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堿性氯化銅蝕刻液原理及基礎配置方法
堿性氯化銅蝕刻液
1.特性?
? 1)適用于圖形電鍍金屬抗蝕層，如鍍覆金、鎳、錫鉛合金，錫鎳合金及錫的印制板的蝕刻。?
2)蝕刻速率快，側蝕小，溶銅能力高，蝕刻速率容易控制。?
3)蝕刻液可以連續再生循環使用，成本低。?
2.蝕刻過程中的主要化學反應?
在氯化銅溶液中加入氨水，發生絡合反應：
CuCl2＋4NH3 →Cu(NH3)4Cl2
在蝕刻過程中，板面上的銅被[Cu(NH3)4]2+絡離子氧化，其蝕刻反應如下：
Cu(NH3)4Cl2＋Cu →2Cu(NH3)2Cl
所生成的[Cu(NH3)2]1+為Cu1+的絡離子，不具有蝕刻能力。在有過量NH3和Cl-的情況下，能很快地被空氣中的O2所氧化，生成具有蝕刻能力的[Cu(NH3)4]2+絡離子，其再生反應如下：
2Cu(NH3)2Cl＋2NH4Cl＋2NH3＋1/2 O2 →2Cu(NH3)4Cl2＋H2O
從上述反應可看出，每蝕刻1克分子銅需要消耗2克分子氨和2克分子氯化銨。因此，在蝕刻過程中，隨著銅的溶解，應不斷補加氨水和氯化銨。
應用堿性蝕刻液進行蝕刻的典型工藝流程如下：
鍍覆金屬抗蝕層的印制板(金、鎳、錫鉛、錫、錫鎳等鍍層) →去膜→水洗→吹干→檢查修板→堿性蝕刻→用不含Cu2+的補加液二次蝕刻→水洗→檢查→浸亮(可選擇) →水洗→吹干
3. 蝕刻液配方?
蝕刻液配方有多種，1979年版的印制電路手冊(Printed Circuits Handbook)中介紹的配方見表10－4。
表10－4 國外介紹的堿性蝕刻液配方
組份
1
2
3
NH3·H2O
NH4Cl
Cu2+
NaClO2
NH4HCO3
(NH4)3PO4
NH4NO3?
3.0mol/L
1.5－0
－
10.375
0－1.5
－
0－1.5?
6.0 mol/L
5.0
2.0(僅起始液)
－
－
0.01
－?
2－6 mol/L
1－4.0
0.1－0.6
－
－
0.05－0.5
－?
國內目前大多采用下列配方： CuCl2·2H2O 100～150g/l 、NH4Cl 100g/l 、NH3·H2O 670～700ml/12
配制后溶液PH值在9.6左右。溶液中各組份的作用如下：
NH3·H2O的作用是作為絡合劑，使銅保持在溶液里。
NH4Cl的作用是能提高蝕刻速率、溶銅能力和溶液的穩定性。
(NH4)3PO4的作用是能保持抗蝕鍍層及孔內清潔。
4.影響蝕刻速率的因素?
蝕刻液中的Cu2+的濃度、PH值、氯化銨濃度以及蝕刻液的溫度對蝕刻速率均有影響。掌握這些因素的影響才能控制溶液，使之始終保持恒定的最佳蝕刻狀態，從而得到好的蝕刻質量。
?
Cu2+濃度的影響?
因為Cu2+是氧化劑，所以Cu2+的濃度是影響蝕刻速率的主要因素。研究銅濃度與蝕刻速率的關系表明：在0－11盎司/加侖時，蝕刻時間長；在11－16盎司/加侖時，蝕刻速率較低，且溶液控制困難；在18－22盎司/加侖時，蝕刻速率高且溶液穩定；在22－30盎司/加侖時，溶液不穩定，趨向于產生沉淀。
注：1加侖（美制）=3.785升 1盎司= 28.35克1盎司/加侖=28.35/3.785=7.5G/1
在自動控制蝕刻系統中，銅濃度是用比重控制的。在印制板的蝕刻過程中，隨著銅的不斷溶解，溶液的比重不斷升高，當比重超過一定值時，自動補加氯化銨和氨的水溶液，調整比重到合適的范圍。一般比重控制在18～240Be’。
溶液PH值的影響?
蝕刻液的PH值應保持在8.0～8.8之間。當PH值降到8.0以下時，一方面是對金屬抗蝕層不利。另一方面，蝕刻液中的銅不能被完全絡合成銅氨絡離子，溶液要出現沉淀，并在槽底形成泥狀沉淀。這些泥狀沉淀能在加熱器上結成硬皮，可能損壞加熱器，還會堵塞泵和噴嘴，給蝕刻造成困難，如果溶液PH值過高，蝕刻液中氨過飽和，游離氨釋放到大氣中，導致環境污染。另一方面，溶液的PH值增大也會增大側蝕的程度，而影響蝕刻的精度。
氯化銨含量的影響?
通過蝕刻再生的化學反應可以看出:[Cu(NH3)2]1+的再生需要有過量的NH3和NH4Cl存在。如果溶液中缺乏NH4Cl,而使大量的[Cu(NH3)2]1+得不到再生，蝕刻速率就會降低，以至失去蝕刻能力。所以，氯化銨的含量對蝕刻速率影響很大。隨著蝕刻的進行，要不斷補加氯化銨。但是，溶液中Cl-含量過高會引起抗蝕層被浸蝕。一般蝕刻液中NH4Cl含量在150g/l左右。
溫度的影響?
蝕刻速率與溫度有很大關系，蝕刻速率隨著溫度的升高而加快。見圖10-12
蝕刻液溫度低于40℃，蝕刻速率很慢，而蝕刻速率過慢會增大側蝕量，影響蝕刻質量。溫度高于60℃，蝕刻速率明顯增大。但NH3的揮發量也大大增加，導致污染環境并使蝕刻液中化學組份比例失調。故一般應控制在45℃～55℃為宜。
5. 蝕刻液的調整
?自動控制調整
隨著蝕刻的進行，蝕刻液中銅含量不斷增加，比重逐漸升高，當蝕刻液中銅濃度達到一定高度時就要及時調整。在自動控制補加裝置中，是利用比重控制器控制蝕刻液的比重。當比重升高時，自動排放比重過高的溶液，并添加新的補加液，使蝕刻液的比重調整到允許的范圍。補加液要事先配制好，放入補加桶內，使補加桶的液面保持在一定的高度。
專賣的蝕刻鹽品種很多，其補加液的配制方法大同小異。下面僅介紹一種：
蝕刻鹽補加液的配制方法
蝕刻鹽 255g/l PH值 9.8 氨水(26%) 450ml/l 比重 1.03
水 450ml/l
人工調整?
方法一：首先在蝕刻液冷卻、靜置情況下，取樣分析清液中的銅濃度，然后根據分析結果，確定廢液的排放量。排放量可按下式計算：
排放量＝(分析值－規定值)／分析值 *總體積
式中：排放量－從蝕刻槽中排出廢液的體積(l)
分析值－由化學分析得出的銅含量(g/l)
規定值－配方中規定的銅含量(g/l)
總體積－蝕刻槽中蝕刻液的體積(l)
原則上是排放多少體積的廢液就補加多少體積的補加液。
方法二：上述1升補加液可蝕銅約150～165g銅。可統計生產中蝕刻銅的量，當達到這個范圍時，放去20％之工作液，補充新的補加液到相同體積。
圖10-13 堿性蝕刻機及控制，補加系統
現在印制板生產廠家一般采用帶有蝕刻液控制、補加系統的堿性蝕刻機10-13進行印制板的堿性蝕刻。
6. 蝕刻過程中常出現的問題
蝕刻速率降低?
這個問題與許多因素有關。要檢查蝕刻條件，例如：溫度，噴淋壓力，溶液比重、PH值和氯化銨的含量等，使之達到適宜的范圍。
蝕刻溶液中出現沉淀?
由于氨的含量過低(PH值降低)，或用水稀釋等原因造成的。溶液比重過大也會造成沉淀。
抗蝕鍍層被浸蝕?
蝕刻液PH值過低或Cl-含量過高造成的。
銅表面發黑，蝕刻不動?
蝕刻液中NH4Cl的含量過低造成的。
1.特性?
? 1)適用于圖形電鍍金屬抗蝕層，如鍍覆金、鎳、錫鉛合金，錫鎳合金及錫的印制板的蝕刻。?
2)蝕刻速率快，側蝕小，溶銅能力高，蝕刻速率容易控制。?
3)蝕刻液可以連續再生循環使用，成本低。?
2.蝕刻過程中的主要化學反應?
在氯化銅溶液中加入氨水，發生絡合反應：
CuCl2＋4NH3 →Cu(NH3)4Cl2
在蝕刻過程中，板面上的銅被[Cu(NH3)4]2+絡離子氧化，其蝕刻反應如下：
Cu(NH3)4Cl2＋Cu →2Cu(NH3)2Cl
所生成的[Cu(NH3)2]1+為Cu1+的絡離子，不具有蝕刻能力。在有過量NH3和Cl-的情況下，能很快地被空氣中的O2所氧化，生成具有蝕刻能力的[Cu(NH3)4]2+絡離子，其再生反應如下：
2Cu(NH3)2Cl＋2NH4Cl＋2NH3＋1/2 O2 →2Cu(NH3)4Cl2＋H2O
從上述反應可看出，每蝕刻1克分子銅需要消耗2克分子氨和2克分子氯化銨。因此，在蝕刻過程中，隨著銅的溶解，應不斷補加氨水和氯化銨。
應用堿性蝕刻液進行蝕刻的典型工藝流程如下：
鍍覆金屬抗蝕層的印制板(金、鎳、錫鉛、錫、錫鎳等鍍層) →去膜→水洗→吹干→檢查修板→堿性蝕刻→用不含Cu2+的補加液二次蝕刻→水洗→檢查→浸亮(可選擇) →水洗→吹干
3. 蝕刻液配方?
蝕刻液配方有多種，1979年版的印制電路手冊(Printed Circuits Handbook)中介紹的配方見表10－4。
表10－4 國外介紹的堿性蝕刻液配方
組份
1
2
3
NH3·H2O
NH4Cl
Cu2+
NaClO2
NH4HCO3
(NH4)3PO4
NH4NO3?
3.0mol/L
1.5－0
－
10.375
0－1.5
－
0－1.5?
6.0 mol/L
5.0
2.0(僅起始液)
－
－
0.01
－?
2－6 mol/L
1－4.0
0.1－0.6
－
－
0.05－0.5
－?
國內目前大多采用下列配方： CuCl2·2H2O 100～150g/l 、NH4Cl 100g/l 、NH3·H2O 670～700ml/12
配制后溶液PH值在9.6左右。溶液中各組份的作用如下：
NH3·H2O的作用是作為絡合劑，使銅保持在溶液里。
NH4Cl的作用是能提高蝕刻速率、溶銅能力和溶液的穩定性。
(NH4)3PO4的作用是能保持抗蝕鍍層及孔內清潔。
4.影響蝕刻速率的因素?
蝕刻液中的Cu2+的濃度、PH值、氯化銨濃度以及蝕刻液的溫度對蝕刻速率均有影響。掌握這些因素的影響才能控制溶液，使之始終保持恒定的最佳蝕刻狀態，從而得到好的蝕刻質量。
?
Cu2+濃度的影響?
因為Cu2+是氧化劑，所以Cu2+的濃度是影響蝕刻速率的主要因素。研究銅濃度與蝕刻速率的關系表明：在0－11盎司/加侖時，蝕刻時間長；在11－16盎司/加侖時，蝕刻速率較低，且溶液控制困難；在18－22盎司/加侖時，蝕刻速率高且溶液穩定；在22－30盎司/加侖時，溶液不穩定，趨向于產生沉淀。
注：1加侖（美制）=3.785升 1盎司= 28.35克1盎司/加侖=28.35/3.785=7.5G/1
在自動控制蝕刻系統中，銅濃度是用比重控制的。在印制板的蝕刻過程中，隨著銅的不斷溶解，溶液的比重不斷升高，當比重超過一定值時，自動補加氯化銨和氨的水溶液，調整比重到合適的范圍。一般比重控制在18～240Be’。
溶液PH值的影響?
蝕刻液的PH值應保持在8.0～8.8之間。當PH值降到8.0以下時，一方面是對金屬抗蝕層不利。另一方面，蝕刻液中的銅不能被完全絡合成銅氨絡離子，溶液要出現沉淀，并在槽底形成泥狀沉淀。這些泥狀沉淀能在加熱器上結成硬皮，可能損壞加熱器，還會堵塞泵和噴嘴，給蝕刻造成困難，如果溶液PH值過高，蝕刻液中氨過飽和，游離氨釋放到大氣中，導致環境污染。另一方面，溶液的PH值增大也會增大側蝕的程度，而影響蝕刻的精度。
氯化銨含量的影響?
通過蝕刻再生的化學反應可以看出:[Cu(NH3)2]1+的再生需要有過量的NH3和NH4Cl存在。如果溶液中缺乏NH4Cl,而使大量的[Cu(NH3)2]1+得不到再生，蝕刻速率就會降低，以至失去蝕刻能力。所以，氯化銨的含量對蝕刻速率影響很大。隨著蝕刻的進行，要不斷補加氯化銨。但是，溶液中Cl-含量過高會引起抗蝕層被浸蝕。一般蝕刻液中NH4Cl含量在150g/l左右。
溫度的影響?
蝕刻速率與溫度有很大關系，蝕刻速率隨著溫度的升高而加快。見圖10-12
蝕刻液溫度低于40℃，蝕刻速率很慢，而蝕刻速率過慢會增大側蝕量，影響蝕刻質量。溫度高于60℃，蝕刻速率明顯增大。但NH3的揮發量也大大增加，導致污染環境并使蝕刻液中化學組份比例失調。故一般應控制在45℃～55℃為宜。
5. 蝕刻液的調整
?自動控制調整
隨著蝕刻的進行，蝕刻液中銅含量不斷增加，比重逐漸升高，當蝕刻液中銅濃度達到一定高度時就要及時調整。在自動控制補加裝置中，是利用比重控制器控制蝕刻液的比重。當比重升高時，自動排放比重過高的溶液，并添加新的補加液，使蝕刻液的比重調整到允許的范圍。補加液要事先配制好，放入補加桶內，使補加桶的液面保持在一定的高度。
專賣的蝕刻鹽品種很多，其補加液的配制方法大同小異。下面僅介紹一種：
蝕刻鹽補加液的配制方法
蝕刻鹽 255g/l PH值 9.8 氨水(26%) 450ml/l 比重 1.03
水 450ml/l
人工調整?
方法一：首先在蝕刻液冷卻、靜置情況下，取樣分析清液中的銅濃度，然后根據分析結果，確定廢液的排放量。排放量可按下式計算：
排放量＝(分析值－規定值)／分析值 *總體積
式中：排放量－從蝕刻槽中排出廢液的體積(l)
分析值－由化學分析得出的銅含量(g/l)
規定值－配方中規定的銅含量(g/l)
總體積－蝕刻槽中蝕刻液的體積(l)
原則上是排放多少體積的廢液就補加多少體積的補加液。
方法二：上述1升補加液可蝕銅約150～165g銅。可統計生產中蝕刻銅的量，當達到這個范圍時，放去20％之工作液，補充新的補加液到相同體積。
圖10-13 堿性蝕刻機及控制，補加系統
現在印制板生產廠家一般采用帶有蝕刻液控制、補加系統的堿性蝕刻機10-13進行印制板的堿性蝕刻。
6. 蝕刻過程中常出現的問題
蝕刻速率降低?
這個問題與許多因素有關。要檢查蝕刻條件，例如：溫度，噴淋壓力，溶液比重、PH值和氯化銨的含量等，使之達到適宜的范圍。
蝕刻溶液中出現沉淀?
由于氨的含量過低(PH值降低)，或用水稀釋等原因造成的。溶液比重過大也會造成沉淀。
抗蝕鍍層被浸蝕?
蝕刻液PH值過低或Cl-含量過高造成的。
銅表面發黑，蝕刻不動?
蝕刻液中NH4Cl的含量過低造成的。
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@ 潔氏化學
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