JP3901450B2

JP3901450B2 - 金属表面処理装置とこれを用いた金属表面処理方法

Info

Publication number: JP3901450B2
Application number: JP2000390452A
Authority: JP
Inventors: 培淳張; 文浩韓; 世▲てつ▼ 朴
Original assignee: Samsung Techwin Co Ltd; Hanwha Aerospace Co Ltd; Hanwha Techwin Co Ltd
Current assignee: Hanwha Aerospace Co Ltd; Hanwha Techwin Co Ltd
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: JP2002129399A; CN1195906C; CN1351197A; KR20020032782A; KR100371564B1; MY137770A; SG99876A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属表面処理装置に係り、特に電解槽内に陽極と陰極とを分離するように隔膜が設けられて電極への異物の電着現象を防止することが可能な金属表面処理装置とこれを用いた金属表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、半導体リードフレームは半導体チップの高密度化、高集積化及び実装方法等によって多様な形状を有している。前記半導体リードフレームは銅や鉄系の合金から製造することになるが、原材料の表面には様々な不純物が付着されている。
【０００３】
そのため、半導体リードフレームは所望の形状を得るため蝕刻（エッチング）やスタンピング工程を経た後、原材料表面における酸化物を除去して平滑性（levelling）を高める電解研磨（electro-polishing）工程が必要である。また、特定の形状を有する半導体リードフレームを半導体チップと電気的に連結するためにワイヤーボンディングを行う必要があるが、ここで、ボンディング力の向上、腐食の防止及び実装効率の向上のために電気メッキ（electro-plating）工程が必要である。
【０００４】
図１は従来の金属表面処理装置のうち電解研磨装置１０を示す図面である。
【０００５】
図面を参照すれば、電解研磨装置１０は陽極１２と、陰極１３と、両電極１２、１３間に存在する電解質（electrolyte）１４とを有する電解槽（electrolytic bath）１１を含む。陽極１２は銅や鉄系の合金よりなる半導体リードフレームであり、陰極１３はステンレススチール（ＳＵＳ）や白金（Ｐｔ）網とすることができる。また、電解質１４は６０±５％の燐酸（Ｈ₃ＰＯ₄）を含む水溶液である。
【０００６】
電解槽１１の下部にはポンプ１５を備えた回収タンク１６が設けられている。この回収タンク１６は供給路１７及び回収路１８を通じて電解槽１１と連通されている。また、電解槽１１の底面には回収タンク１６から供給路１７を経て供給される電解質１４を噴射可能なノズル１９が設けられている。
【０００７】
このような構造を有する従来の電解研磨装置１０は次のような反応メカニズムを有する。
【０００８】
陽極１２では銅原子が電子を失って銅イオンに溶解される酸化反応が生じ、陰極１３では銅イオンが電子を得て銅原子に還元される還元反応が生じる。
【０００９】
ところが、従来の金属表面処理装置には次のような問題点がある。
【００１０】
第１、電解槽内にスラッジ（sludge）が形成され、形成されたスラッジが電解質１４の流れによって陽極１２の表面に電着される現象が発生する。このようなスラッジは陽極１２から溶解された金属イオンが陰極１３の表面で電解質１４と反応して凝集された固形物であって、多量のＨ₂Ｏを含有した不純物である。また、スラッジは陽極１２として用いられた製品を洗浄する工程でも完全に除去されないために製品の不良の原因となる。
【００１１】
第２、スラッジの陰極１３表面への電着量が、陰極１３を完全に覆ってしまうほど多くなる場合がある。これにより、電流効率が急激に低下し、その結果、電解研磨速度が遅くなる。従って、スラッジを除去するために適当な間隔で洗浄する必要があり、その際には金属表面処理装置を一時停止しなければならない。特に、半導体リードフレームのようなインライン設備の場合には設備全体を停止すべき場合も発生する。
【００１２】
第３、電解質１４がスラッジによって劣化され、濃度が薄くなる。そのため常に溶液を補充する必要がある。
【００１３】
第４、上記装置を金属メッキに使用する場合、陽極から生成される反応副産物がメッキ層の形成される陰極の表面に電着されてメッキ層に悪影響を与えるとともに、電解質を汚染しその寿命を短縮させる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述したような問題点を解決するために創案されたものであり、その主たる目的は、スラッジのような異物の発生反応を抑制し、電極への異物の電着を防止するべく改善された金属表面処理装置及びこれを用いた金属表面処理方法を提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、電解槽の濃度変化を管理することが可能な金属表面処理装置及びこれを用いた金属表面処理方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために本発明に係る金属表面処理装置は、電解槽と、前記電解槽内に存在する電解質と、前記電解質内に浸漬された陽極と、前記電解質内に浸漬された陰極と、前記陽極と前記陰極との間に設けられ、電極反応時前記電解質内に溶解された特定のイオンのみを選択的に一方の電極から他方の電極へと通過させる微細孔が形成された隔膜とを含むことを特徴とする。
【００１７】
前記陽極として例えばリードフレームなどの被研磨体を用い、前記陰極として例えばステンレススチールや白金グリッドのような金属板を用いることにより被研磨体の電解研磨を行うことができるが、このとき電解研磨工程によって陽極から電解質中へと溶解された金属イオンが陰極へと通過するのを隔膜が阻止するようにすると、陰極表面における金属スラッジの生成を防止して、良好な電解研磨を実現することができる。
【００１８】
前記陽極として金属板を用い、前記陰極として被メッキ体を用いた構成とすると被メッキ体へのメッキを行うことができるが、このとき、電気メッキ工程によって前記陽極から金属イオンを溶解して前記陰極の表面にメッキする際に前記陽極から発生する反応副産物の陰極への通過を隔膜によって阻止するようにすると、反応副産物に影響されない良好なメッキが実現される。
【００１９】
好適には、前記電解槽の一側に前記電解質から回収された金属イオンまたは反応副産物を捕集する捕集部がさらに設けられる。それにより電解槽の電解質中の金属イオン濃度を所望に制御することが可能となる。
【００２０】
また本発明の別の側面に基づくと、電解質中に浸漬された陽極及び陰極と、前記両電極を相互分離し特定のイオンのみを選択的に一方の電極から他方の電極に通過させる微細孔の形成された隔膜とを具備する電解槽を用意する過程と、電極反応が起こるように前記電解槽に電流を印加しつつ、一方の電極から溶解された特定のイオンの他方の電極への移動が前記隔膜によって阻止されるようにする過程と、前記電解質の濃度を一定に保つべく前記電解槽の一側に接続されたイオン捕集部によって電極反応中に発生する特定のイオンを捕集する過程とを含むことを特徴とする金属表面処理方法が提供される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づいて本発明を詳しく説明する。
【００２２】
図２は本発明の一実施例に基づく金属表面処理装置の電解研磨装置２０を示した模式図である。
【００２３】
図面を参照すれば、電解研磨装置２０は陽極２２と、陰極２３と、両電極２２、２３間に存在する電解質２４とを有する電解槽２１を含む。陽極２２としては銅や鉄系の合金よりなる被研磨体の半導体リードフレームを使用し、陰極２３としてはＳＵＳまたは白金網を使用することができる。また、電解質２４は高電流が印加される酸を主とした溶液であって、６０±５％のＨ₃ＰＯ₄を含む水溶液が望ましい。
【００２４】
電解槽２１内には電解研磨工程において陽極２２から溶解された銅イオンが陰極２３の表面で電解質２４と反応してスラッジが形成され、形成されたスラッジが陽極２２に再び電着される現象を防止するために隔膜２００が設けられている。
【００２５】
隔膜２００は陽極２２と陰極２３とを分離するべく、それらの間の位置に設けられている。隔膜２００は濾過紙やセルロイドのような薄膜であって、膜には微細孔が数多く形成されて特定のイオンのみを選択的に通過させる働きをする。ここでは、隔膜２００はＨ⁺イオンのみを選択的に通過させ、陽極２２から溶解された銅イオンが陰極２３に電着されるのを防止する。
【００２６】
電解槽２１の下部には第１ポンプ２５を具備した第１回収タンク２６が設けられている。第１回収タンク２６は、隔膜２００の設置によって陰極セル４０と分離された陽極セル３０に対し電解質２４の供給／回収を行うため第１供給路２７及び第１回収路２８を通じて陽極セル３０と連通されている。第１供給路２７を通じて供給される電解質２４は電解槽２１の底面に設けられたノズル２９を通じて噴射可能となっている。
【００２７】
また、第１回収タンク２６は第３供給路２７０と、第３回収路２８０を経て第３ポンプ２６０を具備したイオン捕集部（ion collecting portion）２２０に接続されている。イオン捕集部２２０は電解研磨工程において電解質２４中に存在する銅イオンに電子を供給して銅に還元し、銅濃度の上昇を防止する役割をする。
【００２８】
更に図示されているように、電解槽２１の下部には陰極セル４０に対し電解質２４の供給／回収を行うべく第２供給路２４０及び第２回収路２５０によって陰極セル４０と連通された第２ポンプ２３０を具備した第２回収タンク２１０が設けられている。第２回収タンク２１０内には陽極セル３０に供給される電解質２４と同一成分の電解質または伝導性研磨液が貯蔵されている。
【００２９】
前述したような構造を有する本発明に係る電解研磨装置２０は次のような反応メカニズムを有する。
【００３０】
陽極２２と陰極２３とに所定の電力が印加されると、陽極２２では銅原子が電子を失って銅イオンとなり溶解される酸化反応が起こる。この際、陽極２２と陰極２３との間には隔膜２００が設けられているので、特定のイオンは陰極セル４０へ移動することができない。
【００３１】
即ち、陽極２２から溶解された銅イオンは隔膜２００を通過できず、陽極セル３０内にイオン状態で存在することになり、Ｈ⁺イオンのみが隔膜２００の微細孔を通じて陰極セル４０に移動できる。これにより、陰極２３の表面には陽極２２からイオン化された銅イオンが移動しないために銅イオンによる異物の発生反応が抑制される。従って、電解槽２１内における銅スラッジの発生及び電極表面へのスラッジの電着が防止される。
【００３２】
また、銅イオンを含有した電解質２４は陽極セル３０から第１回収路２８、第１回収タンク２６及び第３回収路２８０を経てイオン捕集部２２０へと送られ、そこで銅イオンの捕集がなされる。これにより、電解質２４の銅濃度の上昇を防止することができる。
【００３３】
一方、陽極として適当な金属を使用し、陰極として半導体リードフレームのような被メッキ体を設定して電気メッキを行う場合にも同じことが成り立つ。即ち、電解槽内の陽極及び陰極間に隔膜を設けることによって、メッキ液を陽極及び陰極セル別に管理し、メッキ工程中に陽極で反応副産物が発生しても、陰極セルに影響を与えないようにすることができる。
【００３４】
以下に、上記した電解研磨装置２０を用いた本出願人による実験結果を示す。
【００３５】
表１は時間の経過にともなう各セルにおける電解質の濃度変化と銅スラッジの生成有無を示したものである。
【表１】

【００３６】
この実験において、陽極２２は半導体リードフレームであり、陰極２３はＳＵＳまたは白金網である。また、電解質２４は燐酸を含有している。電解槽２１に印加される電流は６０Ａ／ｄｍ²であり、測定は研磨時間２時間毎に行った。ここで、電解槽２１には陽極２２と陰極２３との間に特定のイオン、例えば銅イオンの通過を防止するための隔膜２００が設けられている。
【００３７】
実験の結果によると、表１に示したように、２時間間隔で研磨工程を行うにつれ、陽極セル３０における燐酸濃度は６４．２、６２．３、５９．７、５８．７％と変化した。そして、銅濃度は０．７５、１．２３、１．７１、２．３６ｇ／ｌと変化した。即ち、陽極セル３０では時間の経過とともに燐酸濃度が徐々に減少し、逆に銅濃度は徐々に増加した。これは陽極２２から溶解された銅イオンが隔膜２００を通過できず、陽極セル３０内に残留するためと考えられる。
【００３８】
一方、陰極セル４０では燐酸濃度は６４．３、６４．３、６４．６、６２．９％とほとんど変化せず、銅イオンは検出されなかった。これにより、隔膜２００の存在によって銅イオンが陽極セル３０から陰極セル４０に移動できなくなったことが分かる。その結果、陰極２３の表面への銅スラッジの電着は生じなかった。
【００３９】
図３は銅濃度の経時的変化を示すグラフである。グラフのＸ軸は時間を、Ｙ軸は濃度を示す。そして、Ａのプロットは陽極セル３０における銅濃度の変化であり、Ｂのプロットは陰極セル４０における銅濃度の変化を示す。
【００４０】
グラフを参照すれば、時間の経過とともに陽極セル３０では銅濃度が表１のように徐々に増加する傾向を見せた。一方、陰極セル４０では銅濃度の変化が無かった。即ち、隔膜２００の設置によって陽極２２から溶解された銅イオンは陰極２３側に移動できないため、陰極２３の表面では銅イオンと電解質の反応による銅スラッジが形成されなかった。
【００４１】
図４は燐酸濃度の経時的変化を示すグラフである。グラフのＸ軸は時間を、Ｙ軸は濃度を示す。そして、Ａのプロットは陽極セル３０の燐酸濃度の変化であり、Ｂのプロットは陰極セル４０の燐酸濃度の変化を示す。
【００４２】
グラフを参照すれば、時間の経過とともに陽極セル３０では燐酸濃度が徐々に減少する傾向を示したが、陰極セル４０では燐酸濃度の変化はほとんど無かったことがわかる。即ち、陽極セル３０では銅イオン濃度の増加にともない燐酸濃度が減少した。
【００４３】
図５は陽極セル３０と回収タンク２６における銅濃度の経時的変化を示すグラフである。グラフのＸ軸は時間を、Ｙ軸は濃度を示す。そして、Ｃのプロットは陽極セル３０内における銅濃度の変化であり、Ｄのプロットは回収タンク２６における銅濃度の変化である。
【００４４】
グラフを参照すれば、時間の経過とともに陽極セル３０内では銅濃度が徐々に増加するのに対し、回収タンク２６内では銅濃度が徐々に減少する傾向を示している。回収タンク２６内で銅濃度が減少するのは、これと連通されるイオン捕集部２２０に銅イオンが捕集されるからである。
【００４５】
図６は回収タンク２６における経時的な汚染値を示すグラフである。グラフのＸ軸は時間を、Ｙ軸は汚染値を示す。そして、Ｅのプロットは経時的な汚染値の変化である。このとき、印加した電流密度は３Ａ／ｄｍ²であった。
【００４６】
グラフを参照すれば、回収タンク２６では時間の経過とともに汚染値が減少する傾向を示した。これは陽極２１から溶解された銅イオンに対するイオン捕集部２２０における捕集率（collection ratio）が相対的に増加されるからである。
【００４７】
【発明の効果】
前述したように本発明の金属表面処理装置及びこれを用いた金属表面処理方法では、陽極及び陰極間に隔膜が設けられるとともに、特定のイオンを捕集するようにしたことによって次のような効果が得られる。
【００４８】
第１、陽極で溶解されたイオンが陰極に移動できなくなるため、そのようなイオンが陰極表面において電解質と反応してスラッジを形成するのを防止することができる。これにより、スラッジが陽極に再び電着される現象を未然に防止でき、製品の不良率を著しく減らすことができる。
【００４９】
第２、陰極はその表面にスラッジが電着されないため、時間の経過にともなって電流効率が低下するのを防止し、研磨速度を一定に保つことが可能となる。また、陰極の周期的な洗浄工程が不要となるため生産性を向上させることができる。
【００５０】
第３、電解質のスラッジによる劣化を防止して電解質の入替え周期を延ばすことができる。
【００５１】
第４、電気メッキ時、陽極から発生する陽極反応副産物の陰極への移動を阻止することによって、メッキ液を効率よく管理することができる。
【００５２】
図面に示した一実施例に基づいて本発明を説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当業者であれば本明細書に記載した実施例に基づき多様な変形及び均等な他実施例が可能であることは明らかである。従って、本発明の真の技術的な保護範囲は特許請求の範囲によってのみ決まるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の金属表面処理装置を示す概略的な構成図である。
【図２】本発明の一例に係る金属表面処理装置を示す概略的な構成図である。
【図３】図２の金属表面処理装置において銅濃度の経時的変化を測定したグラフである。
【図４】図２の金属表面処理装置において燐酸濃度の経時的変化を測定したグラフである。
【図５】図２の金属表面処理装置において電解槽と回収タンク内における銅濃度の経時的変化を測定したグラフである。
【図６】図２の金属表面処理装置において汚染値の経時的変化を測定したグラフである。
【符号の説明】
２０電解研磨装置
２１電解槽
２２陽極
２３陰極
２４電解質
２００隔壁

Claims

電解槽と、
前記電解槽内に存在する電解質と、
前記電解質内に浸漬された陽極と、
前記電解質内に浸漬された陰極と、
前記陽極と前記陰極との間に設けられ、電極反応時前記電解質内に溶解された特定のイオンのみを選択的に一方の電極から他方の電極へと通過させる微細孔が形成された隔膜とを含み、
前記隔膜によって前記陽極側に分離された前記電解質から回収された金属イオンまたは反応副産物を捕集する捕集部がさらに設けられており、
前記陽極が被研磨体を含んでおり、前記陰極が金属板を含んでおり、前記陽極の表面を平滑化するべく電解研磨工程によって前記陽極から金属イオンが溶解され、前記隔膜は前記金属イオンが前記陰極へと通過するのを阻止し、陰極表面において金属スラッジが生成されるのを防止することを特徴とする金属表面処理装置。
前記陽極は半導体リードフレームであることを特徴とする請求項１に記載の金属表面処理装置。
前記電解質は燐酸を主成分とする水溶液であることを特徴とする請求項１に記載の金属表面処理装置。