释本发明之较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之发明精神下所作有关本发明之任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护之范畴。

Claims (7)

1.一种镀铜系统，其特征在于，所述镀铜系统包括一外部电源，用以提供电力，并依据所提供的电力而产生并输出一用电输出信号； 

一主电镀单元，包括至少一不溶性阳极、一阴极、一主电镀槽、一镀液及一搅拌装置，其中每个不溶性阳极具有钩状前端，所述镀液容置于所述主电镀槽内，且所述镀液至少包含氢离子及金属离子，该金属离子包括铜离子、镍离子、锌离子及铬离子的至少其中之一，而所述不溶性阳极及该阴极浸泡于该镀液中，所述搅拌装置用来搅拌该镀液；

至少一水中导电阳极结构，包括一导电性容器、至少一固定元件以及一浸泡液，其中该导电性容器及该固定元件具有电气导电性，且每个导电性容器为凹槽长条状或U型长条状，用来容置该浸泡液，且该浸泡液为纯水或自来水，该不溶性阳极的钩状前端钩挂至该导电性容器的内侧，并通过该固定元件锁固该不溶性阳极至该导电性容器，部分的该固定元件及部分的该不溶性阳极的钩状前端浸泡于该浸泡液中；

一氧化铜粉末储存释放单元，用以储存及释放氧化铜粉末； 

一氧化铜粉末搅拌溶解单元，用以接收来自该氧化铜粉末储存释放单元的该氧化铜粉末，并混合来自该主电镀单元的镀液，经搅拌溶解以形成含铜离子溶液；以及

一控制单元，接收该外部电源所输出的用电输出信号，并依据该用电输出信号以控制该氧化铜粉末储存释放单元而释放该氧化铜粉末至该主电镀单元中，以当作铜源， 

其中该外部电源的一正极经由电气导电线而电气连接至该导电性容器，且该电气导电线在终端的接线端子由该固定元件而锁固至该导电性容器，该主电镀单元的阴极电气连接该外部电源的一负极，以使得该外部电源提供电力时，该主电镀单元将该镀液中的铜离子还原成金属铜而在该阴极上析出。

2.根据权利要求1所述的镀铜系统，其特征在于，该导电性容器及该固定元件是由导电材料构成，包括铜、铜合金或其它导电性金属。

3.根据权利要求1所述的镀铜系统，其特征在于，该固定元件是由膨胀螺丝或螺丝配合斜面达成膨胀固定的目的而实现。

4.根据权利要求1所述的镀铜系统，其特征在于，该不溶性阳极是由钛、钛镀白金、钛镀钝金属/抗腐蚀金属钝化层、或抗腐蚀导电非金属而构成，而该抗腐蚀导电非金属包括石墨。

5.根据权利要求1所述的镀铜系统，其特征在于，该氧化铜粉末储存释放单元包括一氧化铜之储存筒及一推进装置，而该氧化铜粉末搅拌溶解单元包括一搅拌溶解槽、一搅拌棒及一搅拌液，且该氧化铜之储存筒储存氧化铜粉末，该搅拌溶解槽系容置来自该主电镀单元的镀液，该氧化铜粉末系藉一控制阀门或一机械开关而由该氧化铜之储存筒落入该推进装置，并由该推进装置将该氧化铜粉末输送至该搅拌溶解槽所容置的该镀液，该搅拌棒对该搅拌液进行搅拌以形成包含该氧化铜溶液的该搅拌液。

6.根据权利要求1所述的镀铜系统，其特征在于，该镀铜系统还包括一光泽剂储存筒以及一帮浦，其中该光泽剂储存筒储存光泽剂，并由该帮浦将该光泽剂输送至该主电镀单元的镀液，以补充耗损的光泽剂，且该光泽剂储存筒是由该控制单元依据该外部电源的输出电力以控制该帮浦，进而控制注入该镀液的光泽剂。

7.根据权利要求5所述的镀铜系统，其特征在于，该推进装置为螺旋输送器或蜗轮。