JP5711856B2 - 銅の電解エッチングを行うエッチング装置 - Google Patents

銅の電解エッチングを行うエッチング装置 Download PDF

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Description

本発明は、印刷回路や回路基板などのエッチング材料上の銅を電解エッチングする、エッチング装置に関する。
印刷回路または印刷回路基板上の銅を電解エッチングするために、銅含有エッチング流体を使用することができる。そのような場合、エッチング流体は、例えば、塩化銅（II）を含有し、回路または回路基板上の銅と接触することにより塩化銅（I）に還元される。この反応生成物が銅を攻撃することはほとんどないが、エッチング流体を再利用する場合には、塩化銅（II）に再生される必要がある。そのような再生は、塩酸及び過酸化水素を使用して行われ、塩素ガスが得られる。あるいは、銅のエッチングは、硫酸電解液により行うこともできる。この場合には、硫酸銅（II）を硫酸に溶解する。エッチング処理される銅との反応後に硫酸銅（II）還元されて、硫酸銅（I）になる。過酸化水素の添加により、硫酸銅（II）を再生することが可能であり、再生されたエッチング流体を再度エッチング材料に供給することができる。
しかし、酸性溶液中では銅は過酸化水素に対して触媒的に働き、過酸化水素を分解するので、過酸化水素が比較的多量に消費され、上記のようなエッチング方法を実際に行うのは難しいことが見出された。さらに、熱の放出が高く、エネルギー集約型の冷却が必要となる。
電解液中の銅（I）イオンの酸化剤として、過酸化水素ではなく、オゾンガスを使用する方法もある。二価の銅は、硫酸電解液中でエッチング処理される銅と下記の式に示すように反応し、硫酸銅（I）を生成する。
Ｃｕ＋ＣｕＳＯ４→Ｃｕ２ＳＯ４
得られた硫酸銅（I）は、その後、下記の式に示すように硫酸とオゾンガスにより酸化されて、硫酸銅（II）に戻る。
Ｃｕ２ＳＯ４＋Ｈ２ＳＯ４＋Ｏ３→２ＣｕＳＯ４＋Ｈ２Ｏ＋Ｏ２
この反応では熱はほとんど発生しないので、冷却に消費されるエネルギーはほとんど不要である。さらに、塩素ガスが形成されるのではなく、酸素が形成されるので、エッチング装置が損傷される可能性も低い。
この方法に使用されるエッチング装置も知られているが、印刷回路または回路基板上の導体トラックの小型化に対する需要が高まるにつれて、長時間の連続的なエッチング工程により、導体トラック間の狭いスペースによりはっきりと境界を形成することが困難であることが分かってきた。
したがって、本発明の目的は、少量のエッチング流体を使用して、大量の銅を連続的にエッチングすることができ、かつ急峻度の高い側面を有する導体トラックの細く、鋭い輪郭を成形することができる、エッチング装置を提供することである。
上記の課題は独立請求項１の対象により達成される。各従属請求項の主題は、本発明の有利な実施形態である。
エッチング材料上の銅を電解エッチングする本発明のエッチング装置は、下記のものを有する。
・銅イオンを含有する酸性電解液及び酸素ガスまたはオゾンガスを収容し、第一の気液混合物を作成するための第一混合装置。該第一混合装置は、第一出口を有し、該第一の気液混合物は該第一出口から、該第一出口に連結されている接続管路へ送り出される。
・容器内溶液を収容する容器。
・該容器内に配置され、該容器内溶液に浸かっている第二混合装置。第二混合装置は、吸引口を有し、吸引口付近に存在する容器内溶液を吸引する。第二混合装置は、上記接続管路に接続されると共に狭窄区域を有し、接続管路からの第一の気液混合物と吸引口からの容器内溶液を該狭窄区域に送り出して、吸引された容器内溶液を第一の気液混合物と混合して第二の気液混合物を作成する。第二混合装置は、第二出口を有し、第二の気液混合物は該第二出口から流出して、第二出口付近に存在する容器内溶液と混合される。
・容器出口管路。容器出口管路は、管路内に存在する容器内溶液を、エッチングモジュール内のエッチング材料に供給する。
本発明者は、銅（I）イオン及び銅（II）イオンを含有する酸性電解液を、酸素ガス、オゾンガスまたは酸素／オゾン混合ガスに混合することは単純なことではないことを見出した。理論的には銅（I）イオンの銅（II）イオンへの酸化が起こるが、従来のエッチング装置では、二価の銅の量は、電解液の循環を繰り返すにつれて減少する。したがって、電解液のエッチング作用は著しく低下し、十分なエッチングができなくなる。このことが、本発明の出発点である。すなわち、本発明のエッチング装置では、酸性電解液を酸素ガスまたはオゾンガスに供給し、激しく混合することにより、酸素ガスまたはオゾンガスの微小気泡を高濃度に形成する。これにより、電解液中で大量の銅（I）イオンが酸化され、銅（II）イオンに戻る、という効果が得られる。しかも、この効果は本エッチング装置を１回運転するだけで達成される。したがって、第一に、電解液の再生を効率よく達成することができる。第二に、連続的に高濃度の銅（II）イオンを保持するエッチング装置では、銅導体トラック間の非常に狭い凹部であっても、迅速かつ急峻な輪郭を与えるエッチングが可能である。
銅イオンを含有する酸性電解液及び酸素ガスまたはオゾンガスを収容する第一混合装置により、最初に該気体が該電解液に混合され、第一の気液混合物を形成する。これにより、銅（I）イオンと酸素またはオゾンガスとの最初の接触が起こり、銅（I）イオンの一部がこの初期段階において酸化される。
本発明のエッチング装置では、十分な量の一価の銅を酸化するために、第一混合装置は、接続管路により連結された第二混合装置に第一の気液混合物を供給する。第二混合装置は、溶液が入った容器内に配置され、容器内の溶液に浸かっている。第二混合装置は吸引口を有し、該吸引口付近に存在する容器内溶液を吸引する。本発明における第二混合装置は、第一の気液混合物と吸引した容器内溶液を狭窄区域に送り出すようになっており、そこで吸引した容器内溶液を第一の気液混合物と激しく接触させて、両者を混合し、第二の気液混合物を形成する。
第二の気液混合物は、第二の気液混合物のために構想された出口から第二混合装置を出て行く。狭窄区域を通過した第二の気液混合物は、減圧されてベルヌーイ方程式に従う高速で第二混合装置から飛び出す。そのため、出口付近に存在する容器内溶液の一部を取り込み、第二の気液混合物は該容器内溶液と混合される。容器内溶液は銅イオンを含有する酸性電解液である。第二混合装置の狭窄区域と第二混合装置の出口付近での減圧とにより、電解液と気体とは再び激しく混合され、多数の微小気泡を形成する。この微小気泡により、大量の銅（I）イオンが酸性電解液により酸化されて、銅（II）イオンが得られる。
このように作成され、銅（II）イオンで富化された気液混合物は、次いで容器出口管路から流出し、エッチングされる物質に供給される。
第一混合装置はベンチュリノズルであることが好ましく、液体ジェットガス圧縮機であることがより好ましい。そのようなノズルまたは圧縮機の場合、電解液を動力流として、酸素ガスまたはオゾンガスを吸引流として供給することができ、維持に余り手の掛からない混合機を使用できるなど、可動部なしであっても激しい混合が可能である。ベンチュリノズルまたは液体ジェットガス圧縮機は、比較的安価な、市販の部品をさらに有してもよい。
本発明の一実施形態では、第二混合装置は容器の下半分の位置に配置され、容器出口管路は第二混合装置よりも高い位置に配置される。これによって、第二の気液混合物と第二混合装置の出口付近に存在する容器内溶液との混合物が第二混合装置の吸引口より再度吸引され、第二混合装置内で再度混合されるという効果が達成される。この操作を複数回繰り返す場合には、流体をかなり激しく、長時間にわたって混合でき、酸素ガスまたはオゾンガスの微小気泡をさらに形成することができる。最終的に気体の比較的少量部のみが容器出口管路に達し、混合物をエッチングされる物質に供給する。
容器出口管路と第二混合装置との間の距離は、少なくとも１ｍ以上あることが好ましい。その結果、第二混合装置を介して容器内溶液を確実に複数回循環させることができる。より好ましくは、容器は、容器内溶液を少なくとも４００リットル収容できるように、少なくとも１．５ｍ以上の高さを有する。その結果、容器内溶液は繰り返し第二混合装置内を流れ、少なくとも２分間は容器内を循環し、多数の微小気泡を作成する。
他の実施形態では、第一混合装置は、１分間当たり少なくとも１００リットルの酸性電解液と１分間当たり少なくとも５０リットルの酸素ガスまたはオゾンガスを収容することができる。したがって、通常の大きさの回路基板及びエッチングモジュールであれば、該装置内に形成された多量の銅（I）イオンを１回の循環で酸化し、銅（II）イオンに戻すことができる。
本発明の利点及び特徴を下記の図面を参照しながらさらに説明する。
本発明のエッチング装置の一実施形態を示す概略図である。 図１に記載のエッチング装置の容器内の流動状態を示す概略図である。
図１は、本発明の好ましい実施形態によるエッチング装置１００を非常に簡略化した形で示す、概略図である。エッチング装置１００は、銅イオンを含有する酸性電解液３を受け取る第一入口２を有する。酸素ガス、オゾンガスまたは酸素／オゾン混合ガスである気体５が、第二入口４から第一混合装置１に送り込まれ、電解液３と混合される。この混合操作の結果得られた第一の気液混合物６は、第一出口７から第一混合装置１を出て行く。
第一の気液混合物６は、接続管路８を通過し、容器１１内に配置された第二混合装置１０に送られる。該容器には、銅イオンを有する酸性電解液である、容器内溶液１２が充填されている。第二混合装置１０は、少なくとも１つの吸引口１３を有する。この吸引口１３を介して、該吸引口付近の容器内溶液１４を吸引することができる。第二混合装置１０は、流れ断面を狭くする区域１５を有するため、第一の気液混合物６と容器内溶液１４とが十分に混合され、第二の気液混合物１６が形成される。第二の気液混合物１６は、第二混合装置１０の第二出口１７から高速で出て行く。これにより、第二出口１７付近に存在する容器内溶液１８を取り込み、該溶液と混合される。
図２は、第二の気液混合物１６と第二出口１７の周りに存在する容器内溶液１８との間の混合操作を、非常に簡略化した形で示す概略図である。矢印は、容器内溶液の大部分が第二混合装置１０の吸引口１３に向かって数回流れることを示しており、それによって、接続管路８から流入する第一の気液混合物６と混合される。その結果、大量の微小気泡が容器内溶液１２内に分配される。このように激しく混合され、微小気泡を伴う容器内溶液１２の比較的少量部のみが、容器の縁に沿って上方に流れ、第二混合装置１０よりも高い位置に配置された容器出口管路１９に達する。
図１から明らかなように、容器出口管路１９は、気液混合物をエッチングモジュール３０に送り出し、そこで回路基板３１などのエッチング材料がエッチングされる。エッチングでは、銅（II）イオンが銅（I）イオンに還元される。エッチングモジュール３０内に存在する銅（I）イオン及び銅（II）イオンを含有する溶液は、その後ポンプ３３により戻り管路３２に送り込まれ、第一混合装置１に供給されて、混合操作とエッチング液の再生が、再び開始される。
１ 第一混合装置
２ 第一入口
３ 電解液
４ 第二入口
５ 酸素ガスまたはオゾンガス
６ 第一の気液混合物
７ 第一出口
８ 接続管路
１０ 第二混合装置
１１ 容器
１２ 容器内溶液
１３ 吸引口
１４ 吸引口付近の容器内溶液
１５ 狭窄区域
１６ 第二の気液混合物
１７ 第二出口
１８ 出口付近の容器内溶液
１９ 容器出口管路
３０ エッチングモジュール
３１ 回路基板
３２ 戻り管路
３３ ポンプ
１００ エッチング装置

Claims (6)

  1. エッチング材料上の銅を電解エッチングするためのエッチング装置であって、
    銅イオンを含有する酸性電解液及び酸素ガスまたはオゾンガスを収容し、第一の気液混合物を作成するための第一混合装置、該第一混合装置は、第一出口を有し、該第一の気液混合物は該第一出口から、該第一出口に連結されている接続管路へ送り出される、
    容器内溶液を収容する容器、
    該容器内に配置され、該容器内溶液に浸かっている第二混合装置、該第二混合装置は、吸引口を有し、吸引口付近に存在する容器内溶液を吸引し、第二混合装置は、上記接続管路に接続されると共に狭窄区域を有し、接続管路からの第一の気液混合物と吸引口からの容器内溶液を該狭窄区域に送り出して、吸引された容器内溶液を第一の気液混合物と混合して第二の気液混合物を作成し、第二混合装置は、第二出口を有し、第二の気液混合物は該第二出口から流出して、第二出口付近に存在する容器内溶液と混合される、及び
    容器出口管路は、該管路内に存在する容器内溶液を、エッチングモジュール内のエッチング材料に供給する、を有するエッチング装置。
  2. 第一混合装置がベンチュリノズルまたは液体ジェットガス圧縮機であることを特徴とする、請求項１に記載のエッチング装置。
  3. 第二混合装置は容器の下半分の位置に配置され、容器出口管路は第二混合装置よりも高い位置に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載のエッチング装置。
  4. 容器出口管路と第二混合装置との間の距離が少なくとも１ｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のエッチング装置。
  5. 該容器が、少なくとも１．５ｍ以上の高さを有し、容器内溶液を少なくとも４００リットル収容できることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のエッチング装置。
  6. 該第一混合装置が、１分間当たり少なくとも１００リットルの酸性電解液と１分間当たり少なくとも５０リットルの酸素ガスまたはオゾンガスを収容できることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のエッチング装置。
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