KR20020032782A

KR20020032782A - 금속표면처리장치와 이를 이용한 금속표면처리방법

Info

Publication number: KR20020032782A
Application number: KR1020000063436A
Authority: KR
Inventors: 장배순; 한문호; 박세철
Original assignee: 이중구; 삼성테크윈 주식회사
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2002-05-04
Also published as: CN1195906C; SG99876A1; MY137770A; JP3901450B2; JP2002129399A; KR100371564B1; CN1351197A

Abstract

금속표면처리장치와 이를 이용한 금속표면처리방법를 개시한다. 본 발명은 전해욕과, 전해욕내에 함유되는 전해질용액과, 전해질용액내에 담궈지는 양극판 및 음극판과, 양극판 및 음극판 사이에 설치되어 전해공정시 전해질용액내에 용해된 특정이온만 선택적으로 통과시키는 미세한 구멍이 형성된 격리판을 포함한다.

Description

금속표면처리장치와 이를 이용한 금속표면처리방법{Metal finishing apparatus and metal finishing method using the same}

본 발명은 금속표면처리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전해욕내에 격리판이 설치되어 극판에 이물질이 전착되는 현상을 미연에 방지하기 위한 금속표면처리장치와 이를 이용한 금속표면처리방법에 관한 것이다.

통상적으로, 반도체 리드프레임은 반도체 칩의 고밀도화, 고집적화 및 기판실장의 방법등에 따라 다양한 형상으로 존재가 가능하다. 이러한 반도체 리드프레임은 구리나 철계의 합금 소재를 압연과 같은 방법으로 제조하게 되는데, 그 소재의 표면은 여러가지의 불순물들을 포함하고 있다.

이에 따라, 반도체 리드프레임은 전기화학적인 방법으로 원소재 표면에서의 산화물을 제거하여 평활성효과를 강화하는 전해연마(electro-polishing) 공정을 거쳐서 구체적인 리드프레임의 형상을 만드는 에칭이나 스탬핑 공정을 거치게 된다. 또한, 반도체 칩과 전기적으로 연결하기 위한 리드프레임과의 와이어본딩시 그 본딩성을 향상시키고, 각종 부식방지와 표면실장성을 높이기 위한 일련의 도금(electro-plating) 공정이 필요하다.

도 1은 종래의 금속표면처리장치중 전해연마장치(10)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 전해연마장치(10)는 전해욕(11) 내에 반도체 리드프레임을 양극판(12)으로 하고, 적당한 금속을 음극판(13)으로 하여 전해질용액(14)에 담군다. 이때, 상기 양극판(12)은 구리를 주성분으로 하는 합금이고, 상기 음극판(13)은 SUS이나 백금(Pt)망이다. 또한, 상기 전해질용액(14)은 60±5％ 내외의인산(H₃PO₃)을 함유하고 있다.

상기 전해욕(11)의 하부에는 펌프(15)를 구비한 회수탱크(16)가 설치되어 있고, 상기 회수탱크(16)는 공급로(17) 및 회수로(18)를 통하여 상기 전해욕(11)과 연통되어 있다. 한편, 상기 공급로(17)를 통하여 공급되는 전해질용액은 상기 전해욕(11)의 바닥면에 설치된 노즐(19)을 통하여 분사가 가능하다.

이러한 구조를 가지는 종래의 전해연마장치(10)는 다음과 같은 반응기구를 가진다.

양극판(12)에서는 구리원자가 전자를 잃게 되어 구리이온으로 용해되는 산화반응을 일으키고, 음극판(13)에서는 구리이온이 전자를 얻어 구리원자로 환원되는 환원반응을 일으킨다.

그런데, 종래의 금속표면처리장치는 다음과 같은 문제점을 발생시킨다.

첫째, 상기 양극판(12)으로부터 용해된 금속이온이 슬러지를 형성하여 전해질용액(14)의 흐름에 따라 다시 상기 양극판(12)으로 전착되는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 슬러지는 상기 양극판(12)의 표면으로부터 용출된 금속이온이 상기 음극판(13) 표면에서 전해질용액(14)과 반응하여 응집화된 고형물로서, 다량의 H₂O를 함유한 불순물이다. 또한, 슬러지는 추후 상기 양극판(12)인 제품을 물로 세척하는 공정에서도 완전히 제거되지 않아서 제품의 불량을 초래한다.

둘째, 상기 음극판(13)은 그 표면에 전착되어지는 슬러지가 많아지거나 완전히 덮게 되면 전류효율이 떨어지고, 그 결과로 연마속도가 저하된다. 따라서, 상기음극판(13)은 금속표면처리장치를 정지시키고 적당한 주기로 세정을 해주어야 한다. 특히, 반도체 리드프레임과 같은 인라인 장비인 경우에는 장비 전체를 정지시켜야 하는 경우도 발생한다.

셋째, 상기 전해질용액(14)은 슬러지에 의하여 용액이 노하되고 인산의 농도가 저하됨에 따라서 용액을 보충해줘야 한다.

넷째, 금속도금시에는 양극판으로부터 생성되는 반응부산물이 도금층이 형성되는 음극판의 표면에 전착되어 도금층에 영향을 주고, 전해질용액의 수명을 짧게한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 전해욕내에 양극판과 음극판을 분리하여 슬러지와 같은 이물질 발생반응을 억제하고 이물질의 전착을 방지하기 위해 특정 이온만을 선택적으로 통과시키기 위한 격리판을 설치하도록 구조와 이에 따른 방법이 개선된 금속표면처리장치와 이를 이용한 금속표면처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전해질용액내의 특정이온을 집진하여 농도변화를 방지한 금속표면처리장치와 이를 이용한 금속표면처리방법을 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 금속표면처리장치를 도시한 개략적인 구성도,

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 금속표면처리장치를 도시한 개략적인 구성도,

도 3은 본 발명의 시간에 따른 구리농도변화를 측정한 것을 도시한 그래프,

도 4는 본 발명의 시간에 따른 인산농도변화를 측정한 것을 도시한 그래프,

도 5는 본 발명의 시간에 따른 전해욕과 회수탱크내에서의 구리농도변화를 측정한 것을 도시한 그래프,

도 6은 본 발명의 시간에 따른 오염치를 측정한 것을 도시한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10,20...금속표면처리장치11,21...전해욕

12,22...양극판13,23...음극판

14,24...전해질용액16,26...회수탱크

17,27...공급로18,28...회수로

200...격리판220...집진부

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 금속표면처리장치는,

전해욕;

상기 전해욕내에 함유되는 전해질용액;

상기 전해질용액내에 담궈지는 양극판;

상기 전해질용액내에 담궈지는 음극판; 및

상기 양극판 및 음극판 사이에 설치되어 전해공정시 전해질용액내에 용해된 특정이온만 선택적으로 통과시키는 미세한 구멍이 형성된 격리판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 양극판은 피연마체이고, 상기 음극판은 금속판으로서,

상기 전해질용액내에서 전해연마공정에 의하여 상기 양극판으로부터 금속이온이 용해되어 상기 양극판의 표면을 평활하게 하고, 상기 금속이온은 상기 격리판에 의하여 음극판으로 통과하지 못하여 음극판 표면으로부터 금속 슬러지의 생성을 방지하는 것을 특징으로 한다.

게다가, 상기 양극판은 금속판이고, 상기 음극판은 피도금체로서,

상기 전해질용액내에서 전기도금공정에 의하여 상기 양극판으로부터 금속이온이 용해되어 상기 음극판의 표면에 도금되고, 상기 양극판으로부터 발생되는 반응부산물은 상기 격리판에 의하여 음극판으로 통과하지 못하는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 전해욕의 일측에는 상기 전해질용액으로부터 회수되는 금속이온이나 반응부산물을 집진하는 집진부가 더 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 금속표면처리방법은,

전해질용액내에 양극판과 음극판이 담궈지고, 상기 양극판과 음극판을 상호 분리시켜서 특정 이온만을 선택적으로 통과시키는 미세한 구멍이 형성된 격리판이설치된 전해욕을 준비하는 단계;

상기 전해욕에 전류를 인가하여 상기 양극판 또는 음극판중 어느 하나의 극판으로부터 전해질용액과 반응하여 생성되는 금속이온이나 반응부산물이 상기 격리판을 통하여 다른 하나의 극판으로 이동하지 못하고 차단되면서 전해반응이 일어나는 단계; 및

상기 전해욕의 일측에 접속된 집진부로부터 전해반응단계중 발생된 금속이온이나 반응부산물을 집진하여 전해질용액의 농도를 일정하게 유지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 금속표면처리장치를 상세하게 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 전해연마장치(20)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 전해연마장치(20)에는 전해욕(21)이 마련되고, 상기 전해욕(21)내에는 양극판(22)과 음극판(23)이 전해질용액(24)내에 담겨진다. 상기 양극판(22)으로는 피연마체인 반도체 리드프레임을 사용하고, 음극판(23)으로는 적당한 금속, 예컨대 SUS나 백금망을 사용한다. 또한, 상기 전해질용액(24)으로는 고전류가 인가되므로 산위주이며, 60±5％ 내외의 인산(H₃PO₃)을 함유하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 전해욕(21) 내에는 전해연마공정중 상기 양극판(22)으로부터 용해된 구리이온이 상기 음극판(23) 표면에서 전해질용액(24)과 반응하여 형성된 슬러지가 상기 양극판(22)으로 다시 전착되는 현상을 방지하기 위하여 격리판(200)이설치된다.

상기 격리판(200)은 상기 양극판(22)과 음극판(23)을 분리하는 위치에 설치된다. 상기 격리판(200)은 미세한 구멍이 무수개 형성되어서 특정 이온만을 선택적으로 통과시키것으로서, 거름종이나 셀룰로이드와 같은 얇은 격막의 형태를 가지고 있다. 여기서는, 상기 양극판(22)으로부터 용해된 구리이온이 음극판(23)에 전착되는 것을 차단하고, H⁺이온만을 통과시킨다.

상기 전해욕(21)의 하부에는 제1 펌프(25)를 구비한 제1 회수탱크(26)가 설치되어 있다. 상기 제1 회수탱크(26)는 상기 전해욕(24) 내의 양극판(22) 측으로 전해질용액을 공급 및 회수하기 위하여 제1 공급로(27)와, 제2 회수로(28)가 전해욕(24)과 연통되어 있다. 상기 제1 공급로(27)를 통하여 공급되는 전해질용액은 상기 전해욕(21)의 바닥면에 설치된 노즐(29)를 통하여 분사가 가능하다.

또한, 상기 제1 회수탱크(26)는 제3 펌프(260)를 구비한 이온집진부(220)와 제3 공급로(270)와, 제3 회수로(28)로 접속되어 있다. 상기 이온집진부(220)는 전해연마공정중 상기 전해욕(24)에 이온으로 존재하는 구리이온에 전자를 공급하여 집진하여 구리농도의 상승을 방지하는 역할을 한다.

한편, 상기 전해욕(21)의 하부에는 상기 음극판(23) 측으로 전해질용액을 공급 및 회수하기 위하여 제2 공급로(240)와, 제2 회수로(250)가 연통된 제2 펌프(230)를 구비한 제2 회수탱크(210)가 설치되어 있다. 상기 제2 회수탱크(210) 내에는 상기 양극판(22)측으로 공급되는 전해질용액과 동일한 성분의 전해질용액이나 전도성연마액이 저장되어 있다.

상기와 같은 구조를 가지는 본 발명에 따른 전해연마장치(20)는 다음과 같은 반응기구를 가진다.

상기 양극판(22)과 음극판(23)에 소정의 전원이 인가되면, 상기 양극판(22)에서는 구리원자가 전자를 잃게 되어 구리이온으로 용해되는 산화반응이 일어난다. 이때, 상기 양극판(22)과 음극판(23) 사이에는 격리판(200)이 설치되어 특정 이온만 이 격리판(200)을 통하여 상기 음극판(23)측으로 통과된다.

즉, 상기 양극판(22)으로부터 용해된 구리이온은 상기 격리판(200)을 통과하지 못하고, 양극판 주위에서 이온으로 존재하게 되고, H⁺이온만 상기 격리판(200)의 미세한 구멍을 통하여 상기 음극판(23) 측으로 이동이 가능하다. 이에 따라, 상기 음극판(23)의 표면에는 양극판으로부터 이온화된 구리이온이 이동하지 않아서 구리이온으로 인한 이물질 발생반응이 억제되고 이로 인한 구리슬러지 발생과 슬러지 전착이 방지된다.

또한, 상기 양극측(22)의 전해욕(21)으로부터 구리이온을 함유한 전해질용액(24)은 상기 제1 회수로(28)와, 제1 회수탱크(26)를 경유하여 이온집진부(220)로 유동하여 구리이온을 집진하게 된다. 이에 따라, 상기 전해욕(24)의 구리농도가 상승하는 것을 방지하게 된다.

한편, 양극판으로 적당한 금속을 사용하고, 음극판으로 반도체 리드프레임과 같은 피도금체를 설정하여 전기도금을 할 경우에도 동일한 경우가 적용된다. 즉, 양극판 및 음극판 사이에 격리판이 설치되면, 도금에 의한 양극반응부산물이 발생하더라도 격리판의 존재로 인하여 도금액이 양극 및 음극판별로 따로 관리됨으로써도금에 의한 부산물이 양극판측에서만 발생하고 음극판측에서는 부산물의 영향을 받지 않게 된다.

상기와 같은 전해연마장치(20)를 이용한 본 출원인의 실험결과를 설명하면 다음과 같다.

표 1은 시간에 따른 전해질용액의 농도변화와 구리슬러지 생성여부를 나타낸 것이다.

시간(hr)	음극판 셀	양극판 셀	음극판슬러지전착상태
시간(hr)	인산(％)	구리(g/l)	음극판슬러지전착상태	인산(％)	구리(g/l)
0	64.3	없음	64.2	0.75	없음
2	64.3	없음	62.3	1.23	없음
4	64.6	없음	59.7	1.71	없음
6	62.9	없음	58.7	2.36	없음

표를 참조하면, 상기 양극판(22)은 반도체 리드프레임이고, 음극판(23)은 SUS나 백금망이다. 또한, 상기 전해질용액(24)은 인산을 함유하고 있다. 상기 도금욕(21)에 인가되는 전류는 60 A/dm²이고, 연마시간은 2,4,6 시간으로서, 2 시간간격으로 측정하였다. 이때, 상기 도금욕(21)에는 양극판(22)과 음극판(23) 사이에 특정이온, 예컨대 구리이온의 통과를 방지하기 위한 격리판(200)이 설치되어 있다.

실험 결과에 의하면, 양극판(22)이 설치된 셀에서는 0,2,4,6 시간으로 연마공정을 수행할 시, 인산농도는 64.2, 62.3, 59.7, 58.7％로 변화하였다. 그리고, 구리농도는 0.75, 1.23, 1.71, 2.36 g/l로 변화하였다. 즉, 양극판(22) 측에서는 시간이 증가하게 됨에 따라 인산농도는 점차적으로 감소하고, 반대로 구리농도는 점차적으로 증가한다. 이것은 상기 양극판(22)으로부터 용해된 구리이온이 상기 격리판(200)을 통과하지 못하고 양극셀에 잔류하고 있기 때문이다.

반면에, 음극판(23)이 설치된 셀에서는 상기 조건으로 연마공정을 수행할 시, 인산농도는 64.3, 64.3, 64.6, 62.9％로 변화하였고, 구리는 전혀 검출되지 않았다. 이는 상기 격리판(200)의 존재로 인하여 구리이온이 상기 음극판(23) 측으로 이동하지 못했음을 알 수 있다. 이로인하여 인산의 농도는 거의 변화가 일어나지 않았다. 당연한 결과로, 상기 음극판(23)의 표면에는 구리 슬러지가 전착되지 않았다.

도 3은 본 발명의 시간에 따른 구리농도변화를 도시한 그래프이다.

그래프의 X축은 시간을 나타낸 것이고, Y축은 농도를 나타낸 것이다.

그리고, A곡선은 상기 양극판(22)이 설치된 셀의 구리농도의 변화이고, B곡선은 음극판(23)이 설치된 셀의 구리농도의 변화이다.

그래프를 참조하면, 시간이 경과할수록 상기 양극판 셀에서는 구리농도가 표 1에서 언급한 바와 같이 점차적으로 증가되는 경향을 보였다. 반면에, 상기 음극판 셀에서는 구리농도의 변화가 없음을 나타내였다. 즉, 상기 격리판(200)의 설치로 인하여 상기 양극판(22)으로부터 용해된 구리이온은 상기 음극판(23)측으로 이동하지 못하고, 그 결과로 상기 음극판(23)의 표면에서는 구리이온과 전해질용액의 반응으로 인한 구리 슬러지가 형성되지 않았다.

도 4는 본 발명의 시간에 따른 인산농도변화를 도시한 그래프이다.

그리고, A곡선은 상기 양극판(22)이 설치된 셀의 인산농도의 변화이고, B곡선은 음극판(23)이 설치된 셀의 인산농도의 변화이다.

그래프를 참조하면, 상기 양극판 셀에서는 시간이 증가할수록 인산농도가 서서히 감소하는 경향을 나타낸 반면에, 상기 음극판 셀에서는 인산농도의 변화가 거의 없음을 나타내였다. 즉, 상기 양극판 셀에서는 구리이온 농도가 증가함에 따라 인산농도는 감소하는 결과를 보였다.

도 5는 본 발명의 시간에 따른 전해욕과 회수탱크에서의 구리농도변화를 도시한 그래프이다.

그리고, C곡선은 상기 전해욕(21) 내에서의 구리농도의 변화이고, D곡선은 회수탱크(26)에서의 구리농도의 변화이다.

그래프를 참조하면, 상기 전해욕(21) 내에서는 시간이 경과할수록 구리농도가 점차적으로 증가하고 있다. 반면에 상기 회수탱크(26) 내에서는 구리농도가 점차적으로 감소하는 경향을 보였다. 상기 회수탱크(26) 내에서 구리농도가 감소하는 것은 이와 연통되는 이온집진부(220)로 구리이온이 집진되기 때문이다.

도 6은 본 발명의 시간에 따른 회수탱크(26)에서의 오염치를 도시한 그래프이다.

그래프의 X축은 시간을 나타낸 것이고, Y축은 오염치를 나타낸 것이다.

그리고, E곡선은 시간에 따른 오염치의 변화이다. 이때, 인가되는 전류밀도는 3 A/dm²이다.

그래프를 참조하면, 상기 회수탱크(26)에서는 시간이 경과할수록 오염치가 감소하는 경향을 나타내였다. 이것은 상기 양극판(21)으로부터 용해된 구리이온에대한 이온집진부(220)에서의 집진율이 상대적으로 증가되기 때문에 나타난다.

이상에서 설명한바와 같이 본 발명의 금속표면처리장치와 이를 이용한 금속표면처리방법는 양극판 및 음극판 사이에 격리판과, 특정 이온을 집진하는 장치를 설치함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 양극판으로부터 용해된 이온이 격리판의 설치로 인하여 음극판으로 이동하지 못하게 됨에 따라 음극판 표면으로부터 전해질용액과 반응하여 슬러지를 형성하지 않게 된다. 이에 따라, 양극판으로 다시 전착되는 현상을 미연에 방지하게 되어 제품의 불량률을 현저히 줄일 수 있다.

둘째, 음극판은 그 표면에 슬러지가 전착되지 않음에 따라, 시간이 지날수록 전류효율이 떨어지는 현상을 방지하게 된다. 그 결과로 연마속도를 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 음극판을 주기적으로 세정해야 하는 공정을 줄이므로 인한 생산성 향상을 가져 온다.

셋째, 전해질용액이 슬러지에 의하여 노화가 덜 되어서 전해질용액의 교체주기를 늘일 수 있다.

넷째, 전기도금시에는 양극으로부터 발생되는 양극반응부산물이 음극판으로 이동하지 못하게 됨에 따라, 도금액을 별도로 효율적으로 관리할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한기술적 보호범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

전해욕;

상기 전해욕내에 함유되는 전해질용액;

상기 전해질용액내에 담궈지는 양극판;

상기 전해질용액내에 담궈지는 음극판; 및

상기 양극판 및 음극판 사이에 설치되어 전해공정시 전해질용액내에 용해된 특정이온만 선택적으로 통과시키는 미세한 구멍이 형성된 격리판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속표면처리장치.
제1항에 있어서,

상기 양극판은 피연마체이고, 상기 음극판은 금속판으로서,

상기 전해질용액내에서 전해연마공정에 의하여 상기 양극판으로부터 금속이온이 용해되어 상기 양극판의 표면을 평활하게 하고, 상기 금속이온은 상기 격리판에 의하여 음극판으로 통과하지 못하여 음극판 표면으로부터 금속 슬러지의 생성을 방지하는 것을 특징으로 하는 금속표면처리장치.
제2항에 있어서,

상기 양극판은 반도체 리드프레임이고, 상기 전해질용액은 인산을 주성분으로 하는 용액인 것을 특징으로 하는 금속표면처리장치.
제1항에 있어서,

상기 양극판은 금속판이고, 상기 음극판은 피도금체로서,

상기 전해질용액내에서 전기도금공정에 의하여 상기 양극판으로부터 금속이온이 용해되어 상기 음극판의 표면에 도금되고, 상기 양극판으로부터 발생되는 반응부산물은 상기 격리판에 의하여 음극판으로 통과하지 못하는 것을 특징으로 하는 금속표면처리장치.
제2항 또는 제4항중 어느 한 항에 있어서,

상기 전해욕의 일측에는 상기 전해질용액으로부터 회수되는 금속이온이나 반응부산물을 집진하는 집진부가 더 설치된 것을 특징으로 하는 금속표면처리장치.
제5항에 있어서,

상기 집진부는 상기 격리판에 의하여 음극판과 분리된 양극판측의 전해질용액을 공급 및 회수가능하도록 전해욕과 연결된 제1 회수탱크와 연통되는 것을 특징으로 하는 금속표면처리장치.
제1항에 있어서,

상기 전해욕의 타측에는 상기 격리판에 의하여 양극판과 분리된 음극판측의 전해질용액을 공급 및 회수가능하도록 제2 회수탱크가 접속되는 것을 특징으로 하는 금속표면처리장치.
전해질용액내에 양극판과 음극판이 담궈지고, 상기 양극판과 음극판을 상호 분리시켜서 특정 이온만을 선택적으로 통과시키는 미세한 구멍이 형성된 격리판이 설치된 전해욕을 준비하는 단계;

상기 전해욕에 전류를 인가하여 상기 양극판 또는 음극판중 어느 하나의 극판으로부터 전해질용액과 반응하여 생성되는 금속이온이나 반응부산물이 상기 격리판을 통하여 다른 하나의 극판으로 이동하지 못하고 차단되면서 전해반응이 일어나는 단계; 및

상기 전해욕의 일측에 접속된 집진부로부터 전해반응단계중 발생된 금속이온이나 반응부산물을 집진하여 전해질용액의 농도를 일정하게 유지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속표면처리방법.