KR100920789B1 - 초음파에 의해 강화된 전기 도금 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 전기 도금 방법 및 시스템은 전기 도금 공정을 강화하기 위하여 초음파 에너지를 이용한다. 상기 전기 도금 방법은 초음파 에너지 밀도가 최대인 영역을 갖는 초음파 에너지로 도금 표면을 스위핑하면서, 이와 동시에 전기 도금을 수행하는 단계를 포함한다. 상기 시스템은 초음파 에너지 공급원과 캐소드가 도금 탱크 내에 배치되어 있는 동안에 초음파 에너지 공급원과 캐소드를 상대적으로 이동시키는 이동 장치를 포함한다.

Description

초음파에 의해 강화된 전기 도금 장치 및 방법{ULTRASONICALLY-ENHANCED ELECTROPLATING APPARATUS AND METHODS}

본 발명은 전기 도금 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로 말하면, 본 발명은 초음파에 의해 강화된 전기 도금 장치 및 방법을 제공한다.

깊은 구멍, 채널, 또는 그 밖의 고종횡비 구조(high aspect ration structure)를 도금하는 것은 도전적인 과제를 제공할 수 있다. 고종횡비 구조의 도금 중에, 물질 이동 및 전기 화학적 공정은 특히 이러한 고종횡비 구조의 가장 깊은 지점에서 바람직하지 못할 수 있다. 예컨대, 도금 중에 발생되는 기포를 고종횡비 구조로부터 배출하기 곤란하고; 금속 이온이 고종횡비 구조 내부에서 빠르게 고갈되어 적절히 보충되지 못하며; 바람직하지 못한 분해 산물을 캐소드 부근으로부터 제거하기가 용이하지 않다. 또한, 도금 공정은 구멍의 입구 또는 채널의 상부 에지에 보다 두껍게 침착하는 경향이 있어, 고종횡비 구조의 도금에 보다 현저한 영향을 미칠 수 있다. 이러한 모든 인자에 의해 도금 공정에 결함이 야기될 수 있다.

고종횡비 구조의 도금을 위해 다양한 방법이 개발되어 왔다. 일부 LIGA(Lithographie, Galvanoformung and Abformung) 공정에서는, 통상적인 도금 공 정을 이용하되 도금 속도를 느리게 하여 고종횡비 구조를 도금하였다. 이러한 도금은 대개 웨이퍼 등과 같이 비교적 작은 기판에 행해진다. 전통적인 도금은 까다롭고 많은 시간이 걸린다는 것은 잘 알려져 있다. 고종횡비 구조의 도금은 특별히 설계된 기구(1997년 6월 위스콘신주 매디슨에서 열린 HARMST '97 세계 LIGA 포럼의 초록집 중에 Ariel G. Schrodt와 Nick N. Issaev의 "Enhanced Microelectroforming Technology and Development of an Automated Microelectroforming Workstation")에 의해 수행되었다. 이 방법에서는, 진공과 열 구배를 적용하면서 부품을 도금한다. 이러한 도금은 고속으로 수행될 수 있지만, 고가의 기구로 단지 작은 포맷만을 도금할 수 있다. 고종횡비 구조를 도금하는 다른 기법으로는 깊이 및 폭이 약 1 미크론 이하인 리세스를 채우는 펄스 도금(미국 특허 제5,705,230호)이 있다.

초음파 에너지는 도금 공정에서 대부분의 경우에 청소 보조용으로 사용되었다. 그러나, 미국 특허 제5,705,230호는 얕은 리세스를 도금하는 동안에 초음파 에너지를 사용한다. 미국 특허 제4,842,699호에는 비아-홀(via-hole)의 도금 중에 비아-홀에서 충분한 전해질의 이송을 보장하기 위해 초음파 에너지를 사용하는 것이 기술되어 있다. 미국 특허 제5,695,621호에는 증기 발생기 배관의 내면을 도금하는 경우에 공진형 전기 도금 애노드를 사용하는 것이 기술되어 있다. 영국 특허 제2 313 605호에는 기포의 배출을 조장하기 위해 초음파 에너지를 채용하는 크롬 도금 공정이 기술되어 있다. 일본 특허 제1 294 888 A호에는 기포의 배출을 촉진하기 위해 컵 내부에 초음파 진동기를 설치하는 것이 기술되어 있다. 일본 특허 제51138538호에는 초음파 에너지를 사용하면서 인쇄 회로 기판을 도금하는 것이 기술되어 있다.

초음파 에너지는 도금 동안에 물질 이동 및 기포의 제거를 강화시킬 수 있지만, 도금에 부정적인 영향을 미칠수도 있다. 전기 성형 공정에서는, 전기 성형 동안에 초음파 에너지에 부적절하게 노출되면, 전기 성형된 부품에 남아있는 응력이 증대될 수 있다. 또한, 전기 도금 동안에 초음파 에너지를 사용하면, 특히 폴리머 또는 그 밖의 비전도성 기판을 사용하는 경우에 침착 재료와 기판과의 사이에 점착 문제가 야기될 수 있다.

대부분의 전기 도금 공정은 전기 도금조를 포함하는 도금 탱크에서 수행된다. 도금 탱크에서 초음파 에너지를 사용하는 경우에 생기는 다른 문제로는 탱크 내에서의, 특히 캐소드 상에서의 에너지 분포가 불균일하다는 점이 있다. 초음파 변환기를 도금 탱크의 측면이나 바닥 상의 고정된 위치에 장착하면, 캐소드 상에서의 초음파 에너지의 분포가 불균등해지는 데, 그 이유는 초음파 에너지가 거리의 증가에 따라 감소되기 때문이다. 이러한 문제는 큰 표면을 도금하는 경우에 더 심해지는 데, 그 이유는 큰 부품의 표면 상에서 에너지 분포의 편차가 증대되기 때문이다.

본 발명은 전기 도금 공정을 강화하기 위해 초음파 에너지를 채용하는 전기 도금 방법 및 시스템을 제공한다. 이러한 전기 도금 방법은 초음파 에너지 공급원을 애노드와 캐소드 사이에 배치하는 단계와, 초음파 에너지 밀도가 최대인 영역을 갖는 초음파 에너지로 도금 표면을 스위핑(sweep)하는 단계를 포함한다. 그 결과, 도금 표면의 각 부분은 초음파 에너지를 전기 도금 동안에 계속 변화하는 양으로 받고, 도금 표면은 최대 초음파 에너지 밀도를 간헐적으로 받는다.

본 발명의 장치와 방법은 전기 도금을 수행하는 것이 바람직한 하나 이상의 공동이 도금 표면에 포함된 경우에 특별한 장점을 제공할 수 있다. 공동, 즉 캐소드를 관통하게 형성된 구멍이나 캐소드의 표면에 형성된 웰(well)이 비교적 큰 종횡비를 갖는다면, 공동 내의 표면을 전기 도금하기가 곤란할 수 있다. 일부 위치에서, 초음파 에너지의 전파 축선(즉, 초음파 에너지의 이동 방향)은 초음파 에너지가 공동의 전역에 도달되도록 공동과 정렬될 수 있으며, 이로 인해 공동의 가장 안쪽 부분에서의 도금이 강화된다.

본 발명에 따른 방법과 시스템이 갖는 다른 장점으로는 전기 도금을 강화하는 데 필요한 초음파 에너지의 양이 감소된다는 점이 있다. 초음파 에너지가 도금 표면을 가로질러 스위핑될 때 도금 표면의 각 부분은 간헐적으로 최대 초음파 에너지 밀도에 노출되기 때문에, 초음파 에너지의 양은 감소될 수 있다.

본 발명의 또 다른 장점으로는 배경 기술에서 논의된 바와 같은 도금 동안에 초음파 에너지를 사용하는 것과 관련한 문제, 예컨대 잔류 응력, 점착 문제 등이 초음파 에너지를 도금 표면을 가로질러 스위핑함으로써 감소될 수 있다는 점이 있다. 또한, 초음파 에너지의 스위핑 성질은 도금된 재료의 균일성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 방법 및 시스템의 또 다른 장점으로는 애노드와 캐소드와의 사이에 구조물을 배치하는 것에 의해 야기될 수 있는 차단 또는 차폐와 관련한 문 제점이 초음파 에너지 공급원의 이동을 통해 감소 또는 방지되는 동시에, 초음파 에너지가 도금 표면에 직접적으로 부짖힌다는 점이 있다. 초음파 에너지 공급원이 전기 도금 동안에 애노드와 캐소드와의 사이에서 이동하는 이러한 시스템에서는, 이와 같이 이동하는 초음파 에너지 공급원에 의해 캐소드를 간헐적으로 차폐함으로써, 펄스 도금 공정(전류 밀도를 의도적으로 변화시키는 공정)과 유사한 전기 도금 장점을 제공할 수 있다.

본 발명은 고종횡비 공동을 전기 성형하는 데 사용될 때 특별한 장점을 제공할 수 있지만, 고종횡비 공동을 포함하는지 여부와는 무관하게 임의의 표면을 전기 도금하는 것과 관련하여 사용될 때에도 유익할 수 있다. 별다른 언급이 없는 한, 본 발명은 고종횡비 공동을 전기 성형하는 방법 및/또는 시스템에 한정되지 않는다.

한 가지 양태에서, 본 발명은 전기 도금 방법을 제공하며, 이 방법은 도금 용액을 수용하는 탱크를 제공하는 단계와, 애노드와 도금 표면을 갖는 캐소드를 상기 도금 용액 내에 넣는 단계와, 상기 애노드와 상기 캐소드의 도금 표면과의 사이에 직접 초음파 에너지 공급원을 배치하는 단계와, 상기 캐소드의 도금 표면을 도금하는 단계, 그리고 도금 동안에 초음파 에너지 공급원으로부터 방출되는 초음파 에너지로 상기 도금 표면을 스위핑하는 단계를 포함하고, 상기 스위핑 단계는 초음파 에너지 밀도가 최대인 영역을 상기 도금 표면을 가로질러 이동시키는 단계를 포함한다.

다른 양태에서, 본 발명은 전기 도금 방법을 제공하며, 이 방법은 도금 용액을 수용하는 탱크를 제공하는 단계와, 애노드와 도금 표면을 갖는 캐소드를 상기 도금 용액 내에 넣는 단계와, 상기 캐소드의 도금 표면을 도금하는 단계와, 상기 애노드와 상기 캐소드의 도금 표면과의 사이에 직접 초음파 에너지 공급원을 배치하는 단계, 그리고 도금 동안에 초음파 에너지 공급원으로부터 방출되는 초음파 에너지로 상기 도금 표면을 스위핑하는 단계를 포함하고, 상기 캐소드의 도금 표면은 복수 개의 공동을 포함하며, 복수 개의 공동은 각각 중심 축선을 갖고 그 종횡비가 적어도 약 1:1 또는 그 이상인 것이며, 상기 초음파 에너지 공급원으로부터 방출되는 초음파 에너지는 소정의 전파 축선을 갖는다.

상기 스위핑 단계는 초음파 에너지 밀도가 최대인 영역을 상기 도금 표면을 가로질러 이동시키는 단계와, 상기 초음파 에너지 공급원으로부터 초음파 에너지를 방출하는 동시에 상기 도금 표면과 상기 초음파 에너지 공급원을 서로에 대해 이동시키는 단계, 그리고 상기 초음파 에너지의 전파 축선과 복수 개의 공동 각각의 중심 축선을 정렬시키는 단계를 포함한다.

또 다른 양태에서, 본 발명은 전기 도금 장치를 제공하며, 이 장치는 소정의 탱크 용적을 갖는 탱크와, 상기 탱크 용적 내에 배치되는 애노드와, 상기 탱크 용적 내에 배치되며 도금 표면을 포함하는 캐소드와, 상기 탱크 용적 내에 배치되고 상기 애노드와 상기 캐소드와의 사이에 직접 배치되며 상기 도금 표면에 초음파 에너지를 방출하도록 배향된 초음파 에너지 공급원, 그리고 상기 초음파 에너지 공급원과 상기 캐소드가 상기 탱크 용적 내에 배치되어 있는 동안에 상기 초음파 에너지 공급원과 상기 캐소드를 상대적으로 이동시키는 이동 장치를 구비한다.

본 발명의 전술한 특징 및 장점과 그 밖의 것을 본 발명에 따른 방법과 시스템의 다양한 예시적인 실시예와 관련하여 후술한다.

도 1은 본 발명에 따른 한 가지 전기 도금 시스템의 평면도.

도 2는 도 1에 도시된 시스템의 측면도.

도 3은 애노드(30)를 제거한 상태인 도 1의 시스템의 정면도.

도 4는 다른 전기 도금 시스템의 도면.

도 5는 초음파 에너지 밀도가 최대인 영역이 파선으로 표시되어 있는 도금 표면의 개략도.

도 6은 도 5에 도시된 구성의 변형예로서, 초음파 에너지 밀도가 최대인 영역이 도금 표면보다 큰 경우를 보여주는 도면.

도 7은 초음파 에너지의 스위핑이 회전 운동에 의해 수행되는 본 발명에 따른 다른 전기 도금 시스템을, 회전 축선에 대해 횡방향으로 취하여 보여주는 도면.

도 8은 도 7의 선 8-8을 따라 취한 도 7에 도시된 시스템의 도면.

도 9는 초음파 에너지 전파 축선과 도금 표면에 있는 공동의 중심 축선 간의 관계를 보여주는 도면.

도 1 및 도 2에는 본 발명에 따른 한 가지 예시적인 전기 도금 시스템이 도시되어 있다. 이 시스템은 사실상 예시적인 것으로 이해되어야 한다. 본 발명에 따라 초음파 에너지 밀도가 최대인 영역을 도금 표면을 가로질러 바람직하게 스위핑하는 많은 다른 시스템이 고안될 수 있다.

본 발명과 관련된 "스위핑" 또는 "상대적인 운동"은 연속적인 것(초음파 에너지 밀도가 최대인 영역의 속도가 방향 변화 동안에만 0이 됨)이 바람직하지만, 별법으로서 이러한 이동은 불연속적인 이동 사이에 약간의 고정 정지 시간이 있도록 단계적으로 이루어질 수도 있는 것으로 이해된다. 그러나, 임의의 고정 정지 시간은 초음파에 의해 강화된 도금이 수행되는 전체 시간의 약 5 % 이하를 차지하는 것이 바람직하다.

도시된 시스템은 캐소드(20)와 애노드(30)를 수용하는 도금 탱크(10)를 포함한다. 또한, 초음파 에너지 공급원(40)이 도금 탱크(10) 내에 배치되며, 이 초음파 에너지 공급원(40)은 캐소드(20)와 애노드(30) 사이에 직접 배치된다. 또한, 상기 시스템은 보다 상세히 후술되는 이동 장치(50)를 포함하는 것이 바람직하다.

도 1은 캐소드(20)와 애노드(30)의 상부 에지와 함께 도금 탱크(10)의 상부를 보여준다. 또한, 이 도면에는 초음파 에너지 공급원(40)의 상단부와, 도금 탱크(10)의 측벽의 상부 에지가 함께 도시되어 있다. 도 2는 상기 시스템의 측면도로서, 캐소드(20), 애노드(30) 및 바람직한 초음파 에너지 공급원(40)의 측면 에지를 보여준다. 도 3은 초음파 에너지 공급원(40)과 캐소드(20)를 드러내기 위해 도금 탱크(10)와 애노드(30)를 제거한 상태인 상기 시스템의 정면도이다.

또한, 도 1 내지 도 3에는 이동 장치(50)가 도시되어 있다. 보다 상세히 후술하는 바와 같이, 이동 장치(50)는 초음파 에너지 공급원(40)을 캐소드(20)를 가로질러 이동시키는 데 사용된다. 전부는 아니라해도 대부분의 이동 장치(50)는 도금 탱크(10) 내에서 임의의 도금 용액의 외부에 배치되는 것이 바람직하다.

이동 장치(50)는 초음파 에너지 공급원(40)을 전기 도금 동안에 캐소드(20)의 도금 표면(22)을 가로질러 앞뒤로 왕복 이동시킬 수 있는 것이 바람직하다. 당업자에게 공지된 임의의 기구 또는 기구의 조합을 사용하여 바람직한 왕복 운동을 제공할 수 있다. 예로는 캠과 종동부 기구, 볼 리버서(ball reverser) 기구 등이 있고, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 이동 기구(50)는 캐소드(20)가 고정 상태로 유지되고 초음파 에너지 공급원(40)이 이동하는 것으로 도시되어 있지만, 초음파 에너지 공급원(40)이 고정 상태로 유지되고 캐소드(20)가 이동하는 다른 시스템도 제공될 수 있는 것으로 이해된다. 또 다른 변형예에서는, 캐소드(20)와 초음파 에너지 공급원(40)이 모두 (동시에 또는 다른 시간에) 이동할 수 있다.

도금 탱크(10)는 임의의 적절한 형상 및/또는 구성의 것일 수 있다. 예컨대, 거의 직사각형인 상부 개구와 바닥까지 연장되는 거의 수직한 3개의 측벽을 구비할 수 있다. 제4 측벽은 수직 방향에 대해 알맞게 경사져 있는 것으로, 이로써 캐소드 구조(20)에 부착되고 이후에 상기 경사 측벽에 맞닿게 놓이는 비교적 평평한 기판의 도금이 향상된다. 이러한 도금 탱크 구조는 당업계에 공지된 것으로, 본원에서는 더 기술하지 않는다.

적절한 펌프 및 유체 저장조가 도금 탱크(10)에 부착되어, 전기 도금 용액의 임의의 바람직한 순환을 제공한다. 일부 예에서, 새로운 전기 도금 용액은 필요에 따라 탱크(10)에 계량 주입될 수 있고, 이와 동시에 사용한 용액은 도금 중에 탱크(10)로부터 제거된다.

캐소드(20)는 도금 동안에 상기 도금 용액 내에 잠기도록 도금 탱크(10) 내에 배치된다. 캐소드(20)는 도금이 우선적으로 수행되는 도금 표면(22)을 포함하거나 형성한다. 캐소드(20)는 일반적으로 전기 도금이 완료된 후 시스템으로부터 제거될 수 있는 물체나 기판 형태로 마련된다.

본 발명에 따른 방법으로 처리되는 캐소드가 적절하게 전기 도금하기에 충분하지 못한 전기 전도성을 갖는 재료로 구성되는 경우에는, 적어도 도금 표면(22) 상에 얇은 전기 전도성 층을 마련하는 것이 바람직하다. 이 층은 임의의 적절한 기술, 예컨대 스퍼터링, 화학 증착, 거울 반응, 무전해 도금 등의 기술에 의해 침착되거나 형성될 수 있다.

또한, 애노드(30)도 도금 동안에 상기 도금 용액 내에 잠기는 방식으로 탱크(10) 내에 배치된다. 예컨대, 애노드(30)는 금속 볼이나 펠릿(pellet)을 포함하는 금속 판이나 바스켓 형태로 마련될 수 있다. 많은 경우에서 애노드 슬러지의 도금조로의 누설을 감소 또는 방지하기 위해, 애노드 백(anode bag)을 사용한다. 또한, 애노드 차폐물을 사용하여 전류 분포를 개선할 수 있다.

전술한 바와 같이, 시스템의 구성 요소는 형상 및 크기가 대부분 통상적인 것이다. 그러나, 본 발명에 따르면 시스템은 캐소드(20)와 애노드(30)와의 사이에 직접 배치되는 초음파 에너지 공급원(40)을 더 포함한다. 본원에 사용된 "사이에 직접 배치된"이란 표현은, 애노드(30)의 캐소드(20) 상으로의 투시선이 초음파 에너지 공급원(40)에 의해 부분적으로 가려지도록, 초음파 에너지 공급원(40)이 캐소드(20)와 애노드(30)와의 사이에 개재되는 것을 의미한다.

전형적인 전기 도금 시스템에서, 캐소드(20)와 애노드(30)와의 사이에 직접 장애물이 배치되면 음영 효과 및 그 밖의 효과 때문에 불균일한 도금이 야기될 수 있다. 그 결과, 공지된 전기 도금 시스템 및 방법은 캐소드(20)와 애노드(30)와의 사이에 장애물을 도입하지 않는다. 이와는 달리, 본 발명은 초음파 에너지 공급원(40)을 캐소드(20)와 애노드(30)와의 사이에 직접 배치한다. 그러나, 캐소드(20)와 애노드(30) 사이의 경로를 차단하는 것이 미치는 부정적인 효과는, 초음파 에너지 공급원(40)이 캐소드(20)를 가로막는 것이 불균일한 도금을 초래하지 않도록 도금 동안에 초음파 에너지 공급원(40)을 이동시킴으로써 감소된다.

초음파 에너지 공급원(40)에 의해 방출되는 초음파 에너지가 캐소드(20)의 도금 표면(22)을 향하도록, 초음파 에너지 공급원(40)이 시스템 내에 장착되어 있다. 도금 표면(22)에 부딪히는 초음파 에너지는 초음파 에너지 공급원(40)의 연장 방향, 예컨대 도 3의 d₁ 방향에 상응하는 방향으로 도금 표면(22) 상에 비교적 균일하게 분포되는 것이 바람직하지만, 반드시 그러한 것은 아니다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 초음파 에너지 공급원(40)은 캐소드(20)의 도금 표면(22)에 일방향(d₁)을 따라 걸쳐있도록 (예컨대, 바아, 빔 형태로) 연장되는 것이 바람직하다. 초음파 에너지 공급원(40)은 하나의 긴 변환기 형태로 마련될 수 있고, 또는 축선을 따라 장착된 변환기의 어레이로서 마련될 수 있다.

초음파 에너지 공급원(40)은 캐소드(20)의 도금 표면(22)에 일방향(예컨대, d₁)으로 걸쳐있는 것이 바람직하지만, 제2 방향(예컨대, 도 3의 d₂)을 따라 캐소드의 도금 표면(22)보다 좁게 마련되는 것도 바람직하다. 제2 방향은 적어도 제1 방향에 평행하지는 않다. 제2 방향은, 예컨대 도 3에 도시된 바와 같이 제1 방향에 수직한 것이 바람직하다.

초음파 에너지 공급원(40)이 일단부를 따라 도시되어 있는 도 4를 참조하면, 초음파 에너지 공급원(40)은 대개 도금 표면(22)의 방향으로 초음파 에너지를 파형(43)으로 방출한다. 이러한 파형 에너지가 도금 표면(22)에 부딪힐 때, 초음파 에너지 밀도가 최대인 영역을 형성하는데, 이 영역은 대개 초음파 에너지 공급원(40)과 도금 표면(22) 간의 최단 거리에 상응한다. 도 4에는 초음파 에너지 밀도가 최대인 예시적인 영역(44)이 도시되어 있다.

도금 표면(22)이 받는 초음파 에너지 밀도는 이론상 소정의 프로파일을 갖는데, 이 프로파일에서는 도금 표면(22)의 매우 작은 부분만이 절대적인 최대 에너지 밀도, 즉 소정 시간에 도금 표면이 받는 최고의 초음파 에너지 밀도를 받는다. 그러나, 본 발명이 의도하는 바에 따르면, 상기 "초음파 에너지 밀도가 최대인 영역"은, 예컨대 상기 절대적인 최대 에너지 밀도의 적어도 약 95 % 이상을 받는 도금 표면(22)의 영역으로 정의될 수 있다.

도 5는 초음파 에너지 밀도가 최대인 영역(144)이 파선으로 표시되어 있는 도금 표면(122)의 개략도이다. 본 발명에 따르면, 상기 영역(144)은 도금 표면(122)을 가로질러 양방향 화살표 S의 방향으로 적어도 2번 스위핑되어, 도금 표면(122) 상의 임의의 선택 지점이 도금 동안에 최대 초음파 에너지 밀도에 예를 들어 적어도 2번 노출된다.

도 5에 도시된 시스템 또는 방법은 초음파 에너지 밀도가 최대인 영역(144)이 적어도 한 가지 치수에 있어서 도금 표면(122)보다 작은 경우를 보여주지만, 도 6은 초음파 에너지 밀도가 최대인 영역(244)이 모든 치수에 있어서 도금 표면(222)보다 큰 경우인 다른 변형예를 보여준다. 따라서, 본 발명의 방법에 따라 상기 영역(244)을 스위핑하는 것은 상기 영역(244)을 도금 표면(222)에 대해 이동시키는 것을 필요로 하며, 그 결과 도 6에 도시된 바와 같이 도금 표면(222)의 일부분이 상기 영역(244)의 외부에 위치하게 된다.

도 7 및 도 8은 캐소드(320) 상의 도금 표면(322)이 도금 탱크(310) 내에 배치되어 있는 동안에 회전 축선(323)을 중심으로 회전하는 본 발명에 따른 시스템 및 방법의 다른 변형예를 보여준다. 초음파 에너지 공급원(340)이 탱크(340) 내에서 애노드(330)와 도금 표면(322) 사이에 배치되어 있다. 캐소드를 (임의의 적절한 회전 기구에 의해) 축선(323)을 중심으로 회전시키면, 초음파 에너지 밀도가 최대인 영역이 도금 표면(322) 상으로 스위핑된다. 이러한 본 발명의 방법에 따르면, 도금 표면(322)의 각 부분이 초음파 에너지 공급원(340)의 전방을 적어도 2번 통과하여 본 발명의 방법에 따라 초음파 에너지가 반복적으로 스위핑되도록, 캐소드(320)를 회전하는 것이 대개 바람직하다. 캐소드(320)가 이동하는 것으로 도시되어 있지만, 별법으로서 캐소드(20)가 고정 상태로 유지되고 초음파 에너지 공급원(40)이 이동할 수 있고, 또는 다른 변형예에서는 캐소드(320)와 초음파 에너지 공급원(340)이 모두 동시에 또는 서로 다른 시간에 이동할 수 있는 것으로 이해된다.

도 9는 본 발명에 따른 방법 및 장치의 다른 선택적인 특징을 보여준다. 도금 표면(422)이 (도 9에 일부분만이 도시되어 있는) 캐소드(420)에 마련되어 있다. 도금 표면(422)은 관통 구멍(460) 형태인 하나의 공동, 즉 캐소드(420)를 완전히 관통하게 형성된 공간을 포함한다. 또한, 도 9에는 관통 구멍(460)과 마찬가지로 캐소드(420)를 완전히 관통하게 형성되지는 않고 웰(470) 형태인 다른 공동이 도시되어 있다.

공동, 즉 관통 구멍(460)과 웰(470)은 각각 공동으로부터 연장되는 중심 축선(461, 471)을 (각각) 형성한다. 또한, 각 공동은 상기 중심 축선을 따른 공동의 깊이 대 공동의 폭의 비인 종횡비를 형성한다(여기서 폭은 공동의 깊이의 중심점에서 공동의 깊이에 대해 횡방향으로 측정됨). 본 발명에 따른 캐소드의 도금 표면에 형성된 공동은 종횡비(d:w)가 크며, 다시 말해서 종횡비가 약 1:1 이상이다.

본 발명이 의도하는 바에 따르면, 관통 구멍(460)의 깊이는 대개 캐소드(420)의 두께로 정의될 수 있다. 축선(461, 471)은 거의 평평한 도금 표면(422)에 대해 수직한 것으로 도시되어 있지만, 일부 예에서는 도금 표면(422)에 수직하지 않은, 즉 수직 방향에 대해 경사진 중심 축선이 공동에 마련될 수 있는 것으로 이해된다.

도 9의 초음파 에너지 공급원(440)은 초음파 에너지를 파형으로 방출하는 것으로 도시되어 있는데, 상기 파형은 초음파 에너지 공급원(440)으로부터 퍼져 나오 는 전파 축선(445)을 형성한다. 도 9에는 소수의 전파 축선만이 도시되어 있지만, 다수의 전파 축선이 존재하며 도시된 전파 축선은 사실상 단지 예시적인 것으로 이해된다.

본 발명의 일부 양태에서는 초음파 에너지 공급원(440)으로부터 방출되는 초음파 에너지의 전파 축선 중 적어도 하나가 캐소드(42)에 있는 각 공동의 중심 축선과 정렬되는 것이 바람직하다. 상기 전파 축선과 상기 공동의 중심 축선을 정렬하면, 공동의 가장 깊은 부분으로의 초음파 에너지의 전달이 강화되어 공동 내의 도금이 강화될 수 있다.

본 발명에 따른 방법에서, 초음파 에너지 공급원이 작동되는 전력 레벨은 캐소드 상에 도금되는 재료, 캐소드의 크기, 바람직한 도금 두께, 도금 표면에 있는 임의의 공동의 종횡비, 도금이 등각적으로 이루어지는지의 여부, 도금조의 조성, 애노드와 캐소드 사이의 전류 밀도 등(이에 한정되는 것은 아님)을 비롯한 다양한 인자에 기초하여 변화될 수 있다.

초음파 에너지의 스위핑 성질 때문에, 상기 초음파 에너지의 에너지 밀도는 예컨대 청소 공정 또는 종래의 초음파에 의해 강화된 도금 공정(초음파 에너지를 도금 표면 상에 스위핑하지 않음)에 일반적으로 사용되는 것보다 현저히 낮다. 예컨대, 도금 동안에 사용되는 에너지 밀도는 청소 동안에 사용되는 에너지 밀도의 약 10 %에 불과한데, 이는 탱크 내의 도금 용액을 비울 필요가 없기 때문이다.

본 발명은 초음파에 의해 강화된 전기 도금 방법에 관한 것이지만, 전기 도금이 실시되는 시간 중 단지 일부분 동안에만 도금 탱크 내에 초음파 에너지를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 한 가지 방법에서는 초음파 에너지 없이 전기 도금하는 초기 이후에만 초음파 에너지를 도금 표면 상에 스위핑하는 것이 바람직할 수 있다. 다른 방법에서는 우선 초음파 에너지를 도금 표면 상에 스위핑하면서 전기 도금한 후에, 초음파 에너지의 공급을 중단하면서 초음파 에너지 없이 계속 전기 도금하는 것이 바람직할 수 있다. 어느 방법에서든지 도금 전류 밀도는 모든 단계 동안에 동일할 수 있고, 또는 필요에 따라 변화될 수 있다.

또 다른 방법에서는 초음파 에너지 없이 초기 전기 도금을 일부 수행한 후에, 초음파 에너지를 도금 표면 상에 스위핑하면서 도금을 행하며, 그 후 초음파 에너지의 도금 표면으로의 전달을 중단하면서 도금 표면을 계속 전기 도금을 행하는 것이 바람직할 수 있다. 전술한 바와 같이, 도금 전류 밀도는 모든 단계 동안에 동일할 수 있고, 또는 필요에 따라 변화될 수 있다.

예

후술하는 예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공된 것으로, 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아니다.

65 갤론(246 리터)의 도금 용액을 수용하는 도금 탱크를 마련한다. 표적 표면이 위로 향하도록 캐소드를 탱크 내에 배치하고 수평 방향에 대해 45°각도로 배향하였다. 캐소드는 유리 상에 장착된 평평한 폴리이미드 기판이며, 도금 표면에 공동을 포함하는 것이다. 캐소드의 종횡비는 약 28:1이었다. 거울 반응으로 전기 도금하기 전에 은으로 이루어진 전기 전도성 종자층을 도금 표면에 형성하였다.

애노드를 티타늄 바스켓 내의 니켈 펠릿 형태로 마련하였다. 이러한 펠릿은 International Nickel Company에 의해 제조된 것이다. 애노드 백을 애노드 주변에 배치하였다. 애노드를 상기 캐소드와 실질적으로 평행하게 장착하였다.

초음파 변환기와 캐소드의 표적 표면이 마주하게, 상기 탱크에서 상기 캐소드의 표적 표면과 애노드 사이에 직접 초음파 변환기를 배치하였다. 상기 초음파 변환기는 평균 전력이 350 W(350 J/s)이고 주파수가 40 kHz인 CAE Ultrasonics(뉴욕주 Jamestown 소재)의 모델 N-100(NEPTUNE 시리즈)이다.

상기 초음파 변환기를 왕복 운동 장치 상에 장착하였다. 상기 왕복 운동 장치를 도금 탱크 상에 배치하고, 도금 공정 동안에 캐소드의 도금 표면을 가로질러 앞뒤로 이동시켰다.

상기 도금 용액은 설파민산 니켈 500 g/ℓ, 붕산 30 g/ℓ및 표면 장력을 29 dyn/㎠(Fisher Scientific SURFACE TENSIOMAT 21을 사용하여 측정)으로 조정하는 소량의 계면활성제(McDermid의 Barrett Snap L)를 포함하는 수조(水槽)이다. 도금 용액의 온도는 135 ℉(57 ℃)이었다. 도금 용액을 도금 동안에 도금 탱크 내에서 대략 시간당 10번의 속도로 순환시켰다.

모든 구성 요소가 적소에 위치하면, 한 시간 동안 초음파 에너지 없이 1 ASF(0.108 A/d㎡)의 전류 밀도로 전기 도금을 개시한 후, 24 시간 동안 초음파 에너지를 도금 표면을 가로질러 스위핑하면서 동일한 전류 밀도로 전기 도금을 행하고, 그 후 초음파 에너지의 전달을 중단하였다. 그러나, 24 시간 동안 초음파 에너지 없이 15 ASF(1.62 A/d㎡)의 전류 밀도로 계속 전기 도금을 행하였다.

전기 도금 동안에, 초음파 변환기는 약 35 W(35 J/s)의 전력 레벨로 작동되 었다. 초음파 변환기가 약 30초 마다 도금 표면 상에서 한 방향으로의 통과를 각각 마치도록, 도금 동안에 초음파 변환기를 캐소드의 도금 표면을 가로질러 앞뒤로 왕복 이동시켰다.

이러한 공정에 따르면, 도금 표면은 니켈로 전기 도금되며, 고품질, 견고한 구조, 낮은 응력, 양호한 점착성 및 균등한 침착을 제공한다.

전술한 특정 실시예는 본 발명의 실시를 예시하는 것이다. 본 발명은 본원에 구체적으로 기술되어 있지 않은 임의의 요소 또는 아이템 없이도 적절하게 실시될 수 있다.

본 발명의 다양한 수정예 및 변형예는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에게 명백하게 드러날 것이다. 예컨대, 상기 시스템 및 방법은 단지 하나의 초음파 에너지 공급원을 사용하는 것으로 도시되어 있지만, 2개 이상의 초음파 에너지 공급원을 사용하여 도금 동안에 표적 표면에 초음파 에너지를 제공할 수 있다. 다른 예에서는, 곡선형 또는 그 밖의 비(非)평면형 표적 표면이 도금될 수 있다. 본 발명은 본원에 기술된 예시적인 실시예에 부당하게 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

Claims (26)

1. 도금 용액을 수용하는 탱크를 제공하는 단계와,

   도금 표면을 갖는 캐소드와 애노드를 상기 도금 용액 내에 넣는 단계와,

   상기 애노드와 상기 캐소드의 도금 표면과의 사이에 직접 초음파 에너지 공급원을 배치하는 단계와,

   상기 캐소드의 도금 표면을 도금하는 단계, 그리고

   상기 도금하는 단계 동안에 상기 초음파 에너지 공급원으로부터 방출되는 초음파 에너지로 상기 도금 표면을 스위핑(sweep)하는 단계

   를 포함하고, 상기 스위핑 단계는 초음파 에너지 밀도가 최대인 영역을 상기 도금 표면을 가로질러 이동시키는 단계를 포함하는 것인 전기 도금 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 도금 표면은 중심 축선을 갖는 하나 이상의 공동을 포함하고, 상기 초음파 에너지는 전파 축선(propagation axis)을 가지며, 상기 전기 도금 방법은 상기 전파 축선을 상기 중심 축선에 정렬시키는 단계를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 공동은 상기 캐소드를 관통하게 형성된 구멍을 포함하는 것인 전기 도금 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 도금 표면을 도금하는 단계는, 상기 초음파 에너지 공급원으로부터 방출되는 초음파 에너지 없이 제1 전류 밀도로 도금한 이후에, 초음파 에너지로 상기 도금 표면을 스위핑하면서 제2 전류 밀도로 도금하는 단계를 포함하는 것인 전기 도금 방법.
4. 소정의 탱크 용적을 갖는 탱크와,

   상기 탱크 용적 내에 배치되는 애노드와,

   상기 탱크 용적 내에 배치되며 도금 표면을 갖는 캐소드와,

   상기 탱크 용적 내에 배치되고 상기 애노드와 상기 캐소드와의 사이에 직접 배치되며 상기 도금 표면에 초음파 에너지를 방출하도록 배향된 초음파 에너지 공급원, 그리고

   상기 초음파 에너지 공급원과 상기 캐소드가 상기 탱크 용적 내에 배치되어 있는 동안에 상기 초음파 에너지 공급원과 상기 캐소드를 상대적으로 이동시키는 이동 장치

   를 포함하는 전기 도금 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 이동 장치는 상기 초음파 에너지 공급원과 상기 캐소드를 서로에 대해 상대적으로 왕복 운동시킬 수 있는 왕복 운동 장치를 포함하는 것인 전기 도금 장치.
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