KR100716545B1 - 균일 두께 도금을 위한 도금 장치 - Google Patents

Abstract

기판을 전기 도금하는 도금 장치에 있어서, 전해액이 채워진 도금조; 양극과 음극을 가지며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 도금 전압을 인가하는 전원부; 상기 도금조 내에 위치하며, 상기 기판을 지지하고, 상기 음극에 연결된 테이블; 및 상기 도금조 내에 위치하며, 금속 이온을 전달하고, 상기 양극에 연결되어 상기 기판으로의 전류 분포가 균일하도록 하는 모양을 가지는 전극을 포함하는 도금 장치에 관한 것이다. 전해 도금 공정에서 기판 표면에 균일한 도금을 형성할 수 있다. 그리고 전극의 모양을 전류 분포 형태에 맞게 변경하여 금속 이온이 음극 특성을 가지는 기판 표면의 위치에 관계없이 모든 부분에 균일하게 전달될 수 있도록 한다.

도금, 기판, 균일 두께, 도금 장치, 구부러짐

Description

균일 두께 도금을 위한 도금 장치{Plating device for uniform thickness plating}

도 1은 종래의 전해 도금 방법에 따른 도금 장치를 나타낸 도면.

도 2는 도금 장치 내에서 전류 분포를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양극의 모양이 최적화된 도금 장치의 구조를 나타낸 도면.

도 4는 도 3에 도시된 도금 장치 내에서의 전류 분포를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전극의 구부러지는 정도를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 모양을 가지는 계단형 전극을 가지는 도금 장치의 구조를 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 도금조

5 : 테이블

6 : 전원부

9 : 전극

14 : 계단형 전극

11 : 전기력선(전류 분포)

본 발명은 도금 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전류 분포가 균일하도록 하여 도금 두께가 균일하도록 하는 도금 장치에 관한 것이다.

전자제품을 구동시키는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board)의 제조는 수많은 공정의 집합체이며 단위공정의 수만큼이나 매우 복잡하다. 그 중 전자소자에 전류와 전압을 제공하기 위한 핵심적인 역할을 하는 공정이 도금 공정 즉, 금속화 과정이다. 최근 인쇄회로기판은 경박단소의 경향으로 금속 배선과 전자소자가 접속되는 비아 홀(via hole)의 크기가 점점 작아지고 있어 더욱 균일한 도금이 요구되고 있다.

인쇄회로기판의 도금 공정에서 회로 형성이나 비아 홀을 도금하기 위해서는 무전해 화학 도금방법을 이용해 시드층(seed layer)을 형성한 후 전해 도금으로 금속층을 형성하는 방법이 일반적으로 이용되고 있다. 이는 비교적 가격이 저렴하고 금속배선과 절연층 간의 거리가 60㎛ 이하, 그리고 지름이 100㎛ 이상의 대구경 비아 홀에 대해서는 균일한 도금층을 얻을 수 있는 방법이다.

도 1은 종래의 전해 도금 방법에 따른 도금 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 도금 장치 내에서 전류 분포를 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 도금조(1) 내에 전해액(3)이 채워져 있다. 금속 배선이 형성되는 기판(4)은 전원부(6) 중 음극(-)에 연결된 테이블(5) 상에 놓여진다. 그리고 금속 이온을 전달하는 양극(2)과 테이블(5)에 접촉하여 음극의 성질을 가지는 기판(4) 간에는 패러데이의 법칙(Faraday's law)에 의해 일정 전압이 인가된다. 도 2에 도시된 것과 같은 전류 분포(7)가 생기게 되고 기판(4)의 표면은 도금된다.

그러나 최근에 전자제품의 소형화, 고기능화는 인쇄회로기판의 크기를 대폭 줄여 전자소자의 실장밀도가 높아지는 것을 요구하고 있다. 이로 인해 종래의 도금기술로는 종횡비가 큰 비아 홀의 필(fill) 도금이나 미세 패턴(fine pattern)의 금속 배선을 형성하기 위한 균일도금이 어려워지고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 도금조(1) 내에 전해액(3)의 농도가 균일하다면 전위 분포는 잘 알려진 라플라스식을 만족한다. 이때 전위와 직교관계에 있는 전류 분포(7)는 음극(기판(4))의 중앙부에서는 균일하게 분포되는 반면 주변부에서는 밀집됨을 알 수 있다. 이러한 전류 분포의 집중현상은 패러데이의 법칙에 따라 전류 밀도가 밀집되는 부위의 도금 두께가 상대적으로 더 두껍게 된다(도 2의 8 참조).

이를 해결하기 위해 전극 주변에 차폐판 등을 설치하여 양극에서 음극으로의 전달 전류량을 제한하거나 도금조 내의 전해액의 유동을 변경하여 균일 도금을 하려고 하는 시도가 있었다. 하지만, 차폐판의 존재 또는 전해액의 유동으로 인해 기 판 주변의 전류 분포가 복잡해지고, 조절해야 되는 변수가 많아지는 단점이 있다. 또한, 도금조건에 따라 최적화해야 하는 문제가 있어, 근본적인 해결책을 제시하지는 못한다.

또한, 양극의 가장자리 부분에 전류 분포가 밀집됨으로 인해 양극의 중심 부분은 아직 충분한 두께가 남아있음에도 가장자리 부분의 두께가 불충분하여 양극을 변경함에 따른 전극 수명이 짧은 문제점도 있다.

따라서, 본 발명은 전해 도금 공정에서 기판 표면에 균일한 도금을 형성할 수 있는 도금 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 전극의 모양을 전류 분포 형태에 맞게 변경하여 금속 이온이 음극 특성을 가지는 기판 표면의 위치에 관계없이 모든 부분에 균일하게 전달될 수 있도록 하는 도금 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 금속 이온의 공급원인 전극의 모양이 곡선 형태 또는 복수개의 계단 모양을 가지는 소형 전극으로 구성되어 특정 부위(예, 상부/하부)의 크기가 작아지는 문제가 없기 때문에 전극의 수명도 길어지는 도금 장치를 제공한다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 기판을 전기 도금하는 도금 장치에 있어서, 전해액이 채워진 도금조; 양극과 음극을 가지며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 도금 전압을 인가하는 전원부; 상기 도금조 내에 위치하며, 상기 기판을 지지하고, 상기 음극에 연결된 테이블; 및 상기 도금조 내에 위치하며, 금속 이온을 전달하고, 상기 양극에 연결되어 상기 기판으로의 전류 분포가 균일하도록 상기 테이블과의 거리가 국지적으로 달라지는 전극을 포함하는 도금 장치가 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 전극의 중앙부가 상기 테이블과 상대적으로 가까우며, 상기 전극의 가장자리 부분이 상기 테이블과 상대적으로 멀 수 있다.

여기서, 상기 전극은 두께가 균일하고 상기 테이블을 향하여 볼록하게 구부러진 모양을 가질 수 있다.

또한, 상기 전극은 계단 모양을 가질 수 있다. 여기서, 상기 전극은 복수개의 소형 전극으로 구성되며, 상기 각 소형 전극이 각각의 계단에 해당할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 도금 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 동일 또는 유사한 개체를 순차적으로 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

본 발명에서 도금이라 함은 기판의 표면에 금속으로 이루어진 얇은 막을 입히는 것을 의미한다. 전기 도금(electroplating)으로서 전해질 용액에 전류를 통하게 하여 전기 분해에 의해 목적물(기판) 위에 얇은 금속막을 입힌다. 예를 들어, 동(銅)도금의 경우, 황산동용액(전해질 용액)에 도금되는 기판을 음극으로 하고 도금하고자 하는 동을 양극으로 하여 전류를 통하게 하면, 양극의 동이 녹아서 이온(ion)이 되어 음극의 기판 표면 상에 붙어 동도금이 된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양극의 모양이 최적화된 도금 장치의 구조를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 도금 장치 내에서의 전류 분포를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 도금 장치는 도금조(1), 전극(9), 테이블(5) 및 전원부(6)를 포함한다.

도금조(1)는 도금하고자 하는 금속 이온을 함유한 전해액(3)을 저장한다. 그리고 도금조(1) 내에 전극(9) 및 테이블(5)이 위치하고 있다.

테이블(5)은 도금의 대상인 기판(4)을 소정 위치에 고정시키는 역할을 한다. 그리고 테이블(5)은 전원부(6)의 음극(-)에 연결되어 기판(4)이 음극의 성질을 가지도록 한다. 기판(4)은 도금하고자 하는 표면의 반대면을 테이블(5) 상에 접촉시켜 도금 공정 동안 고정되면서 음극의 성질을 가져 금속 이온이 표면 상에 얇은 층으로 막을 형성하도록 한다.

전극(9)은 도 3에 도시된 바와 같이 종래의 일(一)자 모양과는 달리 중앙부가 기판(4) 또는 테이블(5) 방향으로 볼록하게 구부러진 모양을 가지고 있다. 전극 (9)은 전원부(6)의 양극(+)에 연결되어 있으며, 양극(+)의 성질을 가져 전극(9)을 구성하는 금속 물질이 금속 이온으로 전해되도록 한다.

전극(9)의 모양은 라플라스의 방정식에 의한 전류 분포의 형태에 따라 곡선의 형태를 가진다. 도 4에 도시된 바와 같이 전류 분포를 형성하는 전기력선(11)은 기판(4)에서는 기판(4)과 수직한 방향으로 균일한 간격을 형성하고, 전극(9)에서는 중앙 부분으로 휘어지는 특성을 가진다. 즉, 기판(4) 즉, 음극(-)과 전극(9) 즉, 양극(+) 간의 거리를 그 위치에 따라 국지적으로 변화시켜 도 2에 도시된 것과 같은 전류 분포의 밀집 현상을 방지하고 도 4에 도시된 것과 같이 기판(4) 부근에서 균일한 전류 분포를 형성하도록 한다. 이때 전류 분포는 수학식 1에 의하는 라플라스의 방정식에 의한다.

<수학식 1>

도 4에서 기판(4)의 수평 방향 길이가 B이고, 전극(9)의 수평 방향 길이가 A인 경우에 A는 B보다 작은 것이 바람직하다. 수학식 1에 따르는 라플라스의 방정식에 의할 때 기판(4) 쪽에서의 전류 밀도가 균일하게 평행한 것에 비하여 전극(9) 쪽에서의 전류 밀도는 전극(9)의 중앙부를 향하는 방향으로 휘어지기 때문이다. 이에 따라 전극(9)의 구부러지는 정도는 도 5에 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 전극(9)의 구부러짐 계수를 나타내고 있다. 상대 음극(-) 즉, 기판(4)의 크기에 따라 양극(+) 즉, 전극(9)의 구부러짐 계수는 0 내지 0.5에서 적용된다. 전극(9)의 구부러짐 계수는 수학식 2와 같이 전극(9)의 x축 방향 길이(13)와 y축 방향 길이(12)의 비로 나타낸다.

<수학식 2>

여기서,

는 구부러짐 계수,

는 전극(9)의 x축 방향 길이,

는 전극(9)의 y축 방향 길이이다.

구부러짐 계수가 0인 경우에는 전극(9)이 x축 방향으로 일(一)자 형태를 가지고 있는 경우이며, 구부러짐 계수가 0.5인 경우에는 전극(9)이 반원의 형태를 가지고 있는 경우이다.

라플라스 방정식에 따라, 그리고 기판(4)의 크기에 따라 전극(9)의 구부러짐 계수를 정하여 기판(4)과 전극(9) 간의 y축 방향으로의 간격이 전극(9)의 중앙부로부터의 거리에 따라 변화된다. 이를 통해 전류 분포가 기판(4)의 가장자리 부분에서 밀집되어 도금 두께가 균일하지 못하게 되는 현상을 방지하고, 기판(4)의 표면 전체에서 균일한 도금이 이루어지도록 한다(도 4의 10 참조).

전극(9)의 두께는 중앙부에서의 거리에 관계없이 동일한 것이 바람직하다. 전극(9)이 상술한 바와 같이 구부러진 형태를 가지고 있어 전극(9) 부근에서도 균 일한 전류 분포를 가지게 되면, 전극(9)에서의 금속 이온 석출에 따른 전극(9)의 두께 감소 역시 전극(9) 전체에 걸쳐서 균일하게 된다. 따라서, 종래와 같이 전극(9)의 특정 부위(예를 들어, 전류 분포가 밀집되었던 가장자리 부분)가 먼저 마모되어 중앙부가 남아 있음에도 불구하고 전극(9)을 교체해야 함에 따라 전극(9) 수명이 짧아지고 자원 활용면에 있어서 불리하였던 점을 극복할 수 있게 된다.

또한, 전극(9)의 어느 부분에나 전원부(6)의 양극이 연결될 수 있다. 전류 분포가 균일할 수 있는 위치(예를 들어, 전극(9)의 중앙부)에 양극이 연결되어 전극(9) 전체적으로 균일한 양극 특성을 유지하도록 하고, 기판(4)과의 균일한 전류 분포를 가지도록 할 수 있다.

도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 모양을 가지는 계단형 전극(14)을 가지는 도금 장치의 구조를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 계단형 전극(14)은 중앙 부분이 기판(4)에 가까우며 가장자리 부분이 기판(4)에서 먼 계단형으로 구성된다. 전류 분포가 곡선 형태로 집중되는 가장자리 부분은 기판(4)과의 거리가 상대적으로 멀도록 배치하고, 전류 분포가 직선 형태로 균일한 중앙 부분은 기판(4)과의 거리가 상대적으로 가깝도록 배치한다. 각 부분의 거리는 수학식 1에 나타난 라플라스의 방정식에 따른 전류 분포에 따라 결정된다.

계단형 전극(14)은 복수개의 소형 전극(14a, 14b, 14c, 14d)으로 구성된다. 구부러짐계수는 라플라스의 방정식에 따라 결정되며, 각 소형 전극(14a, 14b, 14c 또는 14d)은 구부러짐 계수에 따라 기판(4)과의 거리가 결정된다.

계단형 전극(14)은 복수개의 소형 전극(14a, 14b, 14c, 14d)으로 구성됨에 따라 어느 하나의 소형 전극(14a, 14b, 14c 또는 14d)만의 교체가 가능하다. 따라서, 계단형 전극(14)은 전체적으로 전극 수명이 증가하는 효과가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 도금 장치는 전해 도금 공정에서 기판 표면에 균일한 도금을 형성할 수 있다. 그리고 전극의 모양을 전류 분포 형태에 맞게 변경하여 금속 이온이 음극 특성을 가지는 기판 표면의 위치에 관계없이 모든 부분에 균일하게 전달될 수 있도록 한다.

금속 이온의 공급원인 전극의 모양이 곡선 형태 또는 복수개의 계단 모양을 가지는 소형 전극으로 구성되어 특정 부위의 크기가 작아지는 문제가 없기 때문에 전극의 수명도 길어진다.

또한, 전극의 모양을 적절한 형태로 변경하여 전해액 내의 유동을 감소시키고 도금 편차를 줄일 수 있다. 인쇄회로기판에서의 동도금 공정에서 우수한 특성을 확보할 수 있다.

전극이 고르게 소모됨으로 인해 전극의 수명이 결과적으로 증가하고, 전극의 구부러짐 계수만을 결정하면 됨에 따라 균일 도금을 위한 조절 변수가 간단하다. 그리고 전극의 모양에 따라 균일 도금 이외에도 다양한 형태의 도금이 가능하다.

또한, 계단형 전극의 경우 소형 전극의 부분적인 교체가 가능함으로 인해 역시 전극의 전체적인 면에서는 수명이 증가하는 효과가 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 기판을 전기 도금하는 도금 장치에 있어서,

   전해액이 채워진 도금조;

   양극과 음극을 가지며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 도금 전압을 인가하는 전원부;

   상기 도금조 내에 위치하며, 상기 기판을 지지하고, 상기 음극에 연결된 테이블; 및

   상기 도금조 내에 위치하며, 금속 이온을 전달하고, 상기 양극에 연결되어 상기 기판으로의 전류 분포가 균일하도록 상기 테이블과의 거리가 국지적으로 달라지는 전극을 포함하되,

   상기 전극은 계단 모양을 가지는 도금 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전극의 중앙부가 상기 테이블과 상대적으로 가까우며, 상기 전극의 가장자리 부분이 상기 테이블과 상대적으로 먼 도금 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 전극은 두께가 균일하고 상기 테이블을 향하여 볼록하게 구부러진 모 양을 가지는 도금 장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 전극은 복수개의 소형 전극으로 구성되며, 상기 각 소형 전극이 각각의 계단에 해당하는 도금 장치.

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