TWI529263B - Copper plating system - Google Patents

Description

鍍銅系統

本發明係有關於一種鍍銅系統，尤其是在鍍銅製程中藉控制單元依據外部電源所提供的電力以控制氧化銅粉末及光澤劑釋放至主電鍍單元的鍍液中。

銅的導電性及加工性佳，是銅箔製造業、印刷電路板產業或電氣相關產業中相當重要的導電材料，可當作電氣連接線路或電路圖案。而銅的導電度深受純度的影響，所以如何提高銅的純度並保持電氣、厚度、表面特性的均一性，一直以來都是產業界努力的目標。

通常，製造電路板導體銅可包括化學鍍銅製程或電鍍銅製程，其中化學鍍銅製程是利用適當的還原劑將銅離子還原成金屬銅，而電鍍銅製程主要是利用電力將銅離子還原成金屬銅。由於電鍍銅製程的製程簡單，具有較成熟的工藝，且品質容易掌握，是目前較為主要的製程

此外，在電鍍銅製程中，必須經常補充銅源至鍍液中，以維持電鍍銅的品質，所以一般是利用由銅或銅合金所製作的陽極，在通電下，將金屬銅氧化成銅離子而釋放至鍍液中，這種方式稱為可溶性陽極，比如磷銅陽極。然而，可溶性陽極會隨著電鍍的進行而消耗並改變形狀，進而影響鍍液中的電流分佈，使得電鍍銅的厚度、電氣特性不均一。因此，可使用不溶性陽極改善此一問題，主要是利用惰性材料製成，比如銥鉭陽極、白金鈦陽極、鈦包銅陽極，並以氧化銅或其他銅鹽當作銅源，有利鍍液流通並有效控制 鍍液中陽極及陰極之間的電場分佈，進而控制電流密度分佈，提高電鍍銅厚度及電氣特性的均一性。

在電鍍銅過程中，鍍液的銅離子會消耗而局部減少銅離子，但是須保持在特定的較佳溫度範圍內，才能得到高品質的電鍍銅，所以需要採取適當措施，通常是利用空氣、機械、溶液噴射(solution jet)或移動鍍件等方法進行攪拌。因此，部分鍍液會因攪動所產生的氣泡而被帶出，並附著在附近的機具上，同時進而因蒸發液而影響鍍銅厚度分佈不均，析出硫酸銅晶體而影響機具的電氣特性，比如增加陽極與陽極桿之間接觸電阻值。

此外，習用技術中氧化銅的添加操作是先量測鍍液中的銅離子濃度，再加入適當量的氧化銅於鍍液中，不僅耗費人力，且很難維持製程條件的一致性，尤其無法達到高品質、高效率的自動化製作。

因此，很需要一種鍍銅系統，能依據電力消耗而自動估算出鍍液中損失的銅離子含量，進而釋放適當量的氧化銅粉末以補充銅源，並補充適量的添加劑(光澤劑)，藉以實現高品質自動化鍍銅製程，並解決上述習用技術的問題。

本發明之主要目的在提供一種鍍銅系統，包括水中導電陽極結構、外部電源、控制單元、主電鍍單元、氧化銅粉末儲存釋放單元以及氧化銅粉末攪拌溶解單元，其中水中導電陽極結構、主電鍍單元及外部電源依序串接而形成電氣回路，而水中導電陽極結構包括導電性容器、固定元件及浸泡液，外部電源依據輸出電力而產生用電輸出信號，控制單元依據用電輸出信號控制氧化銅粉末儲存釋放單元釋放氧化銅粉末，並經氧化銅粉末攪拌溶解單元而至主電鍍單元。因此，鍍液的銅離子是由氧化銅粉末儲存釋放單元所釋放的氧化銅粉末而獲得補充，且由控制單元依據外部 電源的用電輸出信號而控制，可藉以實現自動鍍銅添加功能。

主電鍍單元至少包括不溶性陽極、陰極、主電鍍槽、鍍液及攪拌裝置，其中鍍液包含硫酸、硫酸銅及光澤劑等，且鍍液是容置於主電鍍槽中，而不溶性陽極、陰極是浸泡於鍍液，攪拌裝置係攪拌鍍液溶解。水中導電陽極結構的浸泡液可為純水或去離子水，是容置於導電性容器內，並由固定元件將不溶性陽極固定至導電性容器，使得不溶性陽極可經水中導電陽極結構而電氣連結至外部電源的正極。

由於，主電鍍單元的陰極是電氣連接外部電源的負極，因此，當外部電源提供電力時，電流從外部電源經水中導電陽極結構而流到主電鍍單元的不溶性陽極，將鍍液中的水氧化而產生氧氣，同時鍍液中的銅離子被還原成金屬銅而在陰極上析出，進而電流由陰極流到外部電源以形成導通的電氣回路。

因此，鍍液中損失的銅離子是由氧化銅粉末儲存釋放單元所釋放的氧化銅粉末而獲得補充，且由控制單元依據外部電源的用電輸出信號而控制，可藉以實現自動鍍銅添加功能。

10‧‧‧水中導電陽極結構

11‧‧‧導電性容器

13‧‧‧固定元件

15‧‧‧浸泡液

30‧‧‧外部電源

40‧‧‧控制單元

50‧‧‧主電鍍單元

51‧‧‧不溶性陽極

53‧‧‧陰極

55‧‧‧主電鍍槽

57‧‧‧鍍液

59‧‧‧攪拌裝置

59a‧‧‧注氣機

59b‧‧‧注氣管

70‧‧‧氧化銅粉末儲存釋放單元

71‧‧‧氧化銅之儲存筒

73‧‧‧推進裝置

75‧‧‧氧化銅粉末

80‧‧‧氧化銅粉末攪拌溶解單元

81‧‧‧攪拌溶解槽

83‧‧‧攪拌棒

85‧‧‧攪拌液

B‧‧‧氣泡

D20、D21、D23、D25、D27、D40‧‧‧方向

I‧‧‧電流

P1‧‧‧幫浦

P2‧‧‧幫浦

T10‧‧‧光澤劑儲存筒

第一圖顯示本發明鍍銅系統的示意圖。

第二圖顯示本發明鍍銅系統中的水中導電陽極結構示意圖。

以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

參閱第一圖，本發明鍍銅系統的示意圖。如第一圖所示，本發明的鍍銅系統主要包括至少一水中導電陽極結構10、外部電源30、控制單元40、主電鍍單元50、氧化銅粉末儲 存釋放單元70以及氧化銅粉末攪拌溶解單元80，可用以實現自動添加銅源的功能，其中水中導電陽極結構10、外部電源30及主電鍍單元50依序串接而形成電氣回路，係用以實現鍍銅功能。

外部電源30係用以提供電力。

主電鍍單元50至少包括至少一不溶性陽極51、陰極53、主電鍍槽55、鍍液57及其攪拌裝置59，其中鍍液57是容置於主電鍍槽55內，且不溶性陽極51及陰極53是浸泡於鍍液57中，攪拌裝置59是用以攪拌鍍液57，改善主電鍍單元50的銅離子均勻度。

不溶性陽極51具有鉤狀前端，且可為銥鉭陽極、白金鈦陽極，也可由鈦、鈦鍍白金、鈦鍍鈍金/抗腐蝕金屬鈍化層、或抗腐蝕導電非金屬而構成，而該抗腐蝕導電非金屬係包括石墨。陰極53可當作被鍍件，比如印刷電路板的基板。鍍液57可包含氫離子及金屬離子，其中金屬離子係包括銅離子、鎳離子、鋅離子及鉻離子的至少其中之一。此外，鍍液57還可進一步包含光澤劑、添加劑。不溶性陽極51及陰極53是浸泡於鍍液57中。為獲得較均一性的電流分佈，以提高電鍍品質，可將該等不溶性陽極51對稱性配置於陰極53的二側，如圖中所示。然而，本發明的範圍係不受限於此，而是可涵蓋不溶性陽極51的其他配置方式。

攪拌裝置59可包括注氣機59a及注氣管59b，其中注氣機59a連接注氣管59b，且注氣管59b進一步穿設或配管連接於主電鍍槽55內，使得注氣機59a經由注氣管59b而將空氣注入鍍液57中以產生氣泡B，藉由氣泡B在鍍液57中上升產生擾動而攪拌鍍液57。要注意的是，本發明攪拌方式的範圍並不未受限於上述的實例，而是可涵蓋鍍液攪拌的其他方式，例如機械、溶液噴射式振動鍍件方式以進行攪拌。

主電鍍單元50的不溶性陽極51的一端經由相對應的水中導電陽極結構10而電氣連接至外部電源30的正極，主電鍍單元50的陰極53電氣連接至外部電源30的負極。控制單元40電氣連接至外部電源30，用以偵測外部電源30的輸出電力。

氧化銅粉末儲存釋放單元70包括氧化銅之儲存筒71、推進裝置73及氧化銅粉末75，而氧化銅粉末攪拌溶解單元80包括攪拌溶解槽81、攪拌棒83及攪拌液85，其中氧化銅粉末75是儲存於氧化銅之儲存筒71中，而攪拌液85是容置於攪拌溶解槽81，且氧化銅粉末75可藉控制閥門或機械開關(圖中未顯示)而由氧化銅之儲存筒71落入推進裝置73，並由可在D20上移動的推進裝置73將氧化銅粉末75輸送至攪拌溶解槽81內的攪拌液85中，如方向D21所示，同時，用攪拌棒83對攪拌液85進行攪拌。

此外，主電鍍單元50的鍍液57可由幫浦P1經管線及閥門而注入攪拌溶解槽81中的攪拌液85，如方向D23所示，而攪拌液85進一步以溢流方式經管線流出，如方向D25所示，並可與來自幫浦P1的鍍液57混合而注入主電鍍單元50的鍍液57，如方向D27所示。

具體而言，推進裝置73可用螺旋桿推進裝置或往復式(平移式)推進裝置而實現，藉以產生螺旋推力或水平推力，向前推動所需的氧化銅粉末75。例如，推進裝置73可為螺旋輸送器，或蝸輪。

本發明特徵在於由控制單元40依據外部電源30的輸出電力以控制推進裝置73，進而添加相當量的氧化銅粉末75至攪拌液85，並由幫浦P1將攪拌液85輸送至鍍液57，藉以添加氧化銅粉末75而達到補充銅源以及迴圈利用鍍液57的目的。

此外，本發明可進一步包括光澤劑儲存筒T10及幫浦P2， 其中光澤劑儲存筒T10係用以儲存光澤劑，並由幫浦P2將光澤劑輸送至鍍液57，如方向D40所示，藉以補充鍍液57中耗損的光澤劑，進而改善鍍銅操作的穩定性，可提高鍍銅的品質。由於鍍液57所需補充的光澤劑是與外部電源30的輸出電力有關，所以可如同控制氧化銅粉末75的方式，而由控制單元40依據外部電源30的輸出電力控制幫浦P2，進而能控制注入鍍液57的光澤劑量。

關於水中導電陽極結構10，如第二圖所示，本發明鍍銅系統中的水中導電陽極結構示意圖。水中導電陽極結構10包括導電性容器11、固定元件13及浸泡液15，其中導電性容器11及固定元件13可由銅、其他金屬或合金構成，而浸泡液15可為純水或自來水，是容置於導電性容器11內。固定元件13是安置在導電性容器10內，用以鎖固不溶性陽極51至導電性容器11，且部分的固定元件13及部分的不溶性陽極51的鉤狀前端是浸泡於浸泡液15中。

導電性容器11為具有凹槽長條狀或U型長條狀，且不溶性陽極51的鉤狀前端是鉤掛至導電性容器11的內側，而不溶性陽極51的尾部是浸泡於鍍液57中。此外，固定元件13也可附屬于不溶性陽極51或附屬于導電性容器11。固定元件13可由如第三圖所示的膨脹螺絲而實現，可產生迫緊力以提供迫緊功能，用以鎖固不溶性陽極51至導電性容器11。然而，本發明的固定元件13並不受限於此，亦即也可利用其他具有向外迫緊功能的元件而實現。例如，可利用螺絲配合斜面達成膨脹固定的目的。

具體而言，外部電源30的正極是經由電氣導電線而電氣連接至導電性容器11，且電氣導電線在終端的接線端子是由固定元件13而鎖固至導電性容器11。

浸泡液15本身為水所構成，所以熱容量相當大，而其主要作用是在於提供散熱、冷卻作用，可降低整體水中導電陽 極結構10的溫度，防止操作時發生過熱現象而影響電氣特性，而且在浸泡液15被配置成接觸到外部空氣時，可進一步藉蒸發作用而帶離一部分熱量，以強加散熱、冷卻效應。

外部電源30依據所輸出的電力乘以時間而產生用電輸出信號，亦即該用電輸出信號是表示用電量。控制單元40可依據下式中銅的還原反應，Cu²⁺+2 e^-→Cu

而從用電輸出信號(或用電量)推算出鍍液中銅離子的損失量，亦即2mole電子的電量可消耗1mole的銅離子，所以需要補充1mole的氧化銅粉末至鍍液57中。在實際應用操作上，可採用固定時間添加變動量的氧化銅粉末，或變動時間下添加固量的氧化銅粉末，亦即，控制單元40可在固定時間下，比如每隔10分鐘，依據用電量大小添加相對應數量的氧化銅粉末，或是在用電量達到預設值時，比如1庫倫電，添加相對量的氧化銅粉末。

由於水中導電陽極結構10的浸泡液13本身為水，所以熱容量相當大，可用於提供散熱、冷卻作用，降低整體水中導電陽極結構10的溫度，防止操作時發生過熱現象而影響電氣特性。此外，在浸泡液15是配置成接觸到外部空氣時，可進一步藉蒸發作用而帶離一部分熱量，達到強加散熱、冷卻的效應。

綜上所述，本發明鍍銅系統的整體操作可說明如下。

來自外部電源30之正極的電流I可經由水中導電陽極結構10而流向主電鍍單元50的不溶性陽極51，而不溶性陽極51可藉電流I所提供的電力，將鍍液57中的水氧化而產生氧氣，且鍍液57中的銅離子在陰極53被還原成金屬銅而析出，使得來自陰極53的電流I進一步流向外部電源30的負極，形成導通的電氣回路，圖式中的電流I係顯示電流的流向。外部電源30依據所輸出的電力產生用電輸出信 號，控制單元40接收用電輸出信號，並依據用電輸出信號以控制氧化銅粉末儲存釋放單元70而釋放相對應量的氧化銅粉末，且經由氧化銅粉末攪拌溶解單元的攪拌處理後傳輸至主電鍍單元50的鍍液57中，以補充所需的銅源。

因此，本發明的特點在於，由控制單元依據電鍍所消耗的電量大小，控制氧化銅粉末儲存釋放單元所釋放之氧化銅粉末的數量，並經氧化銅粉末攪拌溶解單元而輸送至主電鍍單元，進而實現自動化添加氧化銅以補充銅源的功能。此外，本發明可進一步由控制單元依據電鍍所消耗的電量大小，控制光澤劑的補充量，進而達到自動補充光澤劑的目的。

本發明的另一特點在於，利用水中導電陽極結構串接主電鍍單元及外部電源而形成電氣回路以實現電鍍銅製程，且水中導電陽極結構的浸泡液可防止被主電鍍槽中的氣泡帶出的鍍液附著而析出硫酸銅晶體，避免影響電氣特性。尤其是，水中導電陽極結構的浸泡液可提供散熱、冷卻作用，能有效改善電氣性能。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

10‧‧‧水中導電陽極結構

11‧‧‧導電性容器

13‧‧‧固定元件

15‧‧‧浸泡液

30‧‧‧外部電源

40‧‧‧控制單元

50‧‧‧主電鍍單元

51‧‧‧不溶性陽極

53‧‧‧陰極

55‧‧‧主電鍍槽

57‧‧‧鍍液

59‧‧‧攪拌裝置

59a‧‧‧注氣機

59b‧‧‧注氣管

70‧‧‧氧化銅粉末儲存釋放單元

71‧‧‧氧化銅之儲存筒

73‧‧‧推進裝置

75‧‧‧氧化銅粉末

80‧‧‧氧化銅粉末攪拌溶解單元

81‧‧‧攪拌溶解槽

83‧‧‧攪拌棒

85‧‧‧攪拌液

B‧‧‧氣泡

D20、D21、D23、D25、D27、D40‧‧‧方向

I‧‧‧電流

P1‧‧‧幫浦

P2‧‧‧幫浦

T10‧‧‧光澤劑儲存筒

Claims (7)

1. 一種鍍銅系統，包括：一外部電源，用以提供電力，並依據所提供的電力而產生並輸出一用電輸出信號；一主電鍍單元，包括至少一不溶性陽極、一陰極、一主電鍍槽、一鍍液及一攪拌裝置，其中每個不溶性陽極具有鉤狀前端，該鍍液是容置於該主電鍍槽內，且該鍍液至少包含氫離子及金屬離子，該金屬離子係包括銅離子以及鎳離子、鋅離子及鉻離子的至少其中之一，而該不溶性陽極及該陰極是浸泡於該鍍液中，該攪拌裝置係用以攪拌該鍍液；至少一水中導電陽極結構，包括一導電性容器、至少一固定元件以及一浸泡液，其中該導電性容器及該固定元件具電器導電性，且每個導電性容器為凹槽狀，係用以容置該浸泡液，且該浸泡液為純水或自來水，該不溶性陽極的鉤狀前端是鉤掛至該導電性容器的內側，並藉該固定元件鎖固該不溶性陽極至該導電性容器，部分的該固定元件及部分的該不溶性陽極的鉤狀前端是浸泡於該浸泡液中；一氧化銅粉末儲存釋放單元，係用以儲存及釋放氧化銅粉末；一氧化銅粉末攪拌溶解單元，係用以接收來自該氧化銅粉末儲存釋放單元的該氧化銅粉末，並混合來自該主電鍍單元的鍍液，經攪拌溶解以行程含銅離的溶液；以及一控制單元，接收該外部電源所輸出的用電輸出信號，並依據該用電輸出信號以控制該氧化銅粉末儲存釋放單元而釋放該氧化銅粉末至該主電鍍單元中，以當作銅源，其中該外部電源的一正極係經由電氣導電線而電氣連接至該導電性容器，且該電氣導電線在終端的接線端子是由該固定元件而鎖固至該導電性容器，該主電鍍單元的陰極電氣連接該外部電源的一負極，以使得該外部電源提供電力時，該主電鍍單元將該鍍 液中的銅離子還原成金屬銅而在該陰極上析出。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之鍍銅系統，其中該導電性容器及該固定元件是由導電材料構成，包括銅、銅合金或其他導電性金屬。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之鍍銅系統，其中該固定元件是由膨脹螺絲或螺絲配合斜面達成膨脹固定的目的而實現。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之鍍銅系統，其中該不溶性陽極是由鈦、鈦鍍白金、鈦鍍鈍金屬/抗腐蝕金屬鈍化層、或抗腐蝕導電非金屬而構成，而該抗腐蝕導電非金屬係包括石墨。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之鍍銅系統，其中該氧化銅粉末儲存釋放單元包括一氧化銅之儲存筒及一推進裝置，而該氧化銅粉末攪拌溶解單元包括一攪拌溶解槽、一攪拌棒及一攪拌液，且該氧化銅之儲存筒儲存氧化銅粉末，該攪拌溶解槽係容置來自該主電鍍單元的鍍液，該氧化銅粉末係藉一控制閥門或一機械開關而由該氧化銅之儲存筒落入該推進裝置，並由該推進裝置將該氧化銅粉末輸送至該攪拌溶解槽所容置的該鍍液，該攪拌棒對該攪拌液進行攪拌以形成包含該氧化銅溶液的該攪拌液。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之鍍銅系統，進一步包括一光澤劑儲存筒以及一幫浦，其中該光澤劑儲存筒儲存光澤劑，並由該幫浦將該光澤劑輸送至該主電鍍單元的鍍液，以補充耗損的光澤劑，且該光澤劑儲存筒是由該控制單元依據該外部電源的輸出電力以控制該幫浦，進而控制注入該鍍液的光澤劑。
7. 依據申請專利範圍第5項所述之鍍銅系統，其中該推進裝置為螺旋輸送器，或蝸輪。