蚀刻工艺之酸性氯化铜蚀刻液.docx

1、蚀刻工艺之酸性氯化铜蚀刻液摘要 11设计任务书 21.1项目 21.2设计内容 21.3设计规模 21.4设计依据 21.5产品方案 21.6原料方案 21.7生产方式 32工艺路线及流程图设计 32.1工艺路线选择 32.2内层车间工艺流程简述 43 车间主要物料危害及防护措施 63.1职业危害 63.2预防措施 64.氯酸钠/盐酸型蚀刻液的反应原理 74.1蚀刻机理 74.2蚀刻机理的说明 84.3蚀刻中相关化学反应的计算 85.影响蚀刻的因素 65.1影响蚀刻速率的主要因素 105.2蚀刻线参数设计 106主要设备一览表 127车间装置定员表 138投资表 139安全、环保、生产要求 1

2、4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：F407.7Brief prin cipies to acid chlori nati on copperetch ing and factors an alysisChen yon gzhou (Tutor:Pi-ya n)(Departme nt of Chemistry and En vir onmen tal Engin eeri ng,Hubei NormalU niversity , H

3、ua ngshi ,Hubei, 435002)Abstract : In this paper acid chlorination etching solution wasintroduced. Meanwhile the etching principle and the factors affectingthe etchi ng rate bee n expla in.Keywords: PCB;acid chlori nati on copper soluti on; etchi ng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

4、容车间工艺参数设计1.3设计规模1年产：106万FT22年生产日：4000FT23 日生产能力：500000/280=3800 FT2/ 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

5、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

6、.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

7、层制造工艺流程图Mass Lamination ProcessFlow (normal multi-layer)仓库 煽板 锯板storageoven bakingInner Cutting计算机辅助制造 光蛛菲林fa-菲林冲洗CANPlot FilmFFili Developing/ fixing扌丰板热瑯合棕化Lay-upLWelding cr bondingJbSecure HTgr压合J切锢蒂切半固化HPressCopper foil cuttingPrepreg Cutting1 板厚检测X-ray 打标IEX-ray checkingFCE thickness checkingX-

8、ray target drilling包装电镀PackingCopper panel plating5-to會边前处理贴/涂膜DeburringFretreatmentDry film lamination /Roller Coatingd LI自动光学检测二雉检测曝光FA 0 I2E mEasureiifntExposureI自动光学检测亠 CCD 冲孔/PE-punch 冲乳显影蚀两（退臘）AOI0CD targetdrlll/PE-punchDES樱边清洗煽板Edge routingcleaningwOven baking*-1 n視铜 钻乳减齣Plate throughholeDril

9、lingreduce copper3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

10、.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

11、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

12、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

13、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+ CuCb2CuCl (1)6CuCb+NaCI03+6HO6CuCI+3H20+NaGI 3Cu0+ NaCIO3+6HCI 3CuC2+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)02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-2CuCl32-3随着铜的咬蚀，溶液中的 C

14、u+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+ 把反应写成原电池对

15、：Cu(2+)+e Cu+ 正极(阴极) (Cu2+)/(Cu+)=0.158VCu (Cu+)+e 负极(阳极) (Cu+)/Cu=0.522V如果单单从动力学上来研究的反应速率 K1,则可以解析如下： G(标=-RTI nK1(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(n EF)/RT次房幕而(nEF)/RT=1 X (-0.364) X 96500(8.314 X 298.15)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

16、在以下化学反应：2(Cu+)+2(CI-) CuC/ K 2 -KspCuCI=3.0E-06 K2=(1/KspCuCI)的 2 次方幕=1.111E+11可见化学反应的反应速率远远大于反应的反应速率，因而使的化 学反应平衡不断正移，使得铜不断的被腐蚀，联立化学反应和可得：2(Cu+)+Cu+2(CI-) Cud K 3 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

17、面溶解下来，提高蚀刻速率。络合反应如下：CuCI+2（CI-） CuC K4 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+）=B 3CuCI32- KspCuCI=（2.O+5E）X（ 3.0-6E ） =0.6由K4可知CuCI易与Cl-形成化合物（B 3CuCh2-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，

18、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：6CuCI 2+NaCIO+6HCI 6CuCI+3H2O+NaCI 综合上述分析可知，在标准状态（压力为 1atm,温度为25 C,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，反映是速率控制步骤，由反应和所合成的反应是整个过程的主 反应，反应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

19、液中就会形成 Cu+，从反应可知，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=E n+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+

20、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2 g/L时，蚀刻速率 较低；在2 g/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

21、溶液比重的方法来 控制溶液的含铜量。5.1.3Cl- 的影响由反应和可知，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），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。由反应可知，化学反应的吉布斯 自由能： r Gm = r 旳-仏 r Sm如果 rGm0,则有利于反应的进行.而根据反应，定性分析可知，混乱度 减小（从固态到液态）

22、,故厶r Sm0, r Fh- T rSm0即:TT 临= r Hm/ rSm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 1.23 g/mL酸当量 1.0 3.5（ ORPS

23、YYS铜离子的含量 145 170 g/L温度48 542.机械设备参数槽长10m传送 4 6m/mi n（1OZ 铜厚）上喷淋压力1.6+/-0.3 kg/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+/-0.3 kg/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 1.30 g/mLPH 值 5 8NaCIO3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

24、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1AOI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12#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）1X-RAY检测仪X-RAY检杳仪1真空压机BURKLE压机1LAUFFEF压 机1FF压机17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 42362技术员 2123维修工人 2124清洁工 2125管理员 2128内层蚀刻车间投资表表11.项目投资表项目投资（万

25、元）厂房土建、水电、消防、通风、空调5001#蚀刻线（特新设备）1002#蚀刻线（亚智设备）180泵30药水添加槽15AQUA自动定量分析系统10安装费30合计8659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

26、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：有利用价值的废物回 收公司统一回收利用；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

27、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 20054 金鸿,陈森.印制电路技术.北京：化学工业出版社,2003:139-1405 吴建生.印制电路制造工艺.贵州人民出版社，1980:261-265 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