Как травить платы?
В потоке читательских писем, приходящих в редакцию "Химии и жизни", не последнее место занимают вопросы радиолюбителей о способах химического травления медненых плат. Какими растворами травить? Какие химические процессы при этом протекают? Как получить или чем заменить те или иные реактивы? Попытаемся ответить на эти и другие вопросы читателей в одной заметке.
В непромышленных условиях в качестве травителя для плат наибольшее распространение получил раствор хлорного железа. Эта соль в водном растворе окисляет медь:
FeCl3+Cu => FeCl2+CuCl,
а затем и образовавшийся хлорид одновалентной меди:
FeCl3+CuCl => FeCl2+CuCl2.
В свою очередь хлорид двухвалентной меди взаимодействует с металлом:
CuCl2+Cu => 2CuCl.
Концентрация используемого раствора 400 г/л, рабочая температура до 35 °С. Регенерации использованный раствор не поддается*.
* Разумеется, в химической лаборатории можно регенерировать любой раствор но расход средств и времени на такую регенерацию будет таков, что дешевлe и проще приготовить свежие растворы Травить можно и раствором персульфата аммония (200--250 г/л) с добавлением концентрированной серной кислоты (4--5 мл/л, кислоту лить в раствор, а не наоборот!):
(NH4)2S208+Cu => (NH4)2S04+CuS04.
Наилучшие температуры этой реакции -- до 50 °С. Для более полного использования реактива раствор надо подщелочить аммиаком и охладить до 5 °С.
При этом выпадают в осадок кристаллы состава CuS04*(NH4)2S04-6H20.
Распространен также раствор на основе хлорида двухвалентной меди СuCl2. Как уже сказано, эта соль тоже способна окислять медь. Получающийся хлорид одновалентной меди CuCl нерастворим в воде, поэтому в раствор добавляют, например, хлорид аммония в количестве 145--150 г/л или хлорид натрия (160--165 г/л), с которыми CuCl образует хорошо растворимые соли с не очень устойчивым комплексным анионом [СuCl2][-]. Исходная концентрация CuCI2 100--150 г/л, рабочая температура 45--50 °С. Существенно, что 100 граммам CuCl2 эквивалентна смесь 185 г медного купороса CuS04*5H20 и 85 г поваренной соли. Эти компоненты (не забудьте про хлорид меди для образования комплекса!) растворяют в горячей (около 80 °С) воде. Сразу после остывания раствор готов к применению.
Медно-хлоридный раствор обладает еще и тем преимуществом, что его можно регенерировать. Для этого 1/7 часть отработанного раствора сливают, оставшуюся часть подкисляют концентрированной соляной кислотой (20--25 мл/л), добавляют разбавленный 1:6 пергидроль* (110--115 мл/л) и перемешивают раствор воздухом (например, с помощью микрокомпрессора) 20--30 минут. При этом происходит реакция:
2CuCl+H202+2HCl => 2CuCl2+2H20.
* Пергидроль водорода - это 30 %-ный раствор пероксида.
В заводских условиях применяют смесь соляной кислоты и 30 %-ного пероксида водорода в соотношении 1:3. После использования этот раствор практически не отличается по составу от отработанного медно-хлоридного.
Однако дома копировать этот процесс не советуем. Такая смесь очень опасна в обращении -- при попадании ее на открытые участки тела неизбежен ожог, поэтому с раствором такого состава работать можно только в очках и резиновых перчатках, под вытяжкой. В домашней лаборатории намного безопаснее смесь концентрированной соляной кислоты, пергидроля и воды в соотношении 1:1:3.
Сначала растворяют в воде пероксид, затем кислоту.
Известен и такой рецепт: в 1 л холодной воды растворяют 20--25 таблеток гидроперита (твердое соединение пероксида водорода с мочевиной состава (NH2)2CO*H202), затем осторожно добавляют 100 мл концентрированной серной кислоты. Растворы такого рода -- самые "быстрые".
Для сведения: в промышленном производстве печатных плат чаще всего применяют щелочной раствор солей меди, содержащий 65--110 г/л хлорида меди (II), 100--150 г/л хлорида аммония, 20--30 г/л карбоната аммония, 400--500 мл/л 25 %-ного раствора аммиака. Температура при травлении 45-- 50 °С.
Реакция в этом случае такова:
Сu(NH3)4Сl2+Сu=2Сu(NН3)2Сl.
Отработанный раствор легко регенерируется при продувании в него воздуха:
4Cu (NH3)2Cl+02+4NH4Cl+4NH40H => 4Cu (NH3)4Сl2+6Н20.
Вместо аммиачного медно-хлоридного раствора иногда применяют аммиачный медно-сульфатный раствор следующего состава: медный купорос 170--190 г/л, сульфат аммония 150--170 г/л, водный аммиак 400-- 500 мл/л. Рабочая температура также 45--50 °С, но травление меди в этом случае протекает медленнее.
Несколько слов о реактивах. Раствор хлорного железа можно получить, например, так: 10 %-ной соляной кислотой заливают в открытом сосуде железные опилки (1 объем на 25 объемов кислоты) и оставляют на несколько дней (осторожно, при этом выделяется взрывоопасный водород!). Когда раствор приобретет желто-бурый цвет, он готов к работе. Два способа получения этой соли из доступных веществ уже были описаны в "Химии и жизни" (1985, No 10, с. 81--82). Остальные вещества придется покупать, доставать -- словом, кустарным способом их не синтезируешь.
Персульфат аммония входит в состав фотографического ослабителя, поэтому его иногда можно купить в фотомагазинах. Медный купорос бывает в магазинах для садоводов, пероксид водорода -- в аптеках, хлорид натрия -- в продовольственных магазинах.
Предположим, у вас есть все необходимые реактивы. Какой способ травления предпочесть? Для удобства сравнения основные характеристики растворов сведены в таблицу.
Растворы
Максимальная скорость травления,
Емкость по меди, г/л*
Боковое подтравливание,
мкм
мкм/мин
железно-хлоридный
35
75 105
40--66
персульфатный
25
35
50--80
медно-хлоридный
15
10--20
40 60
аммиачный меднохлоридный
20 25
60--80
20--30
* Предельно возможное увеличение содержания меди в растворе за счет ее вытравливания с платы.
Помимо этих цифр, советуем принять во внимание и то, что при промывке плат после их травления хлоридом железа (III) остатки раствора легко гидролизуются с образованием труднорастворимых основных солей. Кроме того, материал основы способен адсорбировать ионы Fe[3+], что может ухудшать его изолирующие свойства. А вот растворы на основе солей меди смываются без осложнений. Не проливайте раствор FеСl3: очень нелегко удалить его яркие ржавые пятна с одежды, стен и эмалевого покрытия ванны. У персульфатного раствора также есть недостаток: неравномерный характер вытравливания. Работать с аммиачными растворами можно только на открытом воздухе или под тягой, что не слишком удобно.
Некоторые составы мы не станем рекомендовать для работы в домашних условиях, сообщим же о них только для полноты картины. Например, существуют травильные растворы на основе хлоритов (эти соли взрывоопасны), на основе хромового ангидрида (он ядовит, да, впрочем, и взять его негде), на основе других, еще более редких веществ.
И последнее. Для нанесения рисунка пользуйтесь покрытием, соответствующим условиям травления. В сильнокислых растворах лучше использовать кислотостойкую краску (например, НЦ-11), в слабокислых вполне подходит для защиты клей БФ-2. Если раствор будет нагреваться, целесообразно применить теплостойкую краску.
|
