Повышение стабильности раствора травления

Добрый день, уважаемые читатели. В предыдущей части статьи мы обсуждали одну из распространённых рецептур для травления печатных плат на основе перекиси водорода, лимонной кислоты и хлорида натрия.

Несмотря на простоту рецептуры и доступность ингредиентов она обладала рядом недостатков. Одним из таких недостатков была не очень хорошая стабильность раствора в некоторых условиях эксплуатации. Сегодня мы рассмотрим альтернативные схожие рецептуры травления и попробуем повысить стабильность итогового раствора травления.

Решить проблему со стабильностью в лоб можно, если заменить лимонную кислоту на кислоту, не окисляющуюся в условиях травления перекисью водорода. В качестве таких кислот могут выступать серная и сульфаминовая кислоты.

Где взять раствор серной кислоты? Используем электролит аккумуляторный кислотный, плотностью 1.27-1.28 кг/л! То что надо — это раствор серной кислоты с концентрацией 28-32%. Раствор для травления в этом случае будет выглядеть следующим образом:

1. 50 мл. 30% раствора серной кислоты (аккумуляторного электролита);
2. 50 мл. дистиллированной воды;
3. 10-12 мл. 35-40% раствора перекиси водорода;
4. 5 гр. хлорида натрия.

Если же вы используете аптечную перекись водорода, то можно воспользоваться следующим составом:

1. 50 мл. 6% раствора перекиси водорода;
2. 50 мл. 30% раствора серной кислоты;
3. 5 гр. хлорида натрия (поваренной соли).

При использовании же 3% раствора перекиси водорода необходимо использовать 100 мл перекиси. В этом случае суммарный объём раствора будет 150 мл вместо 100 и эффективность травления будет несколько ниже. Итоговый раствор травления в этом случае будет выглядеть следующим образом:

1. 100 мл. 3% раствора перекиси водорода;
2. 50 мл. 30% раствора серной кислоты;
3. 5 гр. хлорида натрия (поваренной соли).

В общем-то применение травильного раствора на основе серной кислоты практически аналогично применению состава на основе лимонной кислоты. На видео ниже показан нормально протекающий процесс травления практически перед его завершением.

Химизм протекающих процессов при травлении в растворе на основе серной кислоты во многом схож с раствором на основе лимонной кислоты, но при этом имеет ряд принципиальных отличий. Так, например, назначение перекиси водорода и хлорида натрия фактически идентично. Но вместе с тем в качестве основного продукта травления будет образовываться уже не цитрат меди, а сульфат.

Кроме того, серная кислота — это сильная неорганическая кислота. В концентрированном виде является мощным окислителем. В разбавленном растворе окислительные свойства выражены слабо, но важно другое — серная кислота в растворе стабильна т.е. она не способна в условиях растворов травления выступать в качестве топлива и окисляться с выделением дополнительной теплоты. В связи с этим растворы на основе серной кислоты ощутимо стабильнее растворов на основе лимонной кислоты и менее склонны к быстрому саморазогреву в процессе травления.

Если Вы дочитали до этого места, то у вас могло появиться желание для ускорения процесса травления добавить в раствор побольше хлорида натрия и рука уже потянулась к банке с поваренной солью… …но этого делать не стоит! Также как и не стоит повышать концентрацию серной кислоты в растворе!

Дело в том, что при определённых условиях серная кислота способна достаточно эффективно реагировать с хлоридом натрия. Результатом данной реакции будет выделение газообразного хлороводорода (HCl) — это один из классических лабораторных способов получения хлороводорода и, соответственно соляной кислоты (раствора хлороводорода в воде). Кроме того продуктом реакции является в т.ч. хлор. В каких соотношениях они будут образовываться зависит от целого ряда факторов.

Хлороводород — бесцветный, термически устойчивый ядовитый газ с резким запахом. Во влажном воздухе дымит. Отлично растворяется в воде с образованием соляной кислоты. При вдыхании хлороводорода и при попадании его на слизистую оболочку глаз будет образовываться раствор соляной кислоты. Если хлороводорода будет много — можно получить, как минимум, химический ожог слизистых, а как максимум тяжёлое отравление.

Хлор — токсичный удушающий газ желтовато-зелёного цвета, тяжелее воздуха, ирритант. При попадании в лёгкие и на слизистые оболочки вызывает ожог (в следствие образования соляной и хлорноватистой кислот) со всеми вытекающими последствиями (аналогичными хлороводороду).

Таким образом за повышенную стабильность к саморазогреву раствора на основе серной кислоты приходится платить возможностью протекания побочных реакций с образованием хлора и хлороводорода при нарушении пропорций в описанных выше рецептурах.

На видео ниже показан процесс протекания химических реакций в растворе с повышенным содержанием хлорида натрия и серной кислоты. Зелёный цвет раствора в данном случае обусловлен образующимся акватированными хлорокомплексами меди.

Так же можно заметить, что при небольшом добавлении 10% раствора аммиака стекающие несколько капель становятся сине-фиолетового цвета — это образуется аммиакат меди (кстати, достаточно чувствительная реакция для определения ионов меди). При реакции паров аммиака с хлороводородом образуется белый дым — хлорид аммония.

Основными достоинствами данного раствора травления являются:

• достаточно высокая скорость травления;
• отсутствие необходимости подогревать раствор для ускорения процесса травления;
• все компоненты раствора легкодоступны;
• низкая вероятность образования на поверхности травления малорастворимых соединений.

Основными недостатками данного раствора являются:

• возможность самопроизвольного закипания травильного раствора при определённых условиях с образованием едкого аэрозоля;
• необходимость при работе использовать СИЗ (противоаэрозольный респиратор, защитные очки, перчатки);
• приготовленный раствор не хранится т.к. в нем продолжается распад перекиси водорода т.е. повторно использовать раствор не удастся;
• при большом избытке хлорида натрия и серной кислоты возможно образование ощутимых объёмов хлороводорода и хлора;
• приготовление раствора требует навыков обращения с кислотами (даже 30-40% раствор серной кислоты способен оставлять ожоги, а так же портить одежду из некоторых материалов).

А что насчет озвученной ранее сульфаминовой кислоты? Давайте попробуем использовать и её! Раствор травления при использовании сульфаминовой кислоты будет выглядеть следующим образом:

1. 150 мл. дистиллированной воды;
2. 25 гр. сульфаминовой кислоты;
3. 12-15 мл. 35-40% раствора перекиси водорода;
4. 8-10 гр. хлорида натрия.

Если же вы используете 3% аптечную перекись водорода, то раствор будет выглядеть так:

1. 120-150 мл. 3% раствора перекиси водорода;
2. 25 гр. сульфаминовой кислоты;
3. 8-10 гр. хлорида натрия.

В общем-то процесс травления достаточно похож на процесс с использованием серной кислоты, но основным продуктом реакции в данном случае будет уже не сульфат меди, а сульфамат меди.

На видео ниже показан нормальный процесс протекания травления на тестовой заготовке ближе к его завершению.

При этом сульфаминовая кислота по сравнению с серной обладает одним существенным преимуществом — в результате протекания побочных реакций образование хлора и хлороводорода практически невозможно! Даже при локальном перегреве раствора будет происходить гидролиз сульфаминовой кислоты до гидросульфата аммония.

Да, гидросульфат-ион в растворе может диссоциировать на сульфат-ион и ион-водорода. Но при этом концентрации свободных ионов водорода будет банально недостаточно для протекания реакции образования хлора либо хлороводорода в растворе.

Кроме того на видео можно заметить, что при извлечении заготовки из травильного раствора от заготовки поднимается несколько клуб пара — это испаряется с поверхности травильный раствор. Как было отмечено в начале данной статьи, протекающие в процессе травления реакции экзотермические т.е. происходят с выделением теплоты. Данной теплоты достаточно для испарения травильного раствора в тонком слое (относительно площади поверхности). Заготовка при этом становится ощутимо горячей.

В отдельных случаях при использовании фоторезиста для нанесения защитного рисунка в некоторых местах фоторезист может вспучиваться от перегрева при подобном извлечении из раствора — этот момент всегда необходимо учитывать.

Основными достоинствами данного раствора травления являются:

• достаточно высокая скорость травления;
• отсутствие необходимости подогревать раствор для ускорения процесса травления;
• низкая вероятность образования на поверхности травления малорастворимых соединений;
• образование хлора и хлороводорода при соблюдении условий травления фактически невозможно;
• практическая невозможность создания более концентрированных растворов кислоты при комнатной температуре (растворимость сульфаминовой кислоты при 20 градусах Цельсия — 17.5 гр./100 мл. воды, при 40 градусах Цельсия — 22.7 гр./100 мл. воды. Именно по этой причине конечный состав содержит 150 мл. раствора на ту же стравливаемую площадь, а не 100 мл.).

Основными недостатками данного раствора являются:

• возможность самопроизвольного закипания травильного раствора при определённых условиях с образованием едкого аэрозоля;
• необходимость при работе использовать СИЗ (противоаэрозольный респиратор, защитные очки, перчатки);
• приготовленный раствор не хранится т.к. в нем продолжается распад перекиси водорода т.е. повторно использовать раствор не удастся.

Таким образом из уже рассмотренных рецептур наиболее удачной с точки зрения стабильности и отсутствия протекания опасных побочных реакций является является именно рецептура на основе сульфаминовой кислоты. Несколько худшими параметрами обладает рецептура на основе серной кислоты. И самой неудачной является рецептура на основе лимонной кислоты. А вот если рассматривать с точки зрения итоговой стоимости травильного раствора, то ситуация будет ровно обратная. По итогу раствор на основе серной кислоты находится как раз посередине между стоимостью и стабильностью…

А на этом на сегодня всё. Спасибо, что дочитали до конца!