PCB线路板蚀刻液
发布日期:2015-08-20

三氯化铁蚀刻液

在印制电路、电子和金属精饰等工业中广泛采用三氯化铁蚀刻铜、铜合金及铁、锌、铝等。这时由于它的工艺稳定,操作方便,价格便宜。但是,近些年来,由于它再生困难,污染严重,废液处理困难等而正在被淘汰。因此,这里只简单地介绍。

三氯化铁蚀刻液适用于网印抗蚀印料、液体感光胶、干膜、金等抗蚀层的印制板的蚀刻。但不适用于镍、锡、锡-铅合金等抗蚀层。
                                                   

 

1.蚀刻时的主要化学反应

三氯化铁蚀刻液对铜箔的蚀刻是一个氧化-还原过程。在铜表面Fe3+使铜氧化成氯化亚铜。同时Fe3+被还原成Fe2+FeCl3Cu →FeCl2+CuCl

CuCl具有还原性,可以和FeCl3进一步发生反应生成氯化铜。

FeCl3+CuCl →FeCl2+CuCl2

Cu2+具有氧化性,与铜发生氧化反应:

CuCl2+Cu →2CuCl

所以,FeCl3蚀刻液对Cu的蚀刻时靠Fe3+和Cu2+共同完成的。其中Fe3+的蚀刻速率快,蚀刻质量好;而Cu2+的蚀刻速率慢,蚀刻质量差。新配制的蚀刻液中只有Fe3+,所以蚀刻速率较快。但是随着蚀刻反应的进行,Fe3+不断消耗,而Cu2+不断增加。当Fe3+消耗掉35%时,Cu2+已增加到相当大的浓度,这时Fe3+和Cu2+对Cu的蚀刻量几乎相等;当Fe3+消耗掉50%时,Cu2+的蚀刻作用由次要地位而跃居主要地位,此时蚀刻速率慢,即应考虑蚀刻液的更新。

在实际生产中,表示蚀刻液的活度不是用Fe3+的消耗量来度量,而是用蚀刻液中的含铜量(g/l)来度量。因为在蚀刻铜的过程中,最初蚀刻时间是相对恒定的。然而,随着Fe3+的消耗,溶液中含铜量不断增长。当溶铜量达到60g/l时,蚀刻时间就会延长,当蚀刻液中的Fe3+消耗40%时,溶铜量达到82.40g/1时,蚀刻时间便急剧上升,表明此时的蚀刻液不能再继续使用,应考虑蚀刻液的再生或更新。

一般工厂很少分析和测定蚀刻液中的含铜量,多以蚀刻时间和蚀刻质量来确定蚀刻液的再生与更新。经验数据为,采用动态蚀刻,温度为500C左右,铜箔厚度为50μm,蚀刻时间5分钟左右最理想,8分钟左右仍可使用,若超过10分钟,侧蚀严重,蚀刻质量变差,应考虑蚀刻液的再生或更新。

蚀刻铜箔的同时,还伴有一些副反应,就是CuCl2和FeCl3的水解反应:

FeCl3+3H2O →Fe(OH)3↓+3HCl

CuCl2+2H2O →Cu(OH)2↓+2HCl

生成的氢氧化物很不稳定,受热后易分解:

2Fe(OH)3 →Fe2O3↓+3H2O

Cu(OH)2 →CuO↓+H2O

结果生成了红色的氧化铁和黑色的氧化铜微粒,悬浮于蚀刻液中,对抗蚀层有一定的破坏作用。

2. 影响蚀刻速率的因素

>Fe3+的浓度和蚀刻液的温度

蚀刻液温度越高,蚀刻速率越快,温度的选择应以不损坏抗蚀层为原则,一般以40~50℃为宜。

Fe3+的浓度对蚀刻速率有很大的影响。蚀刻液中Fe3+浓度逐渐增加,对铜的蚀刻速率相应加快。当所含Fe3+超过某一浓度时,由于溶液粘度增加,蚀刻速率反而有所降低。一般蚀刻涂覆网印抗蚀印料、干膜的印制板,浓度可控制在350Be左右;蚀刻涂覆液体光致抗蚀剂(如骨胶、聚乙烯醇等)的印制板,浓度则要控制在420Be以上。其重量百分比浓度和比重的关系见表10-5:

表10-5 三氯化铁溶液的组成

 
低浓度
最佳浓度
高浓度

浓度(g/l)

365

452 530

608

重量百分比浓度

28

34 38

42

比重

1.275

1.353 1.402

1.450

波美度

31.5

38 42

45

>盐酸的添加量

在蚀刻液中加入盐酸,可以抑制FeCl3的水解,并可提高蚀刻速率。尤其是当溶铜量达到37.4g/l后,盐酸的作用更明显。但是盐酸的添加量要适当,酸度太高,会导致液体光致抗蚀剂(如骨胶、聚乙烯醇等)涂层的印制板只能用低酸度溶液。

>蚀刻液的搅拌

静止蚀刻的效率和质量都是很差的。原因是在蚀刻过程中在板面和溶液里会有沉淀生成,而使溶液呈暗绿色,这些沉淀会影响进一步的蚀刻。

采用空气搅拌,喷淋或泼溅操作都可以加快蚀刻反应。蚀刻速率的提高是由于部分Fe2+Cu1+重新氧化成Fe3+Cu2+

4Fe2+O24H+ →4Fe3++2H2O

4Cu1++O2+4H+ →4Cu2++2H2O

其他蚀刻液

>硫酸-铬酸蚀刻液

对电镀锡铅合金抗蚀层的印制板有良好的蚀刻效果。但铬酸是属于“三废中国家排标的第一类有害物质,对人和动植物均有害。因此,现在几乎不用它来蚀刻印制板。

>过硫酸铵蚀刻液

适用于用网印抗蚀印料、干膜、金等作抗蚀层的印制板。但是它的蚀刻速度和溶铜能力都不如氯化物蚀刻液高,易分解,加之成本高,一般用于图形电镀前铜箔表面的微蚀刻处理。

>硫酸-双氧水蚀刻液

可用于图形电镀前的微蚀刻处理。近年来开始用于印制板蚀刻。它的特点是不浸蚀锡铅合金,溶液组分非常简单,蚀刻后的产物只有硫酸铜。蚀刻液可以经过再生与回收,得到纯度高的硫酸铜晶体。因此大大减少废液排放和环境污染,是目前有发展前途的蚀刻液。

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