РадиоКот >Лаборатория >Радиолюбительские технологии >

Теги статьи:

Травление. Часть 2

Автор: Sobiratel_sxem
Опубликовано 01.12.2021
Создано при помощи КотоРед.

     Добрый день, уважаемые радиолюбители.

     В предыдущих частях данной статьи мы подробно рассмотрели процесс подготовки заготовки из стеклотекстолита к нанесению защитного рисунка, само нанесение защитного рисунка, а так же начали рассматривать способы травления, применяемые в домашних условиях. Сегодня мы продолжим рассмотрение способов травления.

     В самом начале статьи мы закончим рассматривать составы на основе перекиси водорода для травления печатных плат в присутствии той или иной кислоты и попытаемся использовать уксусную, а так же ортофосфорную кислоты [1,2].

     Итак, при использовании уксусной кислоты необходимо приготовить раствор травления следующего состава:

     Если же Вы используете 3% аптечный раствор перекиси водорода, то раствор травления будет выглядеть следующим образом:

     Сам по себе принцип применения травильного раствора на основе перекиси водорода и уксусной кислоты аналогичен рассмотренным ранее. В связи с этим я не буду подробно расписывать его приготовление и прочие подобные моменты. На видео ниже показан процесс протекания травления через 2-3 минуты после погружения заготовки в травильный раствор.

 

     По видео может показаться, что процесс травления протекает достаточно бурно и слой меди будет так же стравливаться достаточно быстро, но не всё так просто. Дело в том, что основная часть видимого пузырения — это активный распад перекиси водорода.

     В проведённом эксперименте изначальная температура раствора травления — комнатная. После погружения заготовки в раствор на поверхности начинают выпадать не особо хорошо растворимые кристаллы ацетата меди тёмного сине-зелёного цвета (см. подборку фото ниже). Растворимость ацетата меди в воде при комнатной температуре около 7-8 гр./100 мл. [3,4].

     Решить проблему с выпадением кристаллов можно незначительным подогревом травильного раствора до температуры около 35-40 градусов Цельсия (т.к. при температуре выше начинается заметный распад перекиси водорода). Растворимость ацетата меди в горячей воде несколько выше и может достигать 20 гр./100 мл, но реально такой растворимости получить не удастся.

     Если вы внимательно читали предыдущую часть данной статьи, то скорее всего обратили внимание на то, что протекающие при травлении реакции в основном экзотермические т.е. протекают с выделением теплоты. Выделяющаяся теплота разогревает травильный раствор, что дополнительно увеличивает скорость протекающих реакций.

     При применении уксусной кислоты данные процессы протекают достаточно интенсивно и раствор начинает быстро разогреваться. Поэтому дополнительно разогревать раствор не нужно — он с этим сам прекрасно справляется. Мало того, раствор придётся наоборот дополнительно охлаждать, поддерживая температуру не выше 35-40 градусов Цельсия (в идеале) т.к. в противном случае возможно закипание травильного раствора, аналогично раствору на основе лимонной кислоты.

     В случае закипания будет образовываться достаточно едкий аэрозоль вперемешку с парами уксусной кислоты (т.к. она достаточно летуча). И если от аэрозоля вас неплохо защитит противоаэрозольный респиратор, то против паров уксусной кислоты он бесполезен — нужна полнолицевая маска (либо противогаз) с соответствующими фильтрами [6].

     Кроме того пары уксусной кислоты способны вызывать химические ожоги слизистых оболочек. Смертельная разовая доза составляет примерно 20-50 мл. в пересчёте на 100% уксусную кислоту. По разным источникам порог чувствительности запаха уксусной кислоты в среднем составляет 300-500 мг./м3, что значительно превышает ПДК (ПДК в атмосферном воздухе составляет 0.06 мг./м3, в воздухе рабочих помещений — 5 мг./м3). Таким образом, при длительном ингаляционном воздействии возможно отравление парами уксусной кислоты со всеми вытекающими последствиями [5].

     Несмотря на то, что указанного количества компонентов раствора с запасом достаточно для вытравливания 100 см2 медной фольги толщиной 35 микрон, вся изначально добавленная перекись водорода была израсходована примерно при стравливании третьей части меди с заготовки. При этом раствор нагрелся до температуры около 40-45 градусов Цельсия. Попытка добавить свежей перекиси водорода ничем хорошим не увенчалась — при контакте с травильным раствором поверхностный слой жидкости моментально вскипал, выбрасывая облако аэрозоля из травильного раствора (снимать данный процесс на камеру я не рискнул т.к. у меня нет для неё специализированного защитного чехла либо бокса, а производительности используемой вытяжки было явно недостаточно).

     Пришлось приготовить несколько свежих растворов с другим соотношением исходных компонентов — в частности, с использованием перекиси водорода меньшей концентрации, а так же со значительно меньшим количеством хлорида натрия. По итогу мне так и не удалось получить стабильный и приемлемый результат при применении уксусной кислоты.

     Основными достоинствами данного состава травления являются:

     Основными недостатками данного состава травления являются:

     Учитывая указанные выше недостатки я бы крайне не рекомендовал использовать раствор уксусной кислоты для травления печатных плат в домашних условиях.

     Ну что же, переходим к следующему кандидату…

 

…ищу в шкафу с реактивами ортофосфорную кислоту…

 

     Ага, вот она, 75% раствор ортофосфорной кислоты — то что надо [2]!

     При использовании ортофосфорной кислоты необходимо приготовить раствор травления следующего состава:

     Если же вы используете 3% аптечный раствор перекиси водорода, то раствор травления будет выглядеть следующим образом:

     В подборке видео ниже показан процесс травления раствором указанного состава в реальном времени: на видео слева — практически сразу после погружения заготовки в раствор травления; на видео справа — примерно в середине процесса травления при максимальной интенсивности процесса.

     Основным продуктом реакции в данном случае является нерастворимый кристаллогидрат ортофосфата меди сине-зелёного цвета. Несмотря на то, что ортофосфат меди не растворим в воде, на поверхности травления образуется достаточно рыхлый слой (в отличии от плотного слоя оксалата меди), который неплохо удаляется постоянным покачиванием ванны с травильным раствором (этим обеспечивается циркуляция травильного раствора и постоянный отвод продуктов реакции из зоны реакции) [7,8].

     В целом процесс травления протекает со средней интенсивностью, но все реакции так же являются экзотермическими т.е. протекают с выделением теплоты и нагреванием травильного раствора. По представленным выше видео отлично видно, что при максимальной интенсивности процесса травления (относительно используемой заготовки) на поверхности раствора образуется пена с мелкой структурой, а раствор при этом достаточно ощутимо парит. Самое интересное, но при этом температура раствора была не выше 40-45 градусов Цельсия (и выше не поднималась в принципе).

     В целом при травлении в подобном растворе закипание травильного раствора менее вероятно, чем при использовании лимонной или серной кислоты, но теоретически возможно при травлении плат с большой площадью поверхности. Для предотвращения подобного развития событий для раствора данного состава справедливы все рекомендации, данные для состава на основе лимонной кислоты.

     В подборке фото ниже наглядно показан процесс травления на разных этапах протекания.

     Таким образом, перед тем как закончить описание использования ортофосфорной кислоты в процессе травления печатных плат, стоит ответить ещё на один небольшой вопрос: что будет, если вместо 5 гр. хлорида натрия в раствор добавить, скажем, 20 гр.? В общем-то, ничего особо катастрофического не произойдёт — скорость протекания химических реакций при этом увеличится раза в 2 (по ощущениям), но на поверхности травления будет достаточно интенсивно образовываться ортофосфат меди в виде кристаллов темно-синего цвета.

     Кроме того в растворе будет образовываться хлорид меди и при его небольшом содержании раствор станет бирюзового цвета (при небольшом избытке хлорида натрия). При большом избытке хлорида натрия дополнительно будут образовываться комплексные соединения меди светло-зелёного цвета и раствор станет ярко-зелёного цвета [10,11,12].

     Основными достоинствами данного состава травления являются:

     Основными недостатками данного состава травления являются:

     Подводя итог можно сказать, что, в общем-то, ортофосфорную кислоту вполне можно использовать для травления печатных плат в домашних условиях, но только в том случае, когда ничего другого (лимонной кислоты, серной кислоты, сульфаминовой кислоты) просто напросто нет под руками, а вытравить плату нужно срочно. Во всех остальных случаях я бы не рекомендовал использовать ортофосфорную кислоту.

     Обобщая все достоинства и недостатки, связанные с использованием тех или иных кислот, можно составить небольшой рейтинг их применимости в домашних условиях:

 

  1. место: сульфаминовая кислота — идеальный вариант;
  2. место: серная кислота — отличный вариант;
  3. место: лимонная кислота — хороший вариант;
  4. место: ортофосфорная кислота — допустимый вариант;
  5. место: уксусная кислота — плохой вариант;
  6. место: щавелевая кислота — практически не применима.

 

     На этом моменте мы заканчиваем знакомство с рецептурами на основе перекиси водорода в присутствии тех или иных кислот и переходим к рассмотрению других составов травления.

     Рассмотрим типовой состав травления на основе персульфатов (персульфата аммония, персульфата натрия). В описанных экспериментах мной использовался персульфат аммония [13,14,15,16].

     Итак, в классической рецептуре при использовании персульфата аммония необходимо приготовить раствор следующего состава:

     После полного растворения персульфата аммония необходимо раствор травления подогреть до 40-45 градусов Цельсия, опустить в раствор заготовку и дождаться окончания травления. На всём протяжении процесса травления необходимо примерно поддерживать указанную температуру раствора т.к. в случае уменьшения температуры скорость травления значительно падает и на поверхности возможно выпадение кристаллов сульфата меди (см. подборку фото ниже). При перегреве же (особенно выше 60 градусов Цельсия) в растворе будет достаточно быстро распадаться присутствующая перекись водорода и, несмотря на увеличение скорости травления мы получим перерасход персульфата аммония.

     Дело в том, что в водном растворе персульфат аммония гидролизуется (распадается) на несколько составляющих — серную кислоту, перекись водорода и сульфат аммония (сульфат натрия в случае персульфата натрия). Фактически, в процессе травления участвует серная кислота и перекись водорода. При этом сульфат аммония или сульфат натрия являются балластом и в процессах травления не участвуют. Как вы уже наверное догадались, основным продуктом реакции является сульфат меди. Ничего не напоминает? Всё верно, протекающие процессы практически идентичны применению раствора травления на основе серной кислоты за небольшим отличием, но об этом чуть ниже.

     Основным недостатком и одновременно достоинством применения персульфатов является тот факт, что в водном растворе персульфаты гидролизуются не сразу и не полностью т.е. высвобождение серной кислоты и перекиси водорода происходит постепенно, что ограничивает скорость травления (и увеличивает затрачиваемое время). Несколько лучше процесс идёт при подогреве раствора (это является второй причиной того, почему травление в растворе персульфатов следует проводить при небольшом нагреве). В подборке фото ниже показан свежеприготовленный раствор персульфата аммония, pH свежеприготовленного раствора, а так же pH раствора после нагрева до 60 градусов Цельсия.

     По представленным фото отлично видно, что универсальный индикатор не реагирует на свежеприготовленный раствор, но после подогрева до 60 градусов Цельсия отлично видно, что среда стала кислой (универсальный индикатор стал красного цвета) [17]. Процесс травления в подогретом до такой температуры растворе идёт достаточно неплохо, но на выходе, как отмечалось ранее, получается ощутимый перерасход используемого персульфата. Поэтому в реальности раствор необходимо нагревать до несколько меньших температур, а именно до 40-45 градусов Цельсия (максимум 50).

     На видео ниже в реальном времени показан процесс травления заготовки с использованием раствора персульфата аммония, нагретого до температуры около 40 градусов Цельсия.

     Основными достоинствами данного состава травления являются:

     Основными недостатками данного состава травления являются:

     Как уже отмечалось выше, процессы, протекающие при травлении персульфатами очень сильно похожи на процессы, протекающие при травлении перекисью водорода в присутствии серной кислоты. В соответствии с этим процесс травления можно несколько модифицировать, добавив в исходный раствор травления 5-7 гр. хлорида натрия. В этом случае все основные протекающие процессы будут полностью идентичны составу на основе перекиси водорода и серной кислоты.

     Кроме того, скорость гидролиза персульфатов в кислой среде увеличивается. Этим фактом можно воспользоваться и незначительно подкислить исходный раствор травления небольшим добавлением серной кислоты. Учитывая приведённые рекомендации модифицированный раствор травления будет выглядеть следующим образом:

     Травление в модифицированном растворе протекает в среднем в 2-3 раза быстрее (даже если раствор будет чуть тёплым). Но, как обычно, добавление хлорида натрия — это палка о двух концах. С одной стороны мы увеличиваем скорость травления, а с другой стороны модифицированному раствору свойственны все те же недостатки, что и описанному ранее раствору на основе серной кислоты и перекиси водорода, включая возможность выделения хлора и хлороводорода при большом избытке хлорида натрия (но стоит отметить, что происходить это будет менее интенсивно из-за постепенного гидролиза используемого персульфата).

     В подборке фото ниже показан процесс травления меди в модифицированном растворе.

     А на видео в реальном времени это выглядит вот так:

     Основными достоинствами данного состава травления являются:

     Основными недостатками данного состава травления являются:

     Подводя итог можно заключить — составы травления на основе персульфатов обладают вполне неплохими характеристиками для домашнего травления печатных плат и при этом являются более предсказуемыми, нежели растворы на основе перекиси водорода и кислот (т.к. перекись водорода и кислоты там изначально присутствуют в максимальной концентрации, а при использовании персульфатов высвобождаются постепенно).

     Таким образом данная часть статьи подходит к концу и осталось рассмотреть только один небольшой момент. Если вы обратили внимание, то при избытке хлорида натрия большинство используемых растворов травления приобретают сначала бирюзовый, а потом ярко-зелёный цвет. Это связано с тем, что в растворе образуется некоторое количество хлорида меди, а так же комплексные соединения меди. Если к такому раствору прилить воды, то комплексные соединения меди начинают распадаться (т.е. равновесие сместится влево) из-за падения концентрации хлорид-ионов, изменения ph раствора и присутствия сульфата натрия в растворе — раствор снова окрасится сначала в бирюзовый цвет, а потом станет сине-голубым [9,10].

     На видео ниже данный процесс показан наглядно.

 

     А на фото это выглядит вот так:

     А на этом на сегодня всё, с уважением, Андрей.

 

Список использованной литературы:

  1. ГОСТ 61-75. Реактивы. Кислота уксусная. Технические условия
  2. ГОСТ 6552-80. Реактивы. Кислота ортофосфорная. Технические условия
  3. Медь уксуснокислая — катализатор, стабилизатор и не только
  4. Ацетат меди(II)
  5. Медицинская токсикология: национальное руководство / под ред. Е.А. Лужникова.- М.:ГЭОТАР-Медиа, 2014. — 928 с.
  6. Гребенюк А.Н., Стрелова О.Ю., Старков А.В., Степанова Е.Н. Медицинские и технические средства защиты: учебное пособие. — СПб: Фолиант, 2019. — 224 с.
  7. Ортофосфат меди(II)
  8. Фосфаты меди(II)
  9. 5.9. Комплексные соединения меди
  10. Тетрахлорокупрат(II) натрия
  11. Хлорид меди(II)
  12. Хлорид меди(I)
  13. Пероксосульфаты
  14. Пероксодисульфат аммония
  15. Пероксодисульфат натрия
  16. ГОСТ 20478-75. Реактивы. Аммоний надсернокислый. Технические условия
  17. Кислотно-основные индикаторы

 

 

 



Все вопросы в Форум.