Травление печатных плат персульфатами аммония, натрия, калия

Для травления меди при производстве компьютеров нашли свое применение персульфаты аммония, натрия и калия, улучшенные определенными катализаторами. Системы непрерывной регенерации и циклическая система на основе персульфата аммония больше не используются. Для создания оксидной пленки во внутренних слоях при микротравлении широко применяются персульфаты, а также электролиз меди и металлизирование. Растворы персульфатов совместимы со всеми основными видами резистов печатных плат, включая припои, олово, оловянно-никелевый сплав, защитные краски и светочувствительные пленки. Раствор аммония персульфата, катализированный дихлоридом ртути больше не применяется, в основном из-за негативного влияния на окружающую среду, дороговизны и улучшенных альтернативных вариантов. В общем, травители на основе персульфата нестабильные, склонные к распаду, у них низкая скорость травления относительно содержания меди и низкий полезный выход меди.

Химический состав.

Аммоний, калий и персульфаты являются стабильными солями надсерной кислоты (H2S208). Растворяясь в воде, эти соли образуют ион персульфата (S2082-). Это самый сильный окислитель из использующихся в настоящий момент пероксидных соединений. Во время медного травления персульфат окисляет металлическую медь до формирования иона двухвалентной меди, как показано на рисунке ниже:

Травление печатных плат персульфатами аммония, натрия, калия

Во время гидролиза растворов надсерной кислоты образуется ион перокси-моносульфата (HS041-), а после перекись водорода и кислород. Катализатором гидролиза служит кислота, что является причиной нестабильности кислотных травильных растворов надсерной кислоты.

Раствор персульфата аммония (обычно 20%-ный) кислотный. Реакции гидролиза и травление уменьшают рН с 4 до 2. Концентрация персульфата падает и образуется сульфат аммония с гидратированной двухвалентной медью [CuS04 • (NH4)2SO4•6Н2O]. Этот осадок может вмешаться в процесс травления.

Соединения твердого персульфата стабильны и не теряют своих свойств при условии хранения в сухих закрытых емкостях. В состав растворов входят различные катализаторы, содержащие как органические вещества, так и переходные металлы (Fe, Cr, Cu, Pb, Ag и др.). Материалы для хранения нужно тщательно подбирать. Персульфаты нельзя смешивать с восстановителями или окисляющимися органическими веществами.

При температуре от 40 до 55 °С полезное содержание меди составляет 1 кг/м3. При количестве меди выше 0,7 кг/м3 во избежание кристаллизации соли температуру раствора необходимо поддерживать на уровне 55 ºС. Скорость травления раствора с содержанием растворенной меди 1 кг/м3 при температуре 50 °С составляет 7 мкм/мин.

Циклическая операция травления печатных плат растворами персульфатов.

Предпочтительно использовать персульфат натрия, поскольку его легче утилизировать, а содержание меди и скорость травления немного больше. Скорость травления зависит от емкости резервуара и колеблется в пределах от 45 до 15 мкм/мин. При использовании специализированных добавок готовые растворы необходимо выдержать 16—72 ч перед травлением.

Сложности травления печатных плат персульфатами.

  1. Низкие скорости травления. Поскольку раствор может разложиться, необходимо сменить ванну. Если раствор новый, добавляют катализатор и проверяют содержание железа.
  2. Кристаллизация соли. Кристаллизованные соли оставляют на плате полосы, повреждают припой и забивают форсунки опрыскивателя и фильтры. При высоком содержании меди может образоваться голубой осадок.
  3. Белые пленки на поверхности припоя. Могут образоваться при обычных условиях или при высоком содержании свинца в припое.
  4. Черная пленка на припое. Может появиться при высоком содержании олова в мягком припое. Если следует оплавление припоя или паяемых компонентов необходимо активировать погружением в олово или осветлитель припоя. В этом случае следует откорректировать условия припоя и содержание фосфорной кислоты в травителе.
  5. Самопроизвольный распад травильного раствора. Происходит в загрязненных, перегретых или бездействующих растворах. Травители на основе персульфата аммония нестабильны, особенно при высоких температурах. При 65 °С раствор быстро распадается.Поэтому их необходимо использовать сразу после смешивания.
  6. Сброс. Отработанный травитель в основном состоит из аммония или натрия, а также сульфата натрия и меди с рН около 2. Возможны два варианта удаления:
  • Одним из методов удаления является электролитическое размещение меди на поверхности пассивированной аустенитной нержавеющей стали. Отработанный травитель подкисляется серной кислотой до электролиза. После удаления меди оставшийся раствор можно разбавить, нейтрализовать, проверить и сбросить. С катода можно снять медь. Отработанный персульфат натрия можно обработать гидроксидом натрия.
  • Другой хоть и более трудный метод удаления меди заключается в добавлении алюминия или железных токарных стружек в чуть подкисленный раствор. Реакция будет протекать бурно, особенно с добавлением ионов хлора, и, если раствор не развести, выделится значительное количество теплоты.