蚀刻工艺之酸性氯化铜蚀刻液.docx

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蚀刻工艺之酸性氯化铜蚀刻液

摘要1

1设计任务书2

1.1项目2

1.2设计内容2

1.3设计规模2

1.4设计依据2

1.5产品方案2

1.6原料方案2

1.7生产方式3

2工艺路线及流程图设计3

2.1工艺路线选择3

2.2内层车间工艺流程简述4

3•车间主要物料危害及防护措施6

3.1职业危害6

3.2预防措施6

4.氯酸钠/盐酸型蚀刻液的反应原理7

4.1蚀刻机理7

4.2蚀刻机理的说明8

4.3蚀刻中相关化学反应的计算8

5.影响蚀刻的因素6

5.1影响蚀刻速率的主要因素10

5.2蚀刻线参数设计10

6主要设备一览表12

7车间装置定员表13

8投资表13

9安全、环保、生产要求14

致谢15

参考文献16

蚀刻工艺之酸性氯化铜蚀刻液

摘要：

本文介绍了印制电路板制造过程中的酸性氯化铜蚀刻液，并对其蚀刻原理和影响蚀刻的因素进行了阐述。

关键词：

印制电路板；酸性氯化铜；蚀刻；

分类号：

F407.7

Briefprincipiestoacidchlorinationcopper

etchingandfactorsanalysis

Chenyongzhou（Tutor:

Pi-yan）

（DepartmentofChemistryandEnvironmentalEngineering,

HubeiNormalUniversity,Huangshi,Hubei,435002）

Abstract:

Inthispaperacidchlorinationetchingsolutionwas

introduced.Meanwhiletheetchingprincipleandthefactorsaffecting

theetchingratebeenexplain.

Keywords:

PCB;acidchlorinationcoppersolution;etching

蚀刻工艺之酸性氯化铜蚀刻液

1设计任务书

1.1项目

氯酸钠/盐酸蚀刻型蚀刻液及其蚀刻工艺（初步

1.2设计内容

车间工艺参数设计

1.3设计规模

1年产：

106万FT2

2年生产日：

4000FT2

3日生产能力：

500000/280=3800FT2/天

1.4设计依据

依据有关部门下达的实设计任务书或可行性报告的批文，环境影响报告书的

批文,资源评价报告的批文，技术引进合同，设计合同，其他文件等

1.5蚀刻液主要成分

氯酸纳，盐酸，水，其他辅助添加剂。

1.6原料方案

1原料：

FR-4压延型玻璃布、环氧树脂覆铜箔基板、FR-4型玻璃布、环养树脂半固

化片（基础原料）；前处理药水，光致抗蚀感光干膜，显影液，蚀刻液（即为主要讨论的），退膜液等（中间辅助原料）。

2质量控制方法：

AQUA自动定量分析系统，AOI自动光学检测系统。

1.7生产方式

整个生产分工段制间歇，各个工段均为水平传送式的连续生产方式。

2工艺路线及流程图设计

2.1工艺路线选择

经来料检验（IQC）测FR-4型覆铜箔基板的TG表观、板厚、尺寸、铜厚、热应力等相关指标合格后，开料车间开料成符合生产要求的尺寸后，叠板进入烘箱烤板若干个小时，送至前处理车间进行化学处理，目的是除去板面的油污等杂质以及去氧化，并粗化铜的表观，增大其与干膜的接触面积，从而有更好的附着力，水平传送至贴膜机进行表面贴膜处理，接着用已绘制并检修好的菲林通过曝光机在其表面进行曝光处理，经过曝光的区域，干膜处发生交联反应，形成抗弱碱的抗蚀区域，接着经传送至蚀刻线，经显影

（0.8-1.2%的碳酸钠去掉未曝光部分的干膜），蚀刻去多余的铜（氯酸钠/盐酸型蚀刻液），最后用1.5-3.5%的氢氧化钠溶液退膜液退去线路表面的抗蚀刻干膜，得到所需的线路图形。

再在CCD或PE-PUNC上冲孔后送至AOI检测合格后；再送至棕化工序进行过棕化，粗花其微观表面，并在起表面附着上一层有机金属膜，这样有利与层压时与半固化片之间的结合力。

将过完棕化的板在送至烘箱烘烤一定时间，进一步干燥板面。

接着将干燥后的板送至热铆房进行热铆，使半固化片与芯板固定（只针对与高层次的板）。

最后送

至层压工序进行真空压合。

2.2内层车间工艺流程简述

1生产流程方框图

物料流程

2工艺流程方框图

PCB内层制造工艺流程图

MassLaminationProcess

Flow（normalmulti-layer）

仓库

■

煽板

锯板

storage

ovenbaking

InnerCutting

计算机辅助制造

光蛛菲林

fa-

菲林冲洗

CAN

PlotFilm

F

FiliDeveloping/fixing

扌丰板

热瑯合

棕化

Lay-up

L

Weldingcrbonding

J

b

SecureHTg

r

压合

J

切锢蒂

切半固化H

Press

Copperfoilcutting

PrepregCutting

1

板厚检测

X-ray打标IE

X-raychecking

FCEthicknesschecking

X-raytargetdrilling

包装

电镀

Packing

Copperpanelplating

5

-to

會边

■

前处理

贴/涂膜

Deburring

■

Fretreatment

Dryfilmlamination/RollerCoating

dL

—I

自动光学检测

二雉检测

曝光

F

A0I

2EmEasureiifnt

Exposure

I

自动光学检测

亠

CCD冲孔/PE-punch冲乳

显影蚀两（退臘）

AOI

0CDtarget

drlll/PE-punch

DES

■

樱边

清洗

煽板

Edgerouting

cleaning

w

Ovenbaking

*

-1n

視铜

钻乳

减齣

Platethrough

hole

Drilling

reducecopper

3车间主要物料危害及防护护措施

1•合成工段

（1）车间内禁止使用明火，禁止吸烟；发放统一的白帆布鞋；地板统一使用阻燃性地板。

（2）生产人员再生产过程中要及时检查，消除漏点。

（3）设置有完善的抽风系统以及大型空气交换系统，使得车间内有害气体降到最低。

（64）生产现场禁止存放大量易燃易爆物品，有毒有害的化学药品统一存放在指定位置，员工上缸前要进行MSDS培训。

3.1职业危害。

3.1.1火灾爆炸：

生产全过程都是在高温高压、低温负压的条件下进行的。

从生产原料到最终产品的大多数物质都具有易燃易爆的特性以及生产所需要的原料都具有一定的易燃易爆危险性。

3.1.2毒害性：

在内层制作过程中主要的一些毒害性物品即为一些化学药品，如菲林清洁剂，菲林定影液，菲林显影液等有机毒害物。

3.1.3噪声：

对岗位操作人员造成伤害的噪声主要来源于压缩机和各种流体泵发出的机械噪声以及内层制作后工序中的锣边，层压中的大型压机，以及钻孔，磨边等工序。

3.2预防措施

3.2.1火灾爆炸预防

1）操作人员上岗前要经过严格的培训，考核合格后始能上岗。

在操作中要严格执行工艺指标，遵守操作规程。

建立健全事故预案，使操作人员熟知事故处理及故障排除的方法。

对易燃易爆物料不得随意就地排空排放，排空排放速率不得超过25m/s。

2）做好设备保全与维修工作，及时消除跑、冒、滴、漏。

安全阀、压力表、液面计、防爆膜以及联锁等安全设施必须保持完好并投入使用。

3）保持室内厂房通风良好，防止可燃气体积聚，在易燃易爆气体浓度高、危险的场所可设置可燃气体测报仪。

4）严格执行《动火管理制度》，对动火申请必须视动火条件逐条严格审核。

对职工实行全员消防知识培训。

5）配足消防车辆、灭火器材，并注意日常对其保养与维护，以便发生火灾能及时投用。

322健康防护

3.221有毒害性物质的防护：

由于在蚀刻工序是在密闭系统中进行的，在泄漏率以严格控制的条件下，有毒有害物质对人体的危害相对较小。

发生毒害危险一般是设备发生泄漏检修时，蚀刻段具有挥发性的物质主要是氯化氢气体。

对有毒有害物质的防护应建立监测机构，定期进行测定，对连续超标环境下的操作人员要定期检查身体，建立健康档案，并对有毒害物质连续超标的岗位完善防毒措施。

进入有毒害物质的容器工作前，应做好通风、置换工作，加强气体分析，备有足够数量的防护器具，加强监护工作。

3.2.2.2噪声的防护：

在生产中产生的不同频率和强度的声波无规律地杂乱组合形成对人体干扰、危害的声音称为噪声，噪声对人体的危害主要是听觉、神经、心血管等系统生产车间地点噪声容许标准为85dB（A），现有企业暂时达不到此标准可放宽至不超过115dB（A）（每天接触时间不超过1h）。

在噪声的防护上主要应在设计施工时要考虑到，采取吸声、消声、隔声和隔振等措施。

工人操作场所应加强噪声防护，可选用防噪耳塞和防噪声耳罩。

对噪声岗位做好操作人员的体检工作，并定期做好监测工作。

4.氯酸钠/盐酸型蚀刻液的蚀刻机理

4.1.蚀刻机理

Cu+CuCb—2CuCl

（1）

6CuCb+NaCI03+6HO6CuCI+3H20+NaGI⑵

3Cu0+NaCIO3+6HCI3CuC2+3H2O+NaCI（3）

4.2蚀刻机理说明

1CuCI2中的Cu即是氧化剂又是催化剂，能将板面上的铜氧化成Cu+虫刻反应如

（1）0

2形成氧化亚铜是不容易溶于水的，在有过量CI-存在下，形成可溶性的了，络离子，其反应如下：

CihCl2+4CI--2[CuCl3]2-

3随着铜的咬蚀，溶液中的Cu+越来越多，蚀刻能力很快下降，以至最后失去效能，为了保持蚀铜能力，可以通过氯化钠氧化的方式对蚀刻进行再生，

使Cu+重新转变为Cu2+继续进行正常蚀刻。

4氯酸钠再生反应方程式

（2），因为蚀刻反应是周而复始的添加。

5为了提高此酸性蚀刻液的稳定性能，特添加一些助剂起到加速及稳定的作用。

4.3蚀刻中相关化学反应的计算

蚀刻的主要目的就是将多余的铜去除掉，即通过一定的化学反应使之反应腐蚀,所用的蚀刻液中含有CuCI2和盐酸（氯化氢的水溶液）等物质.蚀刻的基本原理就是蚀刻液中的Cu2+具有氧化性，而线路板上的铜则具有还原性，因而

发生氧化还原作用：

Cu+（Cu2+）—2Cu+①

把反应①写成原电池对：

©

Cu（2+）+e—Cu+正极（阴极）©（Cu2+）/（Cu+）=0.158V

Cu—（Cu+）+e负极（阳极）©（Cu+）/Cu=0.522V

如果单单从动力学上来研究①的反应速率K1,则可以解析如下：

△G（标=-RTInK1（标）=-nEF

其中:

E为原电池对的电动势：

E=©（Cu2+）/（Cu+）-©（Cu+）/Cu=0.158-0.552=-0.364V

则Ki=e的（nEF）/RT次房幕

而（nEF）/RT=1X（-0.364）X96500（8.314X298.15）

即K1=7.01E-07，可见反应速率之小，几乎不可能发生化学反应，但由于在蚀刻液中含有大量的CI-，又存在以下化学反应：

2（Cu+）+2（CI-）—CuC/K2②

-KspCuCI=3.0E-06

•••K2=（1/KspCuCI）的2次方幕=1.111E+11

可见化学反应②的反应速率远远大于反应①的反应速率，因而使①的化学反应平衡不断正移，使得铜不断的被腐蚀，联立化学反应①和②可得③：

2（Cu+）+Cu+2（CI-）—CudK3③

K3*K2=77911.11

因而从总体上说，从Cu转化为CuCI的反应是可行的，但是生成的CuCI的反应是可行的，但是生成的CuCI沉淀膜，附着在Cu的表面，而影响反应的进一步进行，过量的Cl-可与CuCI结合而生成可溶性络离子CuCl32-，从而使CuCI从铜表面溶解下来，提高蚀刻速率。

络合反应如下：

CuCI+2（CI-）—CuC『K4④

K4=[CuCl32-]/（[CI-]的2次幕）

=[CuCl32-]/（[CI-]的2次幕）X（[CI-][Cu+]/[Cu+][CI-]）

=[CuCb-]KspCuCI/（[CI-]的3次幕[Cu+]）

=B3CuCI32-KspCuCI

=（2.O+5E）X（3.0-6E）=0.6

由K4可知CuCI易与Cl-形成化合物（B3CuCh2-是络合物CuCb2-的三级稳定常数），有利于蚀刻进行。

随着蚀铜反应的进行，溶液中的Cu2+浓度下降，Cu+越来越多，蚀刻能力就会下降，以至作后失去效能，为保持蚀铜能力，要对蚀刻液进行再生，使Cu+转变成Cu2+，继续进行正常的蚀刻。

本厂生产所使用的再生方法为：

6CuCI2+NaCIO+6HCI—6CuCI+3H2O+NaCI⑤

综合上述分析可知，在标准状态（压力为1atm,温度为25C,浓度为

1mol/l）的情况下，溶液中反应后的铜离子主要是以CuCI的沉淀形式存在

的，反映①是速率控制步骤，由反应①和②所合成的反应③是整个过程的主反应，反应④正向进行可能性较小，是溶液中存在的副反应。

5.影响蚀刻的因素

5.1影响蚀刻的主要因素

对蚀刻影响较大的因素很多，较大的主要有溶液中的Cu2+Cu+Cl-的浓度和反应速率。

5.1.1Cu+的影响

根据前面的介绍可知，随着蚀刻反应的进行，溶液中就会形成Cu+，从反

应①可知，Cu+浓度升高将会显著降低蚀刻速率，所以在生产过程中要保持在一个低范围内，一般控制在2g/L左右，并要尽可能的将其重新氧化成

Cu2+。

在实际生产中如何控制溶液中的Cu+的浓度，由奈恩斯方程：

E=En+0.059/n+In[Cu2+]/[Cu+]

式中：

E—指定浓度下的电极电位；

En—标准电极电位；

n—得失电子数；

[Cu2+]—二价铜离子的浓度；

[Cu+]—一价铜离子的浓度；

以上方程可以看出氧化还原电位E与Cu2+/Cu+的比值有关。

一般操作中都以控制溶液的氧化-还原电位来控制溶液中的Cu+的浓度。

一般氧化-还原电位多控制在510—550MV左右。

5.1.2Cu2+的影响

溶液中的Cu2+勺含量对蚀刻速率有较大的影响，从理论上讲，Cu2啲含量

高，则蚀刻速率快。

一般情况下，溶液中Cu24浓度低于2g/L时，蚀刻速率较低；在2g/L时速率较高。

随着蚀刻反应的不断进行，蚀刻液中的铜含量会逐渐增加。

当铜含量增大到一定浓度时，蚀刻速率会下降。

在生产中，为了保证有恒定的蚀刻速率。

随着溶液中的铜含量的不断增加，溶液的比重也随之增加。

在实际生产中通常是采用控制溶液比重的方法来控制溶液的含铜量。

在生产中比重一般控制在1.28左右此时含铜量为145g/L左右。

同时为了防止Cu2+勺浓度下降，要不断的通过再生的方法对其进行补充。

在实际生产中通常是采用控制溶液比重的方法来控制溶液的含铜量。

5.1.3Cl-的影响

由反应③和④可知，适当提高［Cl-］，有利于化学平衡由移，形成CuCla2-，加快蚀刻速率。

同时蚀刻液的再生也需要Cl-参与（反应⑤），但是如果蚀刻液中酸浓度提高了，酸的挥发度加大，而且对设备的腐蚀加剧，同时CuCb

的溶解度还随着酸度的增高而下降，因而只能在一定范围内提高反应物的浓

度，通常HCI浓度为5mol/L左右。

5.1.4温度的影响

下面定性的讨论一下反应速率的影响。

由反应③可知，化学反应的吉布斯自由能：

△rGm=△r旳-仏rSm

如果△rGm<0,则有利于反应的进行.而根据反应③，定性分析可知，混乱度减小（从固态到液态）,故厶rSm<0,

•••△rFh-T△rSm<0

即:

T

虽然根据化学平衡移动的原理，升高温度有利于提高整个化学反应的反应速率,蚀刻时间减少，同样侧蚀程度也减小，对于做精细导线是非常有利的.但是从热力学角度分析可知，温度不应升高这一临界值，否则反应速率就会下降,所以反应温度不应太高.再者,温度过高，盐酸的挥发性也随之加大，这样也是不利于反应的进行的。

5.2蚀刻参数的设计

结合现有的蚀刻设备，工艺参数设定、操作条件控制及使用酸性氯酸钠再生剂蚀刻的化学品制作精细路线板的内层板潜在的性能。

1.槽液控制范围

比重1.20—1.23g/mL

酸当量1.0—3.5（ORPSYYS

铜离子的含量145—170g/L

温度48—54

2.机械设备参数

槽长10m

传送4—6m/min（1OZ铜厚）

上喷淋压力1.6+/-0.3kg/c如果有可能可使（沿槽长方向）中间喷

淋的压力略大些，这样有利于减小水渠效应。

下喷淋压力1.4+/-0.3kg/C

喷淋形状空心锥形，扇形

喷嘴排列方式：

应与线路设计垂直。

喷淋形式静止式，摇摆式，旋转式（效果更佳）

氧化-还原电位480—550Mv（ORPSY）

3.子液控制范围

比重1.20—1.30g/mL

PH值5—8

NaCIO3适量

性能稳定

6内层主要设备一览表：

主要设备选型及设备一览表

设备项目

设备名称

设备数量

光绘机

光绘非林机

1

X-RAY检测仪

X-RAY钻靶机

2

前处理设备

内层前处理机

2

贴膜设备

自动贴膜机

1

曝光设备

手动曝光机

4

半自动曝光机

1

全自动曝光机

1

蚀刻设备

亚智蚀刻机

1

特新蚀刻机

1

AOI检测设备

AOI自动光学检测设备

8

热铆设备

热铆机

2

棕化设备

1#棕化线

1

2#棕化线

1

烤箱

直立式双门高温烤箱（小）

1

二英精密热风烤箱（大）

1

X-RAY检测仪

X-RAY检杳仪

1

真空压机

BURKLE压机

1

LAUFFEF压机

1

FF压机

1

7内层蚀刻车间装置定员表

表10.车间定员

序号

职能名称人员配置

每班人数

合计

1

生产工人4

2

36

2

技术员2

1

2

3

维修工人2

1

2

4

清洁工2

1

2

5

管理员2

1

2

8内层蚀刻车间投资表

表11.项目投资表

项目

投资（万元）

厂房

土建、水电、消防、通风、空调

500

1#蚀刻线（特新设备）

100

2#蚀刻线（亚智设备）

180

泵

30

药水添加槽

15

AQUA自动定量分析系统

10

安装费

30

合计

865

9安全、环保、生产要求

（1）.废液处理工艺流程

（2）.废气处理

生产车间的设备上均设有一套完整的抽风系统，生产过程中产生的所有废气，抽风系统送出至废气处理塔进行废气吸收处理。

废水站操作员负责对废气处理塔槽液pH值监控、加②药和换水等日常运行工作。

由环保局或具有环境监测资质的机构负责每年一次的排放废气的监测。

（3）.固体废弃物分类处理

固体废物是指在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃或者放弃的固态、半固态和置于容器中的气态物品、物质以及法律、行政法规规定纳入固体废物管理的物品、物质；工业固体废物是指在工业生产活动中产生的固体废物；危险废物是指列入国家危险废物名录或者根据国家规定的危险废物鉴别标准和鉴别方法认定的具有（急性毒性、毒性、腐蚀性、感染性、易燃易爆性）危险性的固体废物。

在生产过程中产生的固体废物主要处理途径是：

①有利用价值的废物回收公司统一回收利用；②对于危险固体废气物同样联系有资历的废物处理公司进行安全妥当的处理。

致谢

经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。

在这里首先要感谢我的导师陈泳洲老师。

然后还要感谢大学三年来所有的老师，为我打下化学专业知识的基础。

同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。

此次毕业设计才会顺利完成。

最后感谢我的母校一湖北师范学院三年来对我的大力栽培。

参考文献

［1］王红华.蒋玉思酸性氯化铜液蚀刻化学及蚀刻液再生方法

［期刊论文卜2008,（10）

［2］魏静.罗韦因.徐金来.罗海兵印制电路板精细蚀刻的影响因

素［期刊论文卜2005,（02）

［3］魏静印制线路板精细蚀刻的研究［学位论文］硕士2005

［4］金鸿,陈森.印制电路技术.北京：

化学工业出版

社,2003:

139-140

［5］吴建生.印制电路制造工艺.贵州人民出版社，1980:

261-265

⑹傅献彩等.物理化学（第四版上册）.北京:

高等教育出版

社,1990:

126-131