摘要：硝酸型蚀刻液具有与盐酸型蚀刻液一样的优点，且还具有侧蚀量小的优势，在高精度印刷电路板蚀刻中具有广阔的应用前景。本文对硝酸型酸性蚀刻液的蚀刻机理及优缺点进行了分析，介绍了硝酸型蚀刻液蚀刻工艺的流程，并分析了蚀刻反应的影响因素，进行了蚀刻反应条件的优化。希望能为硝酸型蚀刻液的应用提供理论指导。
关键词：硝酸；酸性蚀刻液；蚀刻工艺；影响因素
前言
蚀刻主要是采用蚀刻液来对印刷电路板进行蚀刻，当前常用的蚀刻液有酸性氯化铜、碱性氯化铜、氯化铁、硫酸/铬酸和硫酸/双氧水蚀刻液。在这几种蚀刻液中，酸性氯化铜和碱性氯化铜是印刷电路板中使用最多的蚀刻液。其中，盐酸型酸性蚀刻液具有蚀刻均匀、速度快、低成本、可再生等优点，被广泛用作印刷电路板的蚀刻液。然而目前对印刷电路板的要求也越来越高，线宽和线间距越来越小，要求蚀刻液的侧腐蚀也必须越来越小。而硝酸型蚀刻液虽然研究较少，但其侧腐蚀比盐酸型要小很多，可以满足蚀刻液的侧腐蚀性变小的要求，具有较好的应用前景。
1 硝酸型酸性蚀刻液蚀刻机理
硝酸型酸性蚀刻液是硝酸铜和硝酸的混合溶液，将该蚀刻液喷到电路板表面时，会与金属铜发生蚀刻反应。其反应机理为：
在蚀刻过程中，实际的反应过程是铜离子和亚铜离子发生反应形成了相应的络合物。硝酸铜与硝酸能够形成H2Cu（NO3）4络合物，该络合物与金属铜和硝酸继续发生氧化还原反应生成亚铜离子的配合物H2Cu（NO3）3。该过程就是蚀刻反应过程：第一步金属铜与H2Cu（NO3）4络合物发生氧化还原反应生成H2Cu（NO3）3和CuNO3，第二步生成的硝酸亚铜可以与硝酸发生络合反应生成H2Cu（NO3）2络合物。从反应过程可以看出硝酸是主要的消耗品，在通入空气的情况下硝酸铜可以再生。
2硝酸型酸性蚀刻液的特点
硝酸型酸性蚀刻液相比于其他类型的蚀刻液具有很多的优点。第一，硝酸型蚀刻液的侧蚀小，其达到蚀刻的线条侧壁接近于垂直状态，使得其侧蚀可以忽略不计，可以用于高精度的印刷电路板的生产。第二，硝酸型蚀刻液拥有较快的蚀刻速率，其蚀刻速率可达到50 μm/min以上。第三，硝酸型蚀刻液不需要添加其他的添加剂，成本较低。第四，不含有强氧化成分，对人体的刺激小，目前通常使用的盐酸型蚀刻液通常需要加入氯酸钠及双氧水等，这些物质具有强氧化性和刺激性，对操作人员存在健康隐患，而硝酸型蚀刻液中无其他添加物，对人体不会有较大的刺激作用。第五，硝酸型酸性蚀刻液的用量与盐酸型蚀刻液相当，比其他类型的蚀刻液用量要小很多。第六，硝酸型酸性蚀刻液容易再生，采用通空气的方式，就可以通过氧气对亚铜离子进行氧化使得铜离子再生，进而继续进行蚀刻操作，进一步降低了成本，减少了污染。当然硝酸型蚀刻液也有缺点，就是在蚀刻过程中容易产生烟雾，可以用抑烟剂来解决这个问题。
3 硝酸型酸性蚀刻液蚀刻工艺及影响因素
3.1 硝酸型酸性蚀刻液蚀刻工艺过程
硝酸型酸性蚀刻液蚀刻工艺主要包括：曝光→显影→多级水洗→蚀刻→多级水洗→退膜→多级水洗→风刀吹干→烘干→收板
3.2 硝酸型酸性蚀刻液蚀刻反应的影响因素
3.2.1 温度的影响
温度对蚀刻反应起到促进作用，蚀刻速率随着反应温度升高而显著增大。主要包括两方面的原因：一方面，根据阿伦尼乌斯公式，反应温度越高，能量高于反应活化能的分子越多，分子的动能增加，有效碰撞概率增大，反应速率加快，使得蚀刻速率增大。另一方面，温度升高可以使得反应溶液的粘度显著下降，反应溶液的流动性显著提升，进而使得蚀刻加快。但是温度如果过高容易使得硝酸发生分解，生成氮氧化物有毒气体，不仅需要加大硝酸投入，造成环境污染问题，而且还会使得蚀刻箱的材料变形，影响蚀刻箱的寿命，并需要消耗更多的能源，经济性差。因此，硝酸型蚀刻液使用的温度通常控制在45-55 ℃内。
3.2.2 铜离子浓度的影响
硝酸型蚀刻液蚀刻速率随着铜离子用量的增加呈现先增加后降低的趋势。说明在一定范围内增加铜离子的用量，有利于蚀刻反应的进行，铜离子浓度越大，铜离子与金属铜的蚀刻反应加快。当超出一定范围以后，蚀刻速率开始下降，主要是因为硝酸铜的水合物溶解度较低，继续增加会出现不溶解的情况，对反应起到一定的阻碍作用。硝酸型蚀刻液铜离子的适宜的浓度为140g/L左右。
3.2.3 硝酸用量的影响
硝酸是硝酸型蚀刻液的主要消耗成分，其用量会显著影响蚀刻反应。蚀刻速率随着硝酸用量的增加而显著增大。但当浓度超过3 mol/L时，硝酸容易发生分解而释放出毒性气体，危害环境和人体健康。所以，综合考虑硝酸蚀刻液中硝酸的用量不宜超过3 mol/L。
3.2.4 亚铜离子含量的影响
在进行蚀刻过程中会生产亚铜离子，也会对蚀刻速率产生影响。具体的影响是蚀刻速率随着亚铜离子含量的增加而显著降低，说明亚铜离子越多也不利于蚀刻反应的发生，因此可采用通入空气的方式，将亚铜离子氧化成铜离子，减少亚铜离子含量，促进蚀刻反应的发生，加快蚀刻过程。
3.2.5 蚀刻液最佳条件的优化
通过对以上因素进行分析，发现硝酸用量对蚀刻速率和侧蚀量的影响最大，铜离子浓度对二者的影响最小，反应温度的影响介于硝酸用量和铜离子用量之间。为了获得高的蚀刻速率和小的侧蚀量，通常选择的最优条件是铜离子浓度为140 g/L左右，硝酸浓度为2.5 mol/L左右，温度为50 ℃左右，此时可以获得50μm/min以上的蚀刻速率，而且侧蚀很小。
3.2.6 抑烟剂的使用
硝酸蚀刻液使用中，由于硝酸的存在，容易产生烟雾，因此，采用加入抑烟剂来对烟雾进行抑制。结果发现加入抑烟剂不仅可以有效抑制烟雾的产生，还能够使得蚀刻速率增大。当加入量为蚀刻液体积的2%，蚀刻速率达到最大。因此，加入抑烟剂不仅可以抑制硝酸发烟，优化实际工作环境，还可以提高蚀刻速率。
结束语
随着PCB生产的精细度要求越来越高，对蚀刻液的性能要求也越来越高。酸性氯化铜是PCB生产中使用最广泛，但是其侧蚀量难以满足高精密度电路板的蚀刻要求，因此需要开发新的蚀刻液。而硝酸型蚀刻液的侧蚀量要显著低于盐酸型蚀刻液，在高精度电路板蚀刻中有较好的应用潜力。通过对硝酸型蚀刻液的影响因素进行分析发现：酸用量对蚀刻速率和侧蚀量的影响最大，铜离子浓度对二者的影响最小，反应温度的影响介于硝酸用量和铜离子用量之间。为了获得高的蚀刻速率和小的侧蚀量，通常选择的最优条件是铜离子浓度为140 g/L左右，硝酸浓度为2.5 mol/L左右，温度为50 ℃左右，此时可以获得50 μm/min以上的蚀刻速率，而且侧蚀很小。
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论文作者:徐刚
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
标签：硝酸论文; 离子论文; 酸性论文; 速率论文; 用量论文; 浓度论文; 氯化铜论文; 《基层建设》2019年第14期论文;