新型印刷线路板蚀刻液添加剂的研究
指导教师:张大三
学生姓名:李小四
班级:02精细化工
新型印刷线路板蚀刻液添加剂的研究
精细化工班
(深圳职业技术学院)
摘要研究了新型印刷线路板蚀刻液的工艺条件,获得了重要的实验参数,可应用于实际生产控制。对工业品蚀刻液的添加剂进行了定性分析,实验配制了新型蚀刻液添加剂B,与工业品做对照性实验表明,加入添加剂B的体系蚀刻速度较快。关键词印刷线路板蚀刻液添加剂工艺条件配方
1前言
印刷线路板(Printed Circuit Board),简称为PCB,它是在绝缘基板上,有选择性的加工和制造出导电图形的组装板。PCB是电子工业的重要的电子部件。几乎每一种电子设备,小到电子表、计算器,大到每秒钟运行亿万次的巨型电子计算机、通讯电子设备以及宇宙飞行器,只要有集成路等电子元器件,它们之间电气互连,都离不开PCB。可以说在一切电子产品特别是智能化电子产品的研制过程中,最基本的成功因素是该产品的PCB设计、元件编制和制造技术。
PCB一般以敷铜板为基料。敷铜板是以铜箔覆在绝缘板之上的一种电工材料。敷铜板的种类有很多,按绝缘材料分,有纸基板、玻璃布基板和合成纤维板三种;按粘接剂树脂来分,有酚醛、环氧、聚脂,聚四氟乙烯等;按结构来分,有单面印刷板、双面印刷板、多层印刷板和软板[1]。
用蚀刻法制作印刷线路板,即在敷铜板上涂覆线路图保护膜,然后用化学方法即蚀刻法,将无保护膜的铜箔腐蚀掉[1],蚀刻后剩下的线路就组成成型的线路板。蚀刻是印刷线路板制造过程相当关键的一道工序,它直接影响到印刷线路板的精密度及线路的宽窄程度等。近年来电子工业迅猛发展, 电子技术向着更精、更细、更小的趋势进步,对作为基础的印刷线路板生产提出了更高的要求。线路板上导电线条越来越细,线与线间距越来越小,精密度要求越来越高。再加上环保因素要求,对蚀刻液的要求也越来越高,传统的蚀刻液已不能完全满足实际生产[2]。
传统的线路板蚀刻液有酸性的(HCl-H2O2),碱性的(NH3-NH4Cl),以及古老的(HCl+FeCl3)蚀刻液几种体系,其配方、特点分述如下:
酸性H2SO4-H2O2蚀刻液,见表1
表1酸性H2SO4-H2O2蚀刻液体系[1]
碱性的NH3-NH4Cl蚀刻液,见表2
表2碱性的NH3-NH4Cl蚀刻液体系[1]
HCl+FeCl3蚀刻液,见表3
表3 HCl+FeCl3蚀刻液体系[1]
以上这些蚀刻液体系都存在着各自的缺点,为适应技术进步,蚀刻液的性能亟待改进。为改善蚀刻液的性能,使印刷线路板达到更好的蚀刻效果,最近发展起来的采用以氯化铜和盐酸为主的蚀刻体系,它具有以下的优点:
(1) 性能优越,蚀刻速度快,侧蚀小,蚀刻质量稳定,溶铜量大,大大降低蚀刻成本;
(2) 制成的线路板精度高;
(3) 使用简便,操作简单,成本低廉;
(4) 蚀刻液可循环使用,符合环保要求。
蚀刻液使用时需加入一定量的添加剂,添加剂主要是以氯酸钠为主体的一种酸性蚀刻液添加剂。新型的蚀刻液添加剂加入量少就能起到加快蚀刻速度的作用。
新型印刷线路板蚀刻液是一种新发展起来的蚀刻液,实际生产中对它的工艺条件,影响因素研究极少,它的使用和推广还处于发展阶段。因此本论文旨在分析研究蚀刻体系各成分及工艺条件等,以便指导工业生产。
本实验计划进行以下工作:
(1) 配制一种新型无色无味、无毒、无污染的环保型蚀刻液添加剂;不同于传统的蚀刻液,其添加使用简便,操作简单,含铜蚀刻液可循环使用。蚀刻速度快,平稳,侧蚀小,蚀刻质量稳定,溶铜量大,可大大降低蚀刻成本。
(2) 取市场的最新技术产品使用多种仪器设备做分析检测,作为配方依据,配制新型蚀刻液,并与工业品做对照性实验。
(3) 探索蚀刻液的工艺条件,找出最佳添加剂使用量,为实际生产提供指导。2实验部分
2.1 实验试剂和仪器
试剂:添加剂原液工业品深圳市九井电子有限公司提供硝酸银分析纯广州化学试剂二厂
碘化钾分析纯广州化学试剂二厂
硫代硫酸钠分析纯广州化学试剂二厂
碳酸钠分析纯广州东红化工厂
硫化钠分析纯上海振欣试剂厂
氢氧化钠分析纯上海振欣试剂厂
酒精分析纯广州东红化工厂
氯化铵分析纯广州化学试剂二厂
盐酸分析纯广州东红化工厂
CuCl2。2H2O(氯化铜) 分析纯上海振欣试剂厂
氯酸钠分析纯天津市福景化学试剂厂
氯化钠分析纯广州化学试剂二厂
仪器:
电热数字显示恒温水浴锅水温波动10C 上海浦东跃欣科学仪器厂
101A-3型数显电热鼓风干燥箱灵敏度±10C 上海浦东跃欣科学仪器厂
原子吸收光谱仪型号Z—5000 Hitachi High-technologies corporation
2.2实验方法介绍
a.工艺条件测试:
板材准备:把敷铜板裁成若干块,每一块敷铜板的标准规格是6.0 cm×2.5cm,其含铜量为0.5g;蚀刻前先用95%的酒精清洗敷铜板的表面,然后用滤纸擦干,待用。
蚀刻过程:在150ml烧杯中按比例配好蚀刻液,恒定蚀刻液体积在100ml。置于45±0.20C的水浴锅中,恒温后,将处理过的敷铜板放入蚀刻液中,同时按秒表计时,观察蚀刻情况,等敷铜板完全蚀刻好时,按停秒表记录时间。每次实验中,敷铜板的规格、水浴锅的温度、按比例配制的蚀刻液总体积等条件都保持一致。
b.分析检测酸性蚀刻液添加剂
对工业品添加剂原液做理化指标的检测
c.Cl-含量测定:莫尔法滴定分析
3 结果与讨论[3]
本实验是简单模拟工业生产的工艺程序进行的
实验过程:
选材制板蚀刻液蚀刻水洗干燥制成线路板
蚀刻原理[4]在Cu2+ 的蚀刻溶液中,Cu2+把Cu氧化为Cu+后,蚀刻液添加剂中的氧化剂氯酸钠又把Cu+氧化为Cu2+,使蚀刻液可循环使用。在体系中,氯酸钠不断被消耗,需要补充。
Cu2+ + Cu→2Cu+
6Cu+ + ClO3 + 6H+→6Cu2+ + 3H2O + Cl-
可能的副反应:ClO-3+6H+ +5Cl-→3Cl2↑+3H2O
4ClO-3+ 4H+→ 2Cl2 ↑+5O2↑ + 2H2O
影响印刷线路板蚀刻液的工艺条件主要是温度,氯化铜含量,盐酸含量,添加剂用量,本论文对这几个工艺条件进行了研究测定。
3.1印刷线路板蚀刻液添加剂的工作条件探索
如果蚀刻体系温度太高,会产生大量的Cl2、O2等气体,污染环境;如果温度太低,蚀刻速度会减慢,溶铜量少,因此需要将蚀刻温度控制在45±0.20C之间。
3.1.1铜含量对蚀刻速度的影响
蚀刻体系加入盐酸的含量为5ml/100ml,添加剂为2ml/100ml,改变CuCl2。2H2O 的含量,测定蚀刻速度,其结果见图1所示。
图1 蚀刻液中CuCl2。2H2O的含量对蚀刻速度的影响由图1可知,随着CuCl2。2H2O含量的逐渐增加,蚀刻速度也随着逐渐加快,当CuCl2。2H2O的含量在18-22g/100ml范围内,蚀刻所用时间非常的接近。在这一较宽的铜浓度范围内,蚀刻速度将保持平稳。结合实际生产,工艺的稳定性对工业生产非常重要,所以我们认为,在100ml蚀刻体系中以18-22g/100mlCuCl2。2H2O 的用量为最佳使用量范围。
3.1.2盐酸含量对蚀刻速度的影响
蚀刻体系加入CuCl2。2H2O的含量为18g/100ml,添加剂为10ml/100ml,只改变盐酸的含量,测定蚀刻速度,其结果见图2所示。
图2 盐酸的含量对蚀刻速度的影响
由图2可知,当盐酸的含量小于或等于15ml/100ml时,随着盐酸用量的逐渐增加,蚀刻速度逐渐加快,而当盐酸的含量为17ml/100ml时,蚀刻速度反而变慢了,因此可以看出盐酸的含量为15ml/100ml时为最佳用量。
3.1.3添加剂的用量对蚀刻速度的影响’
蚀刻体系加入CuCl2。2H2O的含量为18g/100ml,盐酸的含量为15ml/100ml,改变添加剂的用量,测定蚀刻速度,结果见图3所示。
由图3可知,随着添加剂用量逐渐增加,蚀刻速度也逐渐加快,而当添加剂用量超过 1.5ml/100ml时,随着添加剂用量的增加,蚀刻速度的变化非常微小,但在蚀刻体系中,加入过多的添加剂会导致蚀刻体系产生Cl2或其它气体,大量浪费添加剂,敷铜板表面出现大量气泡,对蚀刻过程造成不利影响,产品质量劣化并
且污染环境。所以选择添加剂用量为1.5ml/100ml作为最佳使用量。
图3 添加剂的用量对蚀刻速度的影响
小结:由 3.1.1,3.1.2,3.1.3的测试结果可确定,新型蚀刻液的最佳工艺条件为:
CuCl2。2H2O的含量:18—22g/100ml ,即180—220g/L;
盐酸的含量:15ml/1O0ml;即150ml/L;
添加剂的用量:1.5ml/1O0ml,即15ml/L。
3.2定性分析蚀刻液添加剂
a.工业品添加剂原液理化指标
添加剂的外观为无色无味透明的液体;
添加剂原液pH值为中性;
添加剂原液的固含量为64%;
灼烧实验分析其成份都为无机物。
b.熔点定性测试[5]
用结晶法可以从添加剂中分离出固体物质,加热蒸发溶液能得到两种不同形状的晶体结晶;把添加剂溶液先稍加浓缩,再于冰箱中冷冻结晶能得到一种形状
非常规则的晶体。将此规则的晶体进行熔点测试,结果如表4所示。
表4晶体熔点测试结果
对照标准品熔点范围,可确定所测物质是氯酸钠。
C..Cl-含量测定
用莫尔法滴定1ml添加剂测得Cl-的含量为3.4mol/L,即1ml添加剂中含NaCl 为0.2g。
d.离子鉴定[6]
取少量添加剂原液蒸干,得到的固体加入无水乙醇溶解,过滤,取乙醇溶液(标为处理液)进行离子鉴定。
取少量添加剂原液,直接做离子鉴定。
处理液和原液通过以下几种化学试剂进行离子鉴定,记录现象,归纳为表5。
表5 添加剂分析检测所得现象
为进一步定性测定以上怀疑离子,我们选用了原子吸收光谱仪对怀疑离子进行分析检测,测得含有Fe3+,Pb2+两种离子,含量分别为2.5ug/ml 和0.37ug/ml;
3.3添加剂的研制及其与工业品的对照性实验
3.3.1添加剂的配制
根据上述分析得出的基本配方,制备了三个样品,如表6所示。
取CuCl2。2H2O 18g,盐酸15ml配制成总体积100ml的蚀刻液母液。分别将制
得的添加剂样品1.5ml加入到蚀刻液中,测定蚀刻速度。
表6三个样品的配方及结论
由表6可知,配方B蚀刻效果最好。
3.3.2研制品添加剂和工业品添加剂的对照性实验
采用的实验条件如 3.3.1中工艺条件一致,分别取添加剂1.5ml加入到总体积为100ml的蚀刻液体系中。将研制品B和工业品做对照性实验,见表7。
表7研制品和工业品的对照性实验
对照实验表明,加入研制品添加剂的蚀刻液的蚀刻速度比加入工业品添加剂的蚀刻液的蚀刻速度快。
4结论
(1)经过实验研究了新型印刷线路板蚀刻液的工艺条件,最终得出最佳的工艺条件如下:
CuCl2。2H2O含量:180—220g/L;
盐酸含量:150ml/L;
添加剂用量:15ml/L。
这一结论可作为电子行业中新型CuCl2-HCl线路板蚀刻液的工艺设计参数,有一定的应用价值。
(2)定性实验测得新型线路板蚀刻液添加剂中主要含有的化学成分是:氯酸钠,氯化钠及微量的铁离子、铅离子等,添加剂中还有其他微量成分,现在实验
室的条件暂时无法测定,希望以后能把其他成分完整的分析出来。
(3)配制了新型蚀刻液的添加剂,与工业品初步对照实验表明加入研制品添加剂的蚀刻液,其蚀刻速度比加入工业品添加剂的蚀刻液的蚀刻速度快。
5致谢
感谢深圳市九井电子有限公司为本论文提供主要的实验原料及提供实验技术支持。
本论文是在林雪春老师的悉心指导下完成的,在此衷心地感谢。
最后感谢深圳职业技术学院精细化工与材料系的领导和老师对我的支持与帮助。
6 参考文献
[1] 任致程,印刷线路板的制作及应用,兵器工业出版社,1993
[2] 冯辉,继电器,2001,6
[3] 马维绪,马玉英,科技论文写作,煤炭工业出版社,1999
[4] https://www.wendangku.net/doc/161831104.html,/book/gerber5.htm
[5]https://www.wendangku.net/doc/161831104.html,/InfoCenter/Pagelet/PageShow.ASP?CnnStr=che m&Where=RID:251
[6] 倪静安,无机及分析化学,化学工业出版社,2001
The new-type etch for PCB the research
of the liquid additive
Chen weiqi
(Shenzhen Polytechnic)
Abstract Have studied the process conditions of etching the liquid of the new-type printed substrate . Have obtained the important experiment parameter, can apply to actual production control .Etch to industrial products additive of liquid carry on qualitative analysis, it is new-type to etch additive B of liquid for experiment to compound.Make with industrial products person who contrast experiment indicate that the systerm what enter additive B etch more quickly .
Keywords Printed Circuit Board etch the liquid additive process conditions Fill a prescription