过硫酸氢钾复合盐与过硫酸钠在PCB微蚀刻中的对比研究

1. 2 试验方法
试验采用失重法对微蚀速率进行测定。 1) 每次试验取 1 块标准 样片 ( 40mm 40mm ), 清洗 干净, 用滤纸吸干表面水分; 2) 将样片于 110 下干燥约 20m in; 3) 自然冷却后称重, 记为 W 1 (单位: g, 精确到 4位小数 ) ; 4) 在烧杯中进行模拟微蚀试验 , 时间 2m in; 5) 样片取出后迅速清洗干净, 用滤纸吸干表面水分; 6) 与 2)同样条件下干燥, 自然冷却后称重, 记为 W 2; 7) 计算公式: v = (W 1 - W 2 ) /( S 2) = m / (A t) 式中, v 为 蚀刻 速度 , m /m in; S 为 铜板 的单 面面 积, mm2; m 为蚀刻质 量, m g; A 为 蚀刻面 积, mm2; 为 铜箔密 度, 8. 9g / cm3; t为蚀刻时间, m in。
Comparative Study on P otassium M onopersulfate Compound and Sodium P ersulfate in the PCB M icro-etch F ield
WU Cai-hong, LI Pei-hong, YANG Wan-x iu, SONG H ai-peng ( Shangha i Ansin Chem ical Co. , L td. , Shanghai 200001, Ch ina) [ Ab strac t] The app lication of Potassium M onopersu lfate Com pound and Sod ium P ersu lfate in PCB m icro-etch w as stud ied comparably by loss-w e ight to m easure the m icro-etch veloc ity. T he effects o f SPS and PMPS concentration on the etch ing ve loc ity w ere analyzed, and the re lations ofH 2 SO4 and CuSO4 concentration w ith KMPS and SPS etch ing ve loc ity w ere show ed respective ly. Experim ents indicate that the perform ance of Po tassium M onopersulfate Com pound system is m ore exce llent than that o f sodium persulfate. [ Key w ord s] P otassium m onopersulfate; M icro-etch; Sod ium persulfate; PCB
从图 1、图 2中可 以看出, 随 着浓 度的 增高, 两 体系 的蚀 刻
第 36卷 第 1期 2007年 2月 V o.l 36 No. 1 Feb. 2007
表面技术
SURFACE TECHNOLOGY
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图 1 SPS浓度对蚀刻速率的影响 F igu re 1 E ffects of SPS con cent ration on etch ing velocity
图 5 硫酸铜含量对 KM PS体系蚀刻速率的影响 Figure 5 E f fects of C uSO4 con centrat ion on KM PS etch ing velocity 一般来说, 蚀刻速率应该随着反应产物的浓度升高而降低, 但是从图 5表明, 随着 Cu2+ 浓度 的增加, 蚀 刻速率反 而增加, 并 且当硫酸铜含量达到 70g /L 后, 速率趋 于稳定。 这可能 是由 于 在蚀刻过程 中, 除 了 H2 SO4 + KHSO5 + Cu = CuSO4 + KH SO4 + H 2O 这 一 反 应外, 同 时还 存 在 着 另外 一 个 反 应: Cu + Cu2+ = 2Cu+ , 随着 Cu2+ 浓度的增加, Cu2+ /Cu+ 的氧化还原电位也逐 渐 上升, 因此, 从宏观上 反应 出微 蚀速率 的上 升。但当 Cu2+ 浓 度 达到一定 值后, 它对两种反 应的效应 趋于平衡, 因此, 蚀刻速 率
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李沛弘等 过硫酸氢钾复合盐与过硫酸钠在 PCB微蚀刻中的对比研究
KM PS体系蚀刻铜板 的效果, 表面统 一光滑、连续、界面 不粗糙, 蚀刻效果非常完美。
图 6 硫酸铜含量对 SPS体系蚀刻速率的影响 Figure 6 E ffects of C uSO4 concentrat ion on SPS etch ing velocity 也就趋于稳定。当硫酸铜含量 继续增加到 130g /L 时, 蚀刻 速率 基本保持一稳定值。由此可以 看出, 该体系的容铜量相当大, 按 含铜量计算为 28g /L, 而过 硫酸钠体系的容铜量为 25g /L。 图 6的试验结果表明: 在硫酸铜存在条件下, 过硫酸钠 体系 的蚀刻速率迅速下降, 随着铜离子浓度的增加, 蚀刻速率不断下 降, 反应难控 制, 对 铜板的蚀 刻程度也很 不均一, 可能导致 大量 废板的产生。 从上面的分析可 以看出, 硫酸铜 含量对 过硫酸 氢钾复 合盐 体系的影响并不大, 而过 硫酸钠 的体系 有着非 常大的影 响。这 主要是因为 Cu2+ 不能够催化单过硫酸 氢钾的氧化 反应, 但 可以 显著催化过硫酸盐的氧化反应 。过硫酸 化合物的氧化反应比起 单过硫酸化合物更加 复杂, 前者通常 是通过 难以控 制的自 由基 反应进行的。这也是单过硫酸氢钾体系 相对过硫酸钠体系的蚀
刻速率更稳定、更可控的又一原因。 图 7为 经 过 KM PS体 系 蚀 刻 铜 板 的 电 镜 照 片 。可 看 出 ,
2. 2 硫酸含量对蚀刻速率的影响
硫酸在 KM PS体系中起着 非常重 要的 作用, 它作 为一 个反 应物参加到 KM PS蚀刻反应中, 主要发生的反应为:
H2 SO4 + KHSO5 + Cu= CuSO4 + KH SO4 + H2O
图 4 硫酸浓度对 SPS 蚀刻速率的影响
F igu re 4 E ffects of H 2SO4 concentrat ion on SPS etch ing velocity 的存在, H2 SO4 增加, H SO4 - 也 随之增加, 因此, 有效 地抑制 了正 反应的发生, 也正是因为单过硫酸 氢钾体系的这种 反应机理, 使 其蚀刻速率非常稳定。根据蚀刻要求, 可以通过调节硫酸浓度选 择合适的蚀刻速率, 一般来说, 硫酸的浓度选择在 1% ~ 5% 为宜。
1试 验
1. 1 试验器材
过硫酸氢钾复 合盐 (上 海安而 信化 学有 限公 司, 分析 纯 )、
CuSO4 (哈尔滨化工试剂厂, 分 析纯 )、98% 硫酸 ( 上海华 谊化 学 有限公司, 分析纯 )、铜板 ( 单面板 ), 过硫酸 钠 ( 爱建德固 赛 ( 上 海 )引发剂有限公 司, 分析纯 )。
2 试验结果与讨论
[ 收稿日期 ] 2006- 10 - 10 [ 基金项目 ] 上海市科研计划项目 ( 055958043) [ 作者简介 ] 李沛弘 ( 1970 - ) , 男, 河南 南阳人, 高工, 硕士, 主 要从事 化工新型材, 以温度为 40 , 硫酸体积 比为 3% 条件 下, 考察两体系不同浓度对蚀刻速率的影响, 试验结果如图所示。
图 2 KM PS 浓度对蚀刻速率的影响 F igu re 2 E ffects of PM PS con cen tration on etch ing velocity 速率均上升, KM PS体系的 蚀刻速 率与浓 度呈线 性关 系, SPS 体 系也接近线性 增加。两 体系相 比, KM PS 体系 速率 随浓 度的 线 性关系更好, 因此, 蚀刻速率更 均一, 更稳定, 不会有瞬时的速率 大变化, 具有很好的可控 性。同时, 从试 验结果 可以看 出, 在浓 度达到 110g /L 后, KM PS体 系的 蚀刻速 率比 SPS 体系要 高, 而 且增长也更快, 从经济的角度来说, KM PS 体系能带 来更大 的经 济价值。另外, SPS溶解 速度很慢, 在未完全溶解时蚀 刻速率比 较慢, 一旦溶解完成蚀刻速率迅速上升, 很难控制。
对于 SPS体系, 从图 4中可以看出, 随着硫酸浓度的 增加, 蚀 刻速率先上升后下降。这主要是因为在该体系中, 蚀刻机理为:
N a2 S2 O8 + Cu= CuSO4 + N a2 SO4 在硫酸浓度增加不高的情况 下, SO4 2-的增 加有利 于与反 应 中的 Cu2+ 结合, 使反应 向正 反应 方向进 行, 当硫 酸增加 到一 定 程度时, 反应产物中的 SO4 2-浓度大大增加, 抑制了反 应的进程, 因此, 随着硫酸 浓度的增加, 蚀刻 速率反而 下降, 有一个突变 的 过程, 蚀刻速率不是很容易控制。
析了 SPS浓 度、KM PS浓度对蚀刻速 率的影响, 阐明了硫酸浓度、硫酸铜含量与 KM PS、SPS蚀刻速率的各自关系。试验结果表明: 过
硫酸氢钾体系的性能 优于过硫酸钠体系。
[ 关键词 ] 过硫酸氢钾复合盐; 微蚀刻; 过硫酸钠; PCB
[ 中图分类号 ] TG 172
[ 文献标识码 ] B
[文章编号 ] 1001- 3660( 2007) 01- 0078- 03
2. 3 硫酸铜含量对蚀刻速率的影响
硫酸铜含量对过硫酸钠蚀刻体系的影响很大, 因此, 我们 也 研究了 Cu2+ 浓度对单过硫酸 氢钾体 系的影 响。图 5、图 6分 别 为不同硫酸铜含量情况下单过硫酸氢钾体系与过 硫酸钠体系的 蚀刻速率情况。
图 3 硫酸浓度对 KM PS 蚀刻速率的影响 Figure 3 E f fects of H2 SO 4 concen trat ion on KM PS etch ing velocity 图 3、图 4为固定浓 度、温度下 不同硫 酸含量 对蚀刻速 率的 影响。从图 3可以看出, 随着硫酸浓 度的增加, 蚀刻速率 几乎呈 线性下降, 从理论上讲, 反应速率应该随反应 物浓度的增 加而增 加, 但实际试验结果与其正好相反, 这主要是由于产物 中 H SO4 -