Kein Kupfer mehr: Die Chemie hinter dem Ätzen von Leiterplatten

Aus vielen Gründen ist das Ätzen von Leiterplatten zu Hause eine aussterbende Kunst. Der Hauptgrund ist natürlich die Zunahme der schnellen Herstellung von Leiterplatten. Wenn Sie Ihre Gerbers verschicken und für ein paar Dollar eine Schachtel mit etwa einem Dutzend professionell gefertigter Leiterplatten zurückerhalten können, warum sollten Sie sich dann mit dem Ätzen Ihrer eigenen Leiterplatten beschäftigen?

Abgesehen von Bequemlichkeit und Kosten gibt es eine Menge triftiger Gründe, Ihre eigenen Boards zu entwickeln, angefangen von der Notwendigkeit, nicht auf den Versand warten zu müssen, bis hin zum Wunsch, den Prozess einfach selbst zu kontrollieren. Unabhängig davon, in welcher Lagergruppe Sie sich befinden, lohnt es sich jedoch zu wissen, was passiert, wenn Ihre schlichte kupferkaschierte Platine, geschmückt mit Ihren wertvollen Kunstwerken, in den Ätztank schlüpft und zu einer Leiterplatte wird. Was genau passiert da drin, um das Kupfer zu entfernen? Und wie wirkt sich die Ätzmethode auf das Endprodukt aus? Werfen wir einen Blick auf einige der gängigeren Ätzmethoden, um die Chemie hinter Ihren Platinen zu verstehen.

Letztendlich geht es beim Ätzen von Leiterplatten darum, Kupfer auf möglichst kontrollierte Weise von einer Leiterplatte zu entfernen. PCB-Ätzverfahren fallen im Allgemeinen in eine von zwei großen Kategorien: Nass- und Trockenverfahren. Für den Heimspieler würden Trockenprozesse Methoden wie das Ausfräsen von Spuren mit einer CNC-Fräse oder sogar die bewährte Methode des Auskratzens von Spuren mit einer Rasierklinge umfassen. Auf kommerzieller Ebene bezieht sich Trockenätzen im Allgemeinen auf Methoden wie das Laserätzen, bei dem ein Hochleistungslaser verwendet wird, um Kupfer vom darunter liegenden Substrat abzutragen, um Spuren zu erzeugen, oder das Plasmaätzen, bei dem HF-Energie verwendet wird, um aus einer Ätzung ein reaktives Plasma zu erzeugen Gas.

Mit der bemerkenswerten Ausnahme des Auskratzens von Spuren mit einem X-Acto haben diese Trockenätzmethoden alle den Nachteil, dass sie spezielle Maschinen erfordern. Was ihnen jedoch an Einfachheit fehlt, machen sie durch die Ätzrichtung und die feine Kontrolle, die sie bei der Kupferentfernung erreichen, wett. Trockenätzverfahren sind allesamt anisotrope Verfahren; Das heißt, sie lenken den Kupferabtrag in eine einzige Richtung und vermeiden das Risiko einer Unterätzung. Nassverfahren, die alle auf chemischen Reaktionen beruhen, um metallisches Kupfer in eine wässrige Lösung zu bringen, sind isotrope Prozesse, das heißt, sie laufen mehr oder weniger gleichmäßig in alle Richtungen ab. Dies kann zum Problem werden; Wenn der Prozess nicht streng kontrolliert wird, können sich die Ätzreaktionen unter die Lackschicht erstrecken und Bereiche der zukünftigen Leiterbahnen der Leiterplatte abdecken, was möglicherweise zu einer Verengung der Leiterbahnen mit hohem Widerstand oder sogar zu offenen Schaltkreisen führt.

Wenn Sie zu Hause Leiterplatten geätzt haben, stehen die Chancen gut, dass Sie es zumindest mit der alten Alternative Eisenchlorid versucht haben. Es ist billig und einfach und hat viele Vorteile gegenüber anderen Nassätzchemikalien. Nicht zuletzt besteht der Vorteil darin, dass Sie mit nur einer Handvoll Nägeln und einigen Chemikalien, die Sie leicht in einem Schwimmbad besorgen können, einen nahezu unbegrenzten Vorrat an dem Material herstellen können Geschäft und eine Apotheke:

Eisenchlorid, auch als Eisen(III)-chlorid (FeCl3) bekannt, löst metallisches Kupfer schnell und effektiv auf, aber wie sieht die Reaktion aus? Die allgemeine Reaktion ist ziemlich einfach:

Wenn Eisenchlorid mit metallischem Kupfer in Kontakt kommt, wird eines seiner Chloratome auf ein Kupferatom übertragen, wodurch Kupfer(II)-chlorid oder Kupferchlorid entsteht, das in Wasser löslich ist. Dadurch kann das Kupfer, das einmal mit dem PCB-Substrat verbunden war, abgespült werden. Es scheint recht einfach zu sein, aber hinter der Gesamtreaktion verbirgt sich eine Menge chemischer Komplexität, und es lohnt sich, sich ein wenig mit den Details zu befassen.

Zunächst ein wenig zur Nomenklatur. Verbindungen mit Metallkationen (positiv geladene Spezies) verwenden traditionell unterschiedliche Suffixe, um ihren Oxidationszustand oder die Ladung des Atoms zu bezeichnen. Das Suffix „-ic“ bezeichnet die höhere Oxidationsstufe, während sich „-ous“ auf die niedrigere Oxidationsstufe bezieht. Das Suffix wird an das lateinische Präfix für das Metall angehängt und ergibt Namen wie „ferric“, was sich auf Eisen mit einem Oxidationszustand von 3+ bezieht, oder „ferrous“, was einem Zustand von 2+ entspricht. Diese Konvention reicht fast bis in die Zeit der Alchemie zurück, und obwohl sie immer noch allgemein verwendet wird, besteht die Standardnomenklatur heute darin, den Oxidationszustand mit römischen Ziffern in Klammern in den Verbindungsnamen Eisen(III)-chlorid (FeCl3) und Eisen(II) anzugeben. Chlorid (FeCl2).

Die Nomenklatur schafft die Grundlage für das Verständnis der zugrunde liegenden Reaktionen, die dafür sorgen, dass Eisenchlorid Kupfer gut ätzen kann. In Lösung zerfällt Eisenchlorid schnell in Eisen(III)- und Chloridionen:

(Gl. 1)

Ebenso zerfällt Wasser in Wasserstoff- und Hydroxylionen:

(Gl. 2)

Dies führt zu einer Fülle an Eisen(III)-Ionen mit einer starken positiven Ladung in einer Umgebung mit vielen negativ geladenen Hydroxylionen. Sie verbinden sich und bilden Eisen(III)-hydroxid, eine unlösliche Verbindung, die aus der Lösung ausfällt:

(Gleichung 3)

Das Herausziehen all dieser Hydroxylionen aus der Lösung hinterlässt eine Reihe von Wasserstoffionen, was dazu führt, dass die Lösung saurer wird (ihr pH-Wert sinkt). Dadurch entsteht eine Umgebung, in der die Eisen(III)-Ionen aus Gleichung 1 ein Elektron (Reduktion) von der festen Kupferummantelung auf der Leiterplatte gewinnen, was zu einer Oxidation des Kupfers zu Kupfer(II)-Ionen in Lösung führt:

(Gl. 4)

Die Kupfer(II)- und Eisen(II)-Ionen in Lösung können sich dann frei auf alle stark elektronegativen Chloridionen aus Gleichung 1 konzentrieren und so die Kupfer(II)-Chlorid- und Eisen(II)-Chlorid-Produkte auf der rechten Seite des Gesamtbildes bilden Gleichung und hinterlässt kupferfreie Bereiche auf der neugeborenen Leiterplatte. Die Ätzlösung wird schließlich mit Kupfer(II)-oxid gesättigt, das als blaugrüner Feststoff aus der Lösung auszufallen beginnt. Es dauert jedoch eine Weile, bis wir dort ankommen. Abhängig von der Stärke des Ätzmittels im frischen Zustand können Sie damit rechnen, dass es bis zu 50 Gramm Kupfermetall pro Liter hält, bevor es nichts mehr aufnehmen kann.

Persulfate sind normalerweise als Natrium- oder Ammoniumsalze oder manchmal sogar als Kalium erhältlich. Diese positiv geladenen Spezies werden als Gegenionen bezeichnet; Beim Auflösen in Wasser dissoziieren Persulfatsalze schnell in freie Persulfat-Ionen und ihre Gegenionen:

Die Gegenionen schweben einfach weg und nehmen an der folgenden Ätzreaktion in keiner ernsthaften Weise teil; Sie sind nur damit beschäftigt, sich locker an die Persulfat-Ionen zu binden und in einem ständigen Gleichgewichtstanz wieder abzufallen. Die eigentliche Aktion erfolgt mit den Persulfaten, die bereit sind, metallisches Kupfer zu bearbeiten.

Anders als bei Eisenchlorid ist die Gesamtreaktion zwischen Persulfaten und Kupfer so ziemlich das Ganze:

Wenn die Persulfat-Ionen mit festem Kupfer in Kontakt kommen, gibt das Metall eifrig Elektronen an die Peroxidbindung ab, reduziert die Bindung und spaltet das Persulfat in zwei Sulfationen auf, während das Kupfer gelöst wird. Das gelöste Kupfer bindet dann an eines der Sulfationen und bildet Kupfer(II)sulfat, das der Persulfat-Ätzlösung beim Fortschreiten des Ätzens einen bekannten blaugrünen Farbton verleiht.

Ein weiteres bei Heimbrauern und kommerziellen Herstellern gleichermaßen beliebtes Ätzmittel ist Kupferchlorid, oder in der derzeit akzeptierten Nomenklatur Kupfer(II)-chlorid. Es mag etwas seltsam erscheinen, dass ein Ätzmittel für Kupfer Kupfer selbst enthält, aber Kupferchlorid ätzt schnell und kostengünstig und hat den Vorteil der Regeneration.

Während es möglich ist, einfach eine Kupferchloridlösung zu kaufen (oder herzustellen), indem Altkupfer mit Salzsäure behandelt wird, ist es einfacher, einfach alle Zutaten zusammen mit der zu ätzenden Leiterplatte zu vermischen und das Kupfer auf der Platine anstelle des Altkupfers stehen zu lassen . Die Gesamtreaktion ist ziemlich einfach, verbirgt aber wiederum eine interessante chemische Komplexität:

Kupferchlorid greift das metallische Kupfer auf der Leiterplatte an und erzeugt dabei zwei Moleküle löslichen Kupferchlorids. Ziemlich einfach, aber wo kommt das Kupferchlorid überhaupt her? Wir brauchen eine Möglichkeit, ein wenig Kupfer von der Platine aufzulösen und es mit einigen Chloridionen reagieren zu lassen. Dies geschieht üblicherweise mit einer Mischung aus Salzsäure und Wasserstoffperoxid. Zunächst zerfällt das Wasserstoffperoxid in Wasser und ein Sauerstoffradikal, während die Salzsäure in Wasserstoff- und Chloridionen zerfällt:

Dies ist eine ziemlich wirksame Mischung, bei der das Sauerstoffradikal und die Chloridionen das feste Kupfermetall angreifen und einen Komplex bilden, der als Tetrachlorcuprat bekannt ist:

Der Chlor-Kupfer-Komplex ist in der Lage, Kupfer direkt zu oxidieren, wodurch Kupferchlorid entsteht, das dann den Großteil der Ätzung übernimmt:

Der Hauptvorteil des Kupferchloridätzens ist die Regeneration, die auf verschiedene Arten erreicht werden kann. In der Industrie wird häufig Chlorgas durch das Ätzmittel geleitet; Dadurch wird das Kupferchlorid wieder in Kupferchlorid umgewandelt, ohne dass das Ätzmittel verdünnt wird. Dies ist jedoch offensichtlich nicht etwas, was Sie im Heimlabor tun möchten. Natriumperchlorat, ein weiteres starkes Oxidationsmittel, wird manchmal industriell verwendet, hat jedoch den Nachteil, dass beim Ätzmittel ein Natriumchloridniederschlag entsteht, der entfernt werden muss. Es gibt auch elektrolytische und elektroosmotische Methoden, die Kupferchlorid wiederherstellen und gleichzeitig das metallische Kupfer zurückgewinnen, aber diese sind offensichtlich kompliziert.

Glücklicherweise steht dem Heimspieler eine einfache Regenerationsmethode zur Verfügung, die Chemikalien verwendet, die wir bereits hinzugefügt haben, um die Reaktion in Gang zu setzen: Salzsäure und Peroxid:

Durch die Oxidation von Kupfer(I)-chlorid mit Wasserstoffperoxid in Gegenwart von Chloridionen aus Salzsäure wird die Ätzlösung effektiv zurückgesetzt, das Kupfer(II)-chlorid wird wiederhergestellt und die Lösung ist für einen weiteren Angriff auf das feste Kupfermetall bereit. Dabei entstehen jedoch Wassermoleküle, sodass die Verdünnung ein Problem darstellt, das jedoch bis zu einem gewissen Grad durch die Zugabe von mehr Säure ausgeglichen werden kann. Dennoch ist es ein ziemlich nettes System, ein nahezu geschlossener Prozess, der kostengünstig und einfach ist.

In dieser kurzen Tour fehlen offensichtlich viele Details, und es gibt eine Menge anderer Ätzmethoden, die ich nicht behandelt habe. Doch ganz gleich, für welche Variante Sie sich entscheiden, stellen Sie sicher, dass Sie die richtigen Vorsichtsmaßnahmen treffen, Ihre PSA tragen und einen Plan haben, was Sie mit dem Abfall tun wollen.