JP2006041172A

JP2006041172A - スルーホールを有するプリント配線板のメッキ方法およびメッキ装置

Info

Publication number: JP2006041172A
Application number: JP2004218723A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Aisaka; 哲彌逢坂; Itsuaki Matsuda; 五明松田; Lex Pasqua Alan; アラン・レックス・パスクア
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】
スルーホールを有するプリント配線板のメッキにおいて、メッキ液の簡単な攪拌方法で、高いアスペクト比のスルーホール表面にも、均一で十分な厚みのメッキを精度よく行うことができ、さらには、スルーホール表面のメッキ厚みとプリント配線板表面のメッキ厚みの比を100％に近づけるようなメッキ方法およびメッキ装置を提供すること
【課題を解決するための手段】
スルーホールを有するプリント配線板をメッキ液に浸漬し、該プリント配線板の一方の面に接触するメッキ液と、他方の面に接触するメッキ液の攪拌速度を異なるようにした。メッキ液の攪拌の方法は、攪拌棒を往復運動させる方法で、プリント配線板の一方の面に面する攪拌棒の往復速度と他方の面の往復速度とが異なるように攪拌する。
【選択図】図６

Description

本発明は、プリント配線板のメッキ方法とその装置に関するもので、特に、プリント配線板表面およびスルーホール表面に均一にメッキする方法とその装置に関する。

多層のプリント配線板では、その表面の銅配線と、内部層に配置された銅配線とは銅メッキを施したスルーホールにより導通がとられている。したがって、信頼性が高い導通を確保するには、スルーホール表面に、均一で、十分な厚みを持つメッキを施すことが肝要である。

一般に、スルーホールを有するプリント配線板のメッキにおいては、スルーホールの開口周辺には、電流および物質移動流が集中し易く、その上に、スルーホールの内部には電流および物質移動流が入り難い。そのために、メッキ層の厚みは、スルーホールの開口周辺では厚く、スルーホールの内部では薄くなる傾向がある。多層のプリント配線板では、信頼性が高い導通を確保するために、このようなメッキ層の厚みのバラツキを最小限に抑え、均質なメッキを行うことが最も重要である。

近年、プリント配線板において、回路の微細化、多層化が進み、電子機器の小型化、部品実装の高密度化の要請が高まっている。回路の微細化によりスルーホールの孔径はますます微小になり、多層化によりプリント配線板の厚みが増して、スルーホールの長さが長くなっている。すなわち、スルーホールのアスペクト比（長さ／孔径）が大きくなる傾向にある。

メッキ工程において、メッキ層の厚みおよび物性が均一なメッキ被膜を得るためには、均一電着性の良いメッキ浴を使用すること、適正な添加剤を加えること、攪拌を適正に行い、メッキに関連する物質の移動を均一化することが必要である。特に、スルーホールを有するプリント配線板のメッキにおいては、均一電着性を確保することが困難である。

均一電着性の良いメッキ浴として、酸性硫酸銅メッキ液（ハイスロー浴）が使用されている。均一電着性は、溶液の電気導電性がよく、電析反応の過電圧が高いほど良くなり、前記のハイスロー浴は、硫酸銅の濃度を低く抑えて電析反応の過電圧を高め、硫酸濃度を高くして電気導電性を良くしたものである。さらに、均一電着性の改善、平滑性の向上のために、各種の添加剤が加えられる。

次に、攪拌を適正に行い、メッキに関連する物質の移動を均一化する方法として、従来から様々な方法が提案されている。従来の方法の一例として、空気攪拌およびプリント配線板を遥動する方法が挙げられる。それに加えて、振動発信機を用いてプリント配線板自体を細かく振動する方法があるが、この目的とするところは、メッキ時に発生する気泡を除去して、メッキの欠損を減少させることであり、比較的大きなスルーホールでは効果がある。（例えば、特許文献１を参照）
また、メッキ液を循環させ、プリント配線板の表面に新たなメッキ液を常時供給するために、プリント配線板近傍に、循環ポンプの吸入口を設置して、そこからメッキ液を吸入し、メッキ浴の他の場所に吐出して循環させるような方法も開示されているが、特殊なポンプを必要とするので、装置が複雑になり、高価になる。

さらに、メッキ液に流れを作り、そのなかでプリント配線板自体を揺動させる方法も開示されている。（例えば、特許文献２を参照）このような装置はプリント配線板を大きく揺するために、装置が大型化し、複雑になる。また、メッキ液に流れを作る装置も必要であるため、高価なものになる。

プリント配線板は動かさないで、プリント配線板の周囲のメッキ液を攪拌する方法も開示されており、例えば、多数の攪拌用フィンを装着したベルトを、プリント配線板の両側に配置し、それぞれ逆方向に回転させることにより、メッキ液の流れを生じさせ、液がプリント配線板に直角に当たる成分を作って、スルーホール内の液流を生じさせる方法が開示されている。（例えば、特許文献３を参照）しかし、この方法は、ベルトが電気の流れの障害となるため、電気メッキには不適当で、無電解メッキへの応用に限られる。

一方、従来の方法であって、簡単で一般的な攪拌方法として、いわゆるパドル装置を用いた装置が知られている。（例えば、特許文献４を参照）この方法は、メッキの厚みや組成などが均一になるように、精密な制御をすることができるという特徴があり、特に合金メッキを行う場合にその効力を発揮するものであるが、スルーホールを有するプリント配線板では、スルーホール内面のメッキ厚を、プリント配線板表面のメッキ厚に比較して十分な厚みにすることは困難であった。
特開平６−３２６４６３号公報特開２００４−１０７７２１号公報特開平１−１６５７９３号公報米国特許３６５２４４２号公報

本発明の目的とするところは、簡単な攪拌方法で、高いアスペクト比のスルーホール表面にも、均一で十分な厚みのメッキを精度よく行うことができ、さらには、スルーホール表面のメッキ厚みとプリント配線板表面のメッキ厚みの比を100％に近づけるようなメッキ方法およびメッキ装置を提供することである。

本発明では、上記の課題を解決するために、請求項１によると、スルーホールを有するプリント配線板をメッキ液に浸漬・保持して陰極とし、該プリント配線板の両側の面に面してそれぞれ陽極を設け、該プリント配線板とその両側に設けられた陽極との間に、メッキ液を攪拌する手段を有するプリント配線板のメッキ装置において、前記プリント配線板の一方の面に接触するメッキ液の攪拌速度が、他方の面に接触するメッキ液の攪拌速度を異なるようにして、メッキ液がスルーホールを通じて流動するような手段とした。

このようにすることにより、高いアスペクト比のスルーホール表面にも、均一で十分な厚みのメッキを精度よく行うことができ、さらには、スルーホール表面のメッキ厚みとプリント配線板表面のメッキ厚みの比を100％に近づけることができる。

請求項２によると、前記のメッキ装置において、前記メッキ液を攪拌する手段は、メッキ液内の攪拌棒を往復させる手段であり、前記プリント配線板の一方の面の往復時間と、他方の面の往復時間とが異なるように、該攪拌棒を駆動する手段を有するものである。これにより、簡単な攪拌手段で、両面のメッキ液の流動に差を生じさせることにより、プリント配線板方向の液圧差が生じて、メッキ液がスルーホールを通じて流動させることができ、高いアスペクト比のスルーホール表面にも、均一で十分な厚みのメッキを精度よく行うことができ、さらには、スルーホール表面のメッキ厚みとプリント配線板表面のメッキ厚みの比を100％に近づけることができる。

請求項３によると、前記のメッキ装置において、前記プリント配線板のそれぞれの面に対面して、両側にそれぞれ複数の前記攪拌棒を配置した攪拌手段を有している。複数の攪拌棒を配置することによって、メッキ液の攪拌がプリント配線板の全面にわたって一様になり、攪拌の効果がより顕著になって、均一で十分な厚みのメッキを精度よく行うことができ、さらには、スルーホール表面のメッキ厚みとプリント配線板表面のメッキ厚みの比を100％に近づけることができる。

請求項４によると、前記のメッキ装置において、前記プリント配線板の一方の面に面した、メッキ液内の攪拌棒の移動速度の平均値が5ｃｍ／秒から20ｃｍ／秒で、他方の面に面した、メッキ液内の攪拌棒の移動速度の平均値が25ｃｍ／秒から70ｃｍ／秒になるように、攪拌棒を駆動する手段を有する。このように、一方の攪拌棒の移動速度を、メッキ厚のバラツキが小さくなる限界まで遅くして、他方の攪拌棒の移動速度を、それより速くする。このとき、双方の速さの差が大きいほど、スルーホール表面のメッキ厚みとプリント配線板表面のメッキ厚みの比が100％に近づいてくる。しかし、移動速度の平均値が70ｃｍ／秒を超えるとメッキ厚のバラツキが大きくなるので、前記の攪拌速度の範囲に入るように攪拌棒を駆動することにより、均一で十分な厚みの銅メッキを精度よく行うことができ、さらには、スルーホール表面のメッキ厚みとプリント配線板表面のメッキ厚みの比を100％に近づけることができる効果がある。

請求項５によると、前記のメッキ装置において、前記プリント配線板の一方の面に接触するメッキ液の攪拌速度と、他方の面に接触するメッキ液の攪拌速度が異なるようにして、両面のメッキ液の流動に差を生じさせることにより、メッキ液がスルーホールを通じて流動するように攪拌するメッキ方法である。このようにプリント配線板の両側のメッキ液を攪拌することにより、高いアスペクト比のスルーホール表面にも、均一で十分な厚みのメッキを精度よく行うことができ、さらには、スルーホール表面のメッキ厚みとプリント配線板表面のメッキ厚みの比を100％に近づけることができる。

請求項６によると、プリント配線板の一方の面の往復時間と、他方の面の往復時間とが異なるように、メッキ液内の攪拌棒を往復させて、プリント配線板の両側のメッキ液の攪拌速度が異なるようにする方法である。これによると往復運動という単純な方法による攪拌方法により、プリント配線板の両側の攪拌速度が異なるようにすることで、高いアスペクト比のスルーホール表面にも、均一で十分な厚みの銅メッキを精度よく行うことができる。さらには、スルーホール表面のメッキ厚みとプリント配線板表面のメッキ厚みの比を100％に近づけることができる効果がある。

請求項７によると、プリント配線板の一方の面に面した、メッキ液内の攪拌棒の移動速度の平均値が5ｃｍ／秒から20ｃｍ／秒で、他方の面に面した、メッキ液内の攪拌棒の移動速度の平均値が25ｃｍ／秒から70ｃｍ／秒になるように、攪拌する方法である。攪拌棒の移動速度を上記のような範囲にすることにより、高いアスペクト比のスルーホール表面にも、均一で十分な厚みの銅メッキを精度よく行うことができる。また、プリント配線板の両面の攪拌速度の差を大きくするにしたがって、スルーホール表面のメッキ厚みとプリント配線板表面のメッキ厚みの比を100％に近づけることができる効果がある。

プリント配線板の一方の面に接触するメッキ液の攪拌速度と、他方の面に接触するメッキ液の攪拌速度を異なるようにしたことにより、簡単な攪拌方法で、高いアスペクト比のスルーホール表面にも、均一で十分な厚みのメッキを精度よく行うことができ、さらには、スルーホール表面のメッキ厚みとプリント配線板表面のメッキ厚みの比を100％に近づけることができる。

近年、プリント配線板において、回路の微細化、多層化が進み、電子機器の小型化、部品実装の高密度化の要請が高まっている。回路の微細化によりスルーホールの孔径はますます微小になり、多層化によりプリント配線板の厚みが増して、スルーホールの長さが長くなっている。すなわち、スルーホールのアスペクト比（長さ／孔径）が大きくなる傾向にある。プリント配線板のスルーホール表面でのメッキ厚みと、プリント配線板表面のメッキ厚みをほぼ均一にすることが好ましいが、従来の方法では、スルーホール表面でのメッキ厚みが、プリント配線板表面のメッキ厚みに比較して薄くなっていた。特に、アスペクト比が大きくなると、スルーホール表面でのメッキ厚みが極端に薄くなり、断線し易くなるので、プリント配線板の製造歩留まりが低下したり、製品の使用における信頼性が損なわれることになる。

このような問題点を解消することを目的とした本発明の内容を、具体的な実施例に基づいて、以下に説明する。

メッキを行うためのプリント配線板としては、18μｍ厚みの銅箔をクラッドした、70ｍｍ角の大きさで、厚みが1.6ｍｍのガラスエポキシ基板中央部の50ｍｍ角の面積部分に、孔径が0.2ｍｍのスルーホールを441個設けたプリント配線板を用いた。このプリント配線板のアスペクト比は８である。

ガラスエポキシ基板のスルーホール表面に銅メッキを行うには、まず、表面を前処理して、活性化する必要がある。続いて、無電解銅メッキを行って、表面に薄い導電層を形成してから電極につないで電気銅メッキを行う。

一般に、前処理方法として、図１に示すような条件で行う方法が知られている。前処理の目的は、プリント配線板のスルーホール表面を清浄化した後で活性化して、無電解銅メッキが付きやすいように表面を処理することである。無電解銅メッキについては、図２に示すようなメッキ液が一般に知られている。無電解メッキは、活性化された表面での還元反応により、銅が析出することを利用したメッキ方法であるので、適正なメッキ条件とともに、常に新しいメッキ液が循環するように、適正な攪拌を行う必要がある。

無電解銅メッキの一実施例としては、図３に示すように、無電解銅メッキ液をアルカリ性に保って、攪拌しながらプリント配線板を浸漬することにより、12分間で約0.5μｍの厚みの銅メッキ層が得られる。このプリント配線板を水洗した後に、その表面に電気銅メッキを行う。

電気銅メッキ液は、図４に示すような硫酸銅溶液に硫酸と塩素イオンを加えて酸性とした、ハイスロー浴と呼ばれるメッキ液である。また、少量のPEG（ポリエチレングリコール）やSPS（ビス（３−スルフォプロピル）ジスルフィド））などの添加剤を加えることにより、メッキ液の濡れ特性を改善して、メッキ表面の凹凸を少なくすることができる。

本発明は、電気メッキにおけるメッキ液の攪拌方法に係わるものである。本発明の一実施例では、図５に示すような縦、横、深さがそれぞれ100ｍｍ程度の容器１に入った電気銅メッキ液２に、前記の無電解銅メッキを行ったプリント配線板３を浸漬し、プリント配線板３を陰極、銅板を陽極として電源４に接続する。プリント配線板３の一方の面に面した陽極の銅板５ａとプリント配線板３との間に攪拌棒６ａがあり、プリント配線板３の他方の面に面した陽極の銅板５ｂとプリント配線板３との間に攪拌棒６ｂがある。

図６に、プリント配線板と攪拌棒と電極との詳細な位置関係を示す。図６（ａ）は上面から見た平面図であり、図６（ｂ）は攪拌棒とプリント配線板との位置関係を示す側面図である。プリント配線板３は、配線板の固定板８に固定されている。攪拌棒６ａ、６ｂは、それぞれ連動板７ａ、７ｂに取り付けられており、連動板を図示しない駆動装置により、往復運動させることにより、攪拌棒がメッキ液の中で往復運動をして、メッキ液が攪拌される。プリント配線板３と銅板５ａ、５ｂとには電源が接続されている。

この実施例では、攪拌棒の断面形状は円形であるが、楕円形や多角形であっても攪拌の効果に差異はない。また、攪拌棒の数は容器とプリント配線板の大きさにより、適正な数に増減できる。また、攪拌棒とプリント配線板との間隔は5ｍｍから10ｍｍ程度が好ましい。連動板の往復運動の駆動については、モータによる円運動を直線運動に変換しているが、リニアモータを使って直接的に往復運動をさせてもよい。

本実施例による攪拌方法は、プリント配線板の一方の面の往復時間と、他方の面の往復時間とが異なるように、メッキ液内の攪拌棒を往復させて、プリント配線板の両側のメッキ液の攪拌速度が異なるようにする方法である。このようにして、両面の攪拌速度に差が生じると、プリント配線板の両面での液圧差が生じ、メッキ液がスルーホールを通じて流れる。これにより、スルーホールの内部には、常に新しいメッキ液が流れるので、スルーホール内部のメッキ厚が均一になるばかりでなく、プリント配線板表面のメッキ厚に近づいてくる。

次に、メッキ厚みの評価方法を図７に示す。図７は、メッキされたスルーホールの断面を表す概略図である。図中10がメッキされた部分である。プリント配線板３のスルーホールの周辺の両面のメッキ厚みを測定し、それぞれＢ１、Ｂ２，Ｔ１，Ｔ２とする。また、スルーホールの中心におけるメッキ厚みを測定して、Ｍ１，Ｍ２とする。スルーホール表面のメッキ厚みとプリント配線板表面のメッキ厚みの比（ＴＲ）は、Ｍ１とＭ２の平均値を、Ｂ１，Ｂ２，Ｔ１，Ｔ２の平均値で除した値を百分率で表すものとする。ここで求めるＴＲが100％に近いほど均一なメッキができていると評価できる。

図８に、メッキ液の攪拌条件に対するＴＲの測定結果を示す。三角印でプロットされたデータは、プリント配線板３の両側の攪拌棒６ａ、６ｂを同じ周期で往復運動させてメッキ液を攪拌したときのＴＲ値である。これによると、往復運動の周期にかかわらず、ＴＲ値はほぼ60％で一定値になっている。なお、30ｒｐｍ以下では、メッキ液の流動速度が小さすぎるために、メッキ厚のバラツキが大きくなり実用的ではない。また、400ｒｐｍを超えると、メッキ液の流れに乱流が強くなり、空気の巻き込みも発生するために、均一なメッキができなくなる。したがって、攪拌周期は、均一なメッキ厚を得るためには、30ｒｐｍから400ｒｐｍの間にするのが適当である。

図８において、黒丸印でプロットされたデータは、プリント配線板３の一方の側の攪拌棒（例えば６ａ）の往復速度を50ｒｐｍに固定しておき、他方の側の攪拌棒（例えば６ｂ）の往復速度を50ｒｐｍから200ｒｐｍまで変化させたときのＴＲ値を測定したデータである。このデータから、プリント配線板の両側の攪拌棒の往復周期の差が大きい程ＴＲ値が100％に近づくことがわかる。したがって、一方の攪拌棒の往復運動の速度を、均一なメッキが許容できる最低限の速度にし、他方の攪拌棒の速度を、均一なメッキが許容できる最大限の速度にするのが好ましい。しかし、その中間の速度であっても、本発明の目的とする効果は得られる。

なお、この実施例では、モータの回転運動を直線運動に変換しているので、攪拌棒の運動速度は正弦波状になり、往復運動の両側ではゼロで、中央で最大値になる。攪拌棒の平均速度は攪拌棒の往復時間とその間の移動距離から計算される。実施例では約5ｃｍの距離を往復しており、平均移動速度は30rpmでは5ｃｍ／秒、400rpmでは70ｃｍ／秒となる。

以上の実施例では、攪拌棒を往復させてメッキ液を攪拌する方法と装置について詳細に説明したが、メッキ液を攪拌する方法は、攪拌棒の往復動作に限られない。他の攪拌方法として、棒の側面に攪拌翼がついた攪拌棒を、プリント配線板の両側のメッキ液の中で、それぞれ回転させ、双方の回転速度が異なるようにし、回転方向を交互に反転させても同様な効果が得られる。また、ポンプを使ってメッキ液を還流させて攪拌しても良い。この場合も、プリント配線板の両側で個別のポンプを作動させて、双方のメッキ液の流動速度が異なるようにし、さらに、流動方向を交互に反転するようにしても同様な効果が得られる。

以上のように、本発明の要旨は、プリント配線板の一方の面に接触するメッキ液と、他方の面に接触するメッキ液の攪拌速度を異なるようにすることによって、簡単な攪拌方法で、高いアスペクト比のスルーホール表面にも、均一で十分な厚みのメッキを精度よく行うことができ、さらには、スルーホール表面のメッキ厚みとプリント配線板表面のメッキ厚みの比を100％に近づけることができることである。

なお、この実施例は、プリント配線板に銅メッキを施す方法と装置について説明したが、本発明を限定するものではなく、例えば、銀メッキや金メッキなどの金属メッキにも同様に適用できることは勿論である。本発明の要旨と精神に基づき、当業者がなし得る変更、置き換えは、本発明の範囲に含まれるものである。

本発明の実施例における前処理条件の一覧表である。本発明の実施例における無電解銅メッキ液の組成表である。本発明の実施例における無電解銅メッキ条件を示す表である。本発明の実施例における電気銅メッキ条件を示す表である。本発明の実施例における電気メッキ装置の構成を示す図である。本発明の実施例におけるメッキ液の攪拌動作を説明する図である。メッキの厚みの均一性を評価するための評価値の定義を説明する図である。メッキ液の攪拌速度を変化させたときのメッキの厚みの均一性評価値を示すグラフである。

符号の説明

１容器
２メッキ液
３プリント配線板
４電源
５ａ、５ｂ銅板
６ａ、６ｂ攪拌棒
７ａ、７ｂ連動板
８固定板

Claims

スルーホールを有するプリント配線板をメッキ液に浸漬・保持して陰極とし、該プリント配線板の両側の面に面してそれぞれ陽極を設け、該プリント配線板とその両側に設けられた陽極との間に、メッキ液を攪拌する手段を有するプリント配線板のメッキ装置において、前記プリント配線板の一方の面に接触するメッキ液の攪拌速度が、他方の面に接触するメッキ液の攪拌速度と異なるようにして、メッキ液がスルーホールを通じて流動するように攪拌することを特徴とするスルーホールを有するプリント配線板のメッキ装置。
前記メッキ液を攪拌する手段が、メッキ液内の攪拌棒を往復させる手段であり、前記プリント配線板の一方の面の往復時間と、他方の面の往復時間とが異なるように、該攪拌棒を駆動する手段を有することを特徴とする請求項１に記載のスルーホールを有するプリント配線板のメッキ装置。
前記プリント配線板の表裏それぞれの面に対面して、両側にそれぞれ複数の前記攪拌棒を配置したことを特徴とする請求項２に記載のスルーホールを有するプリント配線板のメッキ装置。
前記プリント配線板の一方の面に接するメッキ液内の攪拌棒の移動速度の平均値が5ｃｍ／秒から20ｃｍ／秒で、他方の面に接するメッキ液内の攪拌棒の移動速度の平均値が25ｃｍ／秒から70ｃｍ／秒になるように、攪拌棒を駆動する手段を有することを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載のスルーホールを有するプリント配線板のメッキ装置。
スルーホールを有するプリント配線板をメッキ液に浸漬・保持して陰極とし、該プリント配線板の両側の面に面してそれぞれ陽極を設け、該プリント配線板とその両側に設けられた陽極との間に、メッキ液を攪拌する手段を有するプリント配線板のメッキ装置において、前記プリント配線板の一方の面に接触するメッキ液の攪拌速度が、他方の面に接触するメッキ液の攪拌速度と異なるようにして、メッキ液がスルーホールを通じて流動するように攪拌することを特徴とするスルーホールを有するプリント配線板のメッキ方法。
前記プリント配線板の一方の面の往復時間と、他方の面の往復時間とが異なるように、メッキ液内の攪拌棒を往復させて、プリント配線板の両側のメッキ液の攪拌速度が異なるようにしたことを特徴とする請求項５に記載したスルーホールを有するプリント配線板のメッキ方法。
前記プリント配線板の一方の面に面した、メッキ液内の攪拌棒の移動速度の平均値が5ｃｍ／秒から20ｃｍ／秒で、他方の面に面した、メッキ液内の攪拌棒の移動速度の平均値が25ｃｍ／秒から70ｃｍ／秒になるように、攪拌棒を駆動する手段を有することを特徴とする請求項6に記載のスルーホールを有するプリント配線板のメッキ方法。