硝酸型酸性蝕刻液蝕刻工藝探討

宮小龍 黃秀武

摘要：本文對以硝酸為主要成分的酸性蝕刻液進行了研究，利用靜態刻蝕的方式，對印刷電路板銅箔的蝕刻速率以及側蝕水平進行了測定，考察了幾個因素對蝕刻效果的影響。希望為相關研究人員提供一定的參考，使針對硝酸型酸性蝕刻液蝕刻工藝的研究更加深入，并優化該工藝。

關鍵詞：酸性蝕刻液；硝酸；蝕刻工藝

PCB技術的不斷發展令印刷電路板的線寬和線距都逐漸變小，對蝕刻液提出了更高的要求。傳統的印刷電路板的制造中應用較為廣泛的蝕刻液是酸性和堿性氯化銅蝕刻液，然而此類含有氯元素的蝕刻液容易生成銅絡離子，造成嚴重的側蝕問題。研發蝕刻效果更佳、側蝕程度更低的蝕刻液是一項亟待解決的任務。采用硝酸為基礎的蝕刻液可以有效降低側蝕程度，本文對硝酸型酸性蝕刻液的工藝條件和組成成分進行了探討。

一、硝酸型酸性蝕刻液蝕刻流程

利用硝酸型酸性蝕刻液進行蝕刻的原理利用硝酸銅中銅離子的氧化性將印刷電路板上的銅氧化為化合價為一價的銅。該蝕刻手段具有一系列優勢，首先蝕刻液可以保持較為穩定的狀態，從而便于操作人員控制蝕刻速率，最終的蝕刻質量較高。另外，該種蝕刻手段可以溶解大量的銅元素，并且蝕刻液的回收和再生利用較為容易，在充分利用資源的同時能有效減少環境污染。

以硝酸作為蝕刻液進行蝕刻時按照如下流程進行：首先清洗材料表面，用洗滌劑除去表面的油污，繼而用流動的純水清洗材料。接下來去掉材料表面的氧化物薄膜，采用濃度為1%的稀鹽酸浸泡一分鐘左右。氧化物薄膜去掉后用去離子水再次清洗材料，并用溫度較高的風源對其進行干燥。隨之用天平稱重材料，并進行蝕刻過程。蝕刻完成后再次用熱風烘干材料并稱重材料的重量。

二、蝕刻速率的影響因素

衡量蝕刻效果的一個重要指標是蝕刻速率，蝕刻速率指的是一定時間內材料被蝕刻液蝕刻掉的厚度，為了探究硝酸型酸性蝕刻液蝕刻工藝的效果受到哪些因素影響，本文用實驗進行了驗證。本實驗選用的材料是具有一定面積的線路板銅箔。蝕刻時利用靜態懸掛方式，通過改變一系列實驗條件探討蝕刻速率受到何種因素影響。蝕刻速率可以用失重法來測算，將蝕刻質量、蝕刻面積進行測量并記錄，并記下蝕刻時間，根據公式可以計算出蝕刻速率。蝕刻速率具體受到如下因素的影響：

（一）硝酸濃度

硝酸型酸性蝕刻液的主要成分就是硝酸，因而硝酸濃度對蝕刻速率有著至關重要的影響。在其他因素一定的情況下，改變硝酸的濃度，可以發現越高的硝酸濃度對應越快的蝕刻速率。然而硝酸的濃度不能無限度的增大，因為一旦硝酸濃度高到一定程度，蝕刻時會生成紅棕色的刺激性氣體二氧化氮，該氣體會嚴重污染空氣，因而蝕刻液中硝酸的濃度應控制在合理范圍內，一般保證每升溶液中含有2至3mol的硝酸是比較合適的。

（二）溫度

當溫度升高時，蝕刻速率也會隨之增大。其原理是溫度的升高會使溶液的流動性增強，并且蝕刻液的粘度也會降低，從而有效增加蝕刻速率。盡管保持較高的蝕刻溫度對生產能力的提高有重要作用，然而蝕刻時要考慮蝕刻設備、管道等部件的耐熱水平，由于蝕刻機的箱體以及傳送設備都是由PVC材料制成的，在50攝氏度到65攝氏度時材料就會發生軟化甚至變形，基于保護設備的原則，選用的蝕刻溫度不能過高。另外，溫度的上升也會催化硝酸受熱分解為二氧化氮氣體，不僅造成有效成分的損失、降低蝕刻液的濃度，而且會引發嚴重的環境污染，結合實際的蝕刻工藝流程，通常將蝕刻的工作溫度維持在40攝氏度到55攝氏度之間。

（三）銅離子濃度

蝕刻速率受到銅離子濃度的影響曲線呈現倒U型，當銅離子濃度較低時，隨著銅離子濃度的增加，蝕刻速率表現為上升趨勢，而當銅離子的質量濃度超過140g/L時，蝕刻速率隨著銅離子濃度的進一步增加而下降。其原因是銅離子在蝕刻液中的溶解度的影響，當銅離子濃度較低時，蝕刻液中可以較為充分的溶解硝酸銅，而當銅離子濃度高到一定程度后，蝕刻液的濃度達到飽和便無法繼續溶解硝酸銅，通常在具體的蝕刻工藝中將銅離子的質量濃度控制在120～140g/L范圍內。

（四）抑煙劑

由于硝酸型酸性蝕刻液中的硝酸不穩定，很容易揮發，在蝕刻液中加入一定量的抑煙劑可以減少發煙情況。通過實驗可以發現，在蝕刻液中加入體積低于4%的抑煙劑可以加快蝕刻速率，當加入的量達到蝕刻液體積的2.5%時，可以得到最大的蝕刻速率，從中可以看出一定量的抑煙劑可以在減少硝酸揮發、降低環境影響的同時提高蝕刻效率。

三、提升硝酸型酸性蝕刻液蝕刻效果的建議

通過以上實驗可以確定影響硝酸型酸性蝕刻液蝕刻速率的影響因素，為了提升蝕刻效果，需要從以上幾方面因素入手，包括將蝕刻的工作溫度控制在合理范圍內，硝酸的濃度不能過高，以及保持合適的銅離子的濃度，并且可以在蝕刻工藝中加入適量的抑煙劑。此外，由于銅箔的厚度直接影響到電路圖形的導線密度，當銅箔較薄時，可以在較短的時間內完成蝕刻，并且發生的側蝕程度較低。反之會造成較大的側蝕，降低蝕刻質量。因而銅箔的厚度必須基于導線精度、導線密度以及相關技術要求合理確定。另外，電路的幾何形狀會對蝕刻液在材料表面的流動速度造成直接影響，若電路的導線圖案在橫縱方向上的分布不夠均衡，則會降低蝕刻速率，并造成蝕刻效果的不均勻。因而設計人員在設計電路時應盡量保持面板上的電路圖形分布較為均衡，并且導線具有基本一致的粗細程度。

四、結語

通過本文實驗可以發現，利用硝酸型酸性蝕刻液進行蝕刻時，蝕刻效果受到溫度、硝酸濃度、銅離子等因素的影響，對該種蝕刻工藝需要進行更深層次的研究以確定最佳的硝酸型酸性蝕刻液的成分配比，從而提升工藝水準、達到更高的蝕刻效果。

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