KR920006353B1 - 피롤리돈을 이용한 금속의 용해 방법 및 그 조성물 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

피롤리돈을 이용한 금속의 용해 방법 및 그 조성물
본 발명은 황산 및 과산화수소를 함유하는 액조(液櫓)에서 금속을 용해시키는 방법 및 금속을 빠른 속도로 용해시킬 수 있는 신규의 에칭(etching)조성물에 관한 것이다. 특히 본 발명은 인쇄된 회로기판을 생산함에 있어서 구리를 에칭시키는 방법에 관한 것이다.
본 기술 분야에서 공지된 것과 같이 인쇄된 전자 회로를 생산함에 있어서 구리 및 레지스트 물질(통상 플라스틱을 사용함)의 라미네이트(laminate)가 이용된다. 이 회로를 얻는 일반적인 방법에서는 에칭액의 작용을 받지 않는 레지스트 물질을 라미네이트의 구리 표면상에 요구되는 패턴으로 마스크시키고 이어서 에칭단계에서, 도포되지 아니한 구리는 에칭액에 의하여 에칭되는 반면에 마스크된 부분은 그대로 잔존하게 됨으로써 플라스틱으로 보완된 요구되는 회로판을 제조하게 된다. 이 레지스트 물질로는 플라스틱, 잉크 또는땜납을 사용할 수 있다.
과거 수 년 동안 산업계에서는 과산화수소-황산계 에칭액이 그 생산비가 저렴하고, 사용 후 에칭액으로부터 구리를 비교적 쉽게 회수할 수 있기 때문에 전자 회로판을 에칭하는 데 과산화수소-황산계 에칭액을 점차적으로 더 많이 사용하게 되었다. 그러나, 에칭제 중의 한 성분으로서 과산화수소를 사용하는 데에는 여러 가지 문제점들이 발생하였다. 황산-과산화수소 용액 중의 과산화수소의 안정성은 구리 이온과 같은 중금속 이온이 존재함으로서 악영향을 받는다는 사실은 이미 공지되어 있다. 그러므로, 에칭이 진행되고 에칭제의 구리 이온 함량이 증대됨에 따라서 에칭조에서 과산화수소가 분해되어 곧 소모됨으로써 에칭 속도는 급격히 저하될 것이다. 이들 에칭제의 기능을 개선하기 위하여 여러 가지 안정제들이 제안되었으며 구리 이온의 존재로 인한 과산화수소의 분해를 감소시키는 데에 다소 성공적으로 사용되었다.
금속 이온에 의한 과산화수소의 분해 방지는 적당한 안정제릍 첨가시킴으로써 상당히 지연되지만 일반적으로 안정화된 과산화수소-황산 에칭제의 에칭 속도는 크게 저하되며, 특히 고농도의 구리 이온의 존재시에 개선할 필요가 있다. 이에 종래의 기술에서는 에칭 속도가 개선되도록 촉매 또는 촉진제를 첨가시키는 방법이 제안되었다. 이러한 촉매의 특수한 예로는 미국 특허 제 3,597,290호에 기재된 은, 수은, 팔라듐, 금 및 백금 이온들과 같은 금속 이온들이 있으며 이것들은 구리 이온 보다 더 낮은 산화 전위를 갖는다. 기타 예로는 미국 특허 제 3,293,093호에 기재된 페나세틴, 술파티오졸 및 은 이온 또는 미국 특허 제 3,341,384호에 기재된 이염기산과 상기 세 가지 성분들 중의 어느 한 성분과의 혼합물 또는 미국 특허 제3,407,141호에 기재된 페닐우레아 또는 벤조산과 상기 세가지 성분들 중의 어느 한 성분과의 혼합물 또는 미국 특허 제3,668,131호에 기재된 요소 및 티오우레아 화합물과 상기 세가지 성분들 중의 어느 한 성분과의 혼합물이 있다.
과산화수소-황산 에칭제를 사용함으로써 빈번히 발생되는 또 한가지 문제점은 아주 소량의 염소 또는 브롬 이온의 존재로도 에칭 속도에 나쁜 영향을 나타내므로 통상적으로 브롬의 수도물을 에칭 용액의 제조시에 사용할 수 없다는 것이다. 그러므로 물을 탈이온화시키거나 오염성 이온들을 침전시켜(예컨대, 가용성 은염의 형태로 은 이온을 첨가하여) 이들 이온을 제거할 필요가 있다.
유리 염소 및 브롬 이온의 존재로 인하여 발생되는 문제뿐 만 아니라 에칭속도가 낮아지는 문제가 은 이온의 사용으로 해결되는 듯 하지만, 과산화수소-황산 에칭 용액의 제조시에 은 이온을 사용하는 것은 몇가지 불리한 점들이 있다. 그 중의 한 가지는 은이 고가라는 사실이다. 또 한가지는 은 이온이 요구되는 만큼 에칭 속도를 촉진시키지 않는 사실이다.
따라서, 본 발명의 목적은 금속을 용해시키는 데 사용되는 고성능의 새로운 에칭 조성물을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 한가지 목적은 금속, 예컨대 구리 또는 구리의 합금을 고속도로 용해시키는 개선된 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 비교적 고농도의 염소 및 브롬 이온이 존재하여도 영향을 받지 않는 에칭 조성물 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기타 목적은 후술하는 발명의 상세한 설명에 의해서 명백해질 것이다. 본 발명의 의하여 황산 약 0.2-4.5그람몰/리터, 과산화수소 약 0.25-8그람몰/리터 및 피롤리돈, 특히 2-피롤리돈, N-메틸-2-피롤리돈 또는 1-부틸-2-피롤리돈 촉매량의 수용액으로 구성되는 조성물을 제조한다.
촉매의 농도가 약 2밀리몰/리터 이상을 유지할 경우에 금속의 용해 속도가 확실히 개선되었다. 바람직하게는 농도가 약 5-50밀리몰/리터 범위 내로(이 보다 더 높은 농도로 사용할 수 있지만) 유지될 때이다. 그러나, 이 보다 더 과량으로 사용하여도 특별한 부가적인 잇점이 나타나지 않는다.
이 용액의 황산 농도는 약 0.2-4.5그람몰/리터를 유지해야 하며 약 0.3-4그람몰/리터가 바람직하다. 황산 농도가 0.2그람몰/리터보다 낮은 경우에는 에칭 속도가 떨어지며, 에칭액 중의 과산화수소의 분해가 높게 된다. 한편, 황산 농도가 4.5그람몰/리터를 초과하는 경우에는 작업에 별 지장은 없으나, 에칭 속도가 오히려 저하되는 경향이 있으므로 낭비일 뿐이다.
이 용액 중의 과산화수소 농도는 약 0.25-8그람몰/리터의 범위 내이며, 바람직하게는 1-약 4그람몰/리터로 제한하는 것이다. 과산화수소의 경우에 있어서, 농도 하한치, 즉 0.25그람몰/리터는 에칭 용액에 산화력을 제공하는 데 필요한 최소량이다. 과산화수소는 산화제이기 때문에 금속이 에칭됨에 따라서 소비되므로, 최소량보다 높은 농도로 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 과산화수소를 0.25그람몰/리터보다 낮은농도로 사용하는 경우에는 에칭 속도가 작업이 불가능한 만큼 떨어지며, 더우기 이 농도에서는 균일한 에칭을 기대할 수 없다. 한편, 과산화수소의 농도가 증가됨에 따라서 구리 또는 합금을 더 많이 산화시키기 위한 산화제 시약의 능력은 배가된다. 그러나, 과산화수소의 농도가 8그람몰/리터를 초과하는 경우에도 에칭을 수행할 수는 있지만, 용해된 구리로 인한 과산화수소의 고분해 때문에 작업이 경제적으로 이루어지지 않는다.
이 용액의 잔여 부분은, 유리 염소 및 브롬 이온들을 2ppm이하의 통상적인 농도가 되도록 제거하기 위하여 어떠한 특수 예비 처리도 하지 않은 물을 사용하여 제조한다. 또한 에칭 처리에 있어서 유해한 염화 및 브롬화 오염 물질을 침전시키기 위하여 용액에 가용성 은염과 같은 어떠한 화합물도 첨가할 필요가 없다. 본 발명자는 본 발명의 조성물에 50ppm 또는 그 이상의 비교적 다량으로 상기 오염 물질이 함유됨에도 불구하고 에칭 속도에 어떠한 악영향도 미치지 않음을 발견하였다.
또한 이 용액은 과산화수소의 분해를 유도하는 중금속 이온을 중화시키기 위하여 사용된 공지의 안정제와 같은 기타 여러 가지 성분들을 함유할 수 있다. 적당한 안정제는 예를 들면, 미국 특허 제3,537,895호, 미국 특허 제3,597,290호, 미국 특허 제3,649,194호, 미국 특허 제3,801,512호 및 미국 특허 제3,945,865호에 기재되어 있다. 상기 특허들은 참고적으로 본 명세서에 기술하였다. 물론 산성화된 과산화수소 금속 처리용액에 대하여 안정화 효과를 갖는 기타 여러 가지 화합물들 중에서 어떤 것을 사용하여도 같은 잇점을 갖는다.
또한 필요한 경우에 언더커팅(undercutting), 즉 측단부 에칭을 방지하는 것으로 알려진 어떠한 첨가제라도 첨가할 수 있다. 이러한 화합물에 대하여 예를 들면, 미국 특허 제3,597,290호 및 제3,773,577호에 기재된 질소 화합물들이다. 이 두가지 특허를 참고로 본 명세서에 기술하였다. 그러나, 본 발명에서는 에칭조성물에 피롤리돈 촉매를 함유시킴으로써 빠른 에칭 속도가 얻어지기 때문에 이와같은 첨가제를 사용할 필요가없다.
특히 이 용액은 구리 및 구리 합금의 화학적 분말화 및 에칭에 유용하지만, 기타 금속 및 합금, 예컨대, 철, 니켈, 아연 및 강철도 본 발명의 용액으로 용해시킬 수 있다.
금속을 용해시키기 위하여 본 발명의 용액을 사용할 때는, 처리되는 금속의 통상적인 처리 조건을 이용한다. 그래서 구리를 에칭시킬 때 통상적으로 약 105℉(40.56℃) 내지 140℉(60℃)의 온도를 유지시켜야 하며 처리 온도를 약 120℉(48.89℃) 내지 135℉(57.2℃)로 유지시키는 것이 바람직하다.
이 용액은 침지 또는 분무식 에칭 방법에 사용되는 에칭제로서 매우 바람직하다. 본 발명의 조성물에 의한 에칭 속도는 매우 신속하다. 예컨대 loz/ft2의 구리를 함유하는 구리 라미네이트를 에칭시킬 때 약 0.5-1분 정도의 에칭 시간이 소요되는 것이 보통이다. 에칭 속도가 대단히 높기 때문에 본 발명의 조성물은 인쇄 회로판을 제조하는 데 에칭제로 특히 유용하다. 이 때 이 회로판은 레지스트 물질 하에 있는 단부의 불리한 측면 에칭 또는 언더커팅을 최소 한도로 줄이기 위함은 물론, 경제적 이유로 단위 시간당 비교적 많은 수의 작업량을 처리할 필요가 있다. 본 발명의 또 한가지 잇점은 깨끗하게 에칭시킬 수 있다는 것이다. 본 발명의 실시예를 들면 다음과 같다.
[실시예 1,2 및 3]
과산화수소-황산 에칭제를 사용하여 DEA-30분무식 에칭기 중에서 에칭시험을 실시하였다. 1oz/ft2의 구리 피막을 갖는 구리 라미네이트를 상기 에칭제로 125℉(51.67℃)에서 처리하였다. 비교 에칭액(실시예1)은 66°보오메 황산 15용적%(2.7그람몰/리터), 55중량% 과산화수소 12용적%(2.4그람몰/리터)및 물 73용적%를 함유하였다. 또한 이용액은 CuSO4, 5H2O 15.75g/리터 및 페놀술폰산나트륨 1g/리터를 함유하였다. 에칭 시간, 즉 판에서 구리를 완전히 에칭시키는데 소요되는 시간은 실시예 1의 비교 에칭액으로 6분이 소요되었다.
실시예 2는 상기 비교 에칭액에 0.6%의 2-피롤리돈을 첨가시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 같이 실시하였다. 이 에칭액에 상기 촉매를 함유시킨 결과, 에칭 시간이 6분에서 1분 15초로 현저하게 단축되었다. 즉, 에칭 속도가 6배이상 빨라졌다.
실시예 3은 상기 비교 에칭액에 0.6%의 N-메틸-2-피롤리돈을 첨가시키는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 같이 실시하였다. 이 에칭액에 상기 촉매를 첨가한 결과, 에칭 시간이 6분에서 1분 15초로 현저하게 단축되었다. 즉, 에칭 속도가 6배 이상 빨라졌다.
상기 실시예 3의 공정에서 N-메틸-2-피롤리돈 대신 1-부틸-2-피롤리돈을 사용할 때 실시예 3과 유사하게 에칭 시간이 단축되었다. 본 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자에게는 여러 가지 변경 및 개선 방법이 상술한 구체적 실시 방법에 따라서 수행될 수 있다는 것이 명백한 사실이다. 따라서 이와 같은 변형은 모두 본 발명에 포함된다.

Claims (21)

  1. 황산 0.2 내지 4.5그람몰/리터, 과산화수소 0.25 내지 8그람몰/리터 및 피롤리돈 촉매량을 함유하는 수용액과 금속을 접촉시킴을 특징으로 하는 금속의 용해방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 피롤리돈을 2밀리몰/리터 이상의 농도로 공급함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 피롤리돈을 5 내지 50밀리몰/리터 범위 내의 농도로 공급함을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 과산화수소에 대한 중금속 이온의 분해 작용을 감소시키기 위한 안정제로서 페놀술폰산 나트륨을 상기 수용액에 첨가시킴을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 과산화수소 농도를 1 내지 4그람몰/리터로 유지시킴을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 황산의 농도를 0.3 내지 4그람몰/리터로 유지시킴을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 금속이 구리 또는 구리합금인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 2ppm이상의 유리염소 또는 브롬 이온의 존재하에 용해 조작을 실시함을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 피롤리돈이 2-피롤리돈인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 피롤리돈이 N-메틸-2-피롤리돈인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 피롤리돈이 1-부틸-2-피롤리돈인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 황산 0.2 내지 4.5그람몰/리터, 과산화수소 0.25 내지 8그람몰/리터 및 피롤리돈 촉매량을 함유하는 수용액으로 구성됨을 특징으로 하는 금속의 용해 조성물.
  13. 제12항에 있어서, 상기 피롤리돈을 2밀리몰/리터 이상의 농도로 공급함을 특징으로 하는 조성물.
  14. 제12항에 있어서, 상기 피롤리돈을 5 내지 50밀리몰/리터 범위내의 농도로 공급함을 특징으로 하는 조성물.
  15. 제12항에 있어서, 과산화수소에 대한 중금속이온의 분해 작용을 감소시키기 위한 안정제로서 페놀술폰산 나트륨을 첨가시킴을 특징으로 하는 조성물.
  16. 제12항에 있어서, 과산화수소의 농도를 1 내지 4그람몰/리터로 유지시킴을 특징으로 하는 조성물
  17. 제12항에 있어서, 황산의 농도를 0.3 내지 4그람몰/리터로 유지시킴을 특징으로 하는 조성물.
  18. 제12항에 있어서, 유리 염소 또는 브롬 이온을 2ppm이상 함유물을 특징으로 하는 조성물.
  19. 제12항에 있어서, 피롤리돈이 2-피롤리돈인 것을 특징으로 하는 조성물.
  20. 제12항에 있어서, 피롤리돈이 N-메틸-2-피롤리돈인 것을 특징으로 하는 조성물.
  21. 제12항에 있어서, 피롤리돈이 1-부틸-2-피롤리돈인 것을 특징으로 하는 조성물.
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