Глава 4.

 

ХІМІЧНІ І ЕЛЕКТРО ХІМІЧНІ В ТЕХНОЛОГІЇ ДРУКОВАНИХ ПЛАТ

 

4.1. Травлення міді: вибір травителя і утилізація відходів

 

Під травленням розуміють хімічне розчинення міді зазвичай під дією рідких травних розчинів або, рідше, активованих газів (плазмохімічне травлення). Перерахуємо вимоги до роствору для травлення міді:

 

- Швидкість травлення (вимірюється в мкм / хв);

 

- Ємність по міді, тобто гранично допустиме збільшення концентрації міді (вимірюється в г / л);

 

- Селективність травлення, що має значення при використанні металорезиста в позитивних методах;

 

- Можливість регенерації травильного розчину в процесі травлення;

 

- Відсутність взаємодії з ізолятором-основою;

 

- Можливість економічної утилізації без шкоди для навколишнього середовища;

 

- Мінімальна анізотропія і бічний підтрав;

 

- Задоволення вимог охорони праці працюючих.

 

Для підтримки постійної швидкості травлення воно повинно бути струменевим: горизонтальним або вертикальним. В цьому випадку струменя свіжого (оновленого в замкнутому циклі) травителя з постійною швидкістю впливають на мідну фольгу, забезпечуючи стабільність процесу травлення.

 

Почнемо з водного розчину на основі хлорного заліза F eCl ₃  густиною 1,3 або 400 г / л, вельми популярного серед радіоаматорів. При температурі травлення близько 35 ^◦ C швидкість травлення близько 35 мкм / хв. Це дуже висока швидкість. Ємність з міді також висока: в межах 75 - 105 г / л.

 

При травленні міді хлорним залізом одночасно мають місце мінімум три типи реакцій:

 

- Хлорне залізо реагує з міддю з утворенням хлористого заліза і нерозчинної хлористої міді, яка прагне випасти в осадок:

 

F eCl 3 + Cu - → F eCl 2 + CuCl ↓ ;

(4.1)

- Хлорне залізо реагує з не встигшою випасти в осад хлоридною міддю з утворенням хлористого заліза і добре розчинної хлорної міді:

 

F eCl 3 + CuCl - → F eCl 2 + CuCl 2 ;

(4.2)

 

- Хлорна мідь, в свою чергу, вступає в реакцію з міддю з утворенням хлористої міді:

 

CuCl 2 + Cu - → 2 CuCl ↓ .

(4.3)

 

На жаль, ми не можемо сказати, яка з реакцій і який відносно внесок вносить в даний момент часу, тобто як і динаміка процесу травлення. На рівні математичних моделей вона технологам поки невідома.

 

Крім трьох перерахованих у водному розчині вказаних солей йдуть і інші реакції, наприклад, гідролізаця залишків травильного розчину, особливо при промиванні друкованих плат, з утворенням важкорозчинних основних солей заліза, наприклад:

 

F eCl 3 + H 2 0 - → F e ( OH ) Cl 2 ↓ + HCl.

(4.4)

 

Фенольні смоли, що входять до складу гетинакса, мають властивість іонообмінних смол адсорбувати іони тривалентного заліза з розчину. В результаті поверхневий опір діелектрику спадає. Крім того, відпрацьований розчин дуже важко піддається регенерації і практично неможлива його автоматична корекція при травленні. Цей травитель не можна використовувати в позитивному методі, так як він розчиняє металорезист на основі олова-свинцю. При використанні хлорного заліза для травлення міді з часом підлоги, стіни і ванни покриваються яскраво-рудим нальотом.

 

В одному з галузевих стандартів описаний наступний процес утилізації і регенерації травильного розчину:

 

- В відпрацьований розчин засипається знежирена сталева стружка при температурі 40 - 50 ^◦ C. Внаслідок реакції цементації

Cu 2+ + F e - → Cu + F e 2+

(4.5)

 

мідь у вигляді пухкого осаду виділяється на частинках заліза;

 

- Після осадження міді розчин зливається і передається на нейтралізацію, а порошкова мідь змивається струменем води в лляний мішок, а потім зневоднюється і висушується. Осад гідроксиду заліжа (4.4) після нейтралізації вапняним молоком повинен вивозиться для поховання в спеціально відведених для цього місцях, що небажано з точки зору екології.

 

Аналогічні проблеми виникають з травильними розчинами на основі персульфата амонію ( NH ₄ ) ₂ S ₂ O ₈ і сірчаної кислоти H ₂ SO ₄ з тією лише різницею, що при його при високій швидкості травлення можна використовувати як при позитивних, так і при негативних процесах.

 

Для травлення можна використовувати розчини на основі сірчаної кислоти H ₂ SO ₄ . Після травлення виходить хімічно чиста сіль Cu ₂ SO ₄ , яку можна використовувати для приготування розчинів хімічного і гальванічного міднення. Це дозволяє підтримувати безвідхідну технологію за рахунок паралельного протікання субтрактивних та адитивних процесів.

 

На особливу увагу заслуговує використання водного розчину хлорної міді в якості самостійного травителя (4.3). Цей трави-тель значно дешевше (приблизно в 25 разів) хлорного заліза при тій же початковій швидкості травлення. Утворюється при травленні важкорозчинна хлориста мідь може швидко засмітити форсунки травильної машини, проте в присутності іонів хлору (розчини HCl , NH ₄ Cl ,NaCl , KCl ) утворюються добре розчинні комплекси з іонами CuCl ^- . В результаті можлива регенерація травильного розчину на основі хлорного міді за допомогою реакцій

 

2 CuCl + Cl 2 - → 2 CuCl 2 ,	(4.6)
2 CuCl + H 2 O 2 + 2 HCl - → 2 CuCl 2 + 2 H2 O,	(4.7)

4 CuCl + O 2 + 4 HCl - → 4 CuCl 2 + 2 H 2 O.

(4.8)

 

Відносно мала ємність по міді (10 - 20 г / л) компенсується можливістю досить простої регенерації (відновлення) травильного розчину. Для цього достатньо злити відпрацьований травильний розчин і додати соляну кислоту до значення водневого показника pH = 1 - 2. Після цього додається перекис водню H ₂ O ₂ . Ці процеси можна автоматизувати, маючи в своєму розпорядженні датчиками, що перетворюють водневий показник pH в електричний сигнал.

 

Утилізація міді виконується гальванічним шляхом - мідь виділяється під дією електричного струму з розчину на катоді в регенераторі, що утворює з травильної машиною замкнутий контур.

 

Додатковою перевагою хлорної міді є слективність (вибірковість) травлення, що дозволяє використовувати його в позитивному процесі із захисною маскою олово-свинець. Крім того, травильний розчин хлорного міді добре відмивається з друкованої плати, не залишаючи слідів.