CN110904456A - 一种铜蚀刻液及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铜蚀刻液及其制备方法和应用。所述铜蚀刻液中包含如下组分：酸以其溶质计算100‑200g/L、四价铈盐200‑500g/L和助剂0.01‑10g/L；所述铜蚀刻液的溶剂为水；所述助剂为咪唑类化合物、磺酸类化合物或多元胺中的任意一种或至少两种的混合物。本发明所述铜蚀刻液能够保证高蚀刻效率，同时也满足蚀刻液的高溶铜量，蚀刻过程中不仅稳定性优异，而且能够极大程度上避免铜侧蚀量多和底铜出现钻蚀的问题。而且在发生蚀刻铜反应后，无需任何处理，即能快速回收铜。
Description
技术领域
本发明属于化学蚀刻领域，具体涉及一种铜蚀刻液及其制备方法和应用。
背景技术
随着信息技术的发展，电子产品等在现代社会中的作用也变得越来越重要，在各种产业领域得到广泛使用。近年来，随着电子设备的小型化、薄型化、轻型化、高性能化，所使用的印刷线路板越来越小，集成度越来越高。在印刷电路板制造过程中，铜层的蚀刻是尤为重要的工艺。在蚀刻工艺中，酸性蚀刻是制造印刷电路板过程中必不可少的工序，酸性蚀刻工序利用酸性蚀刻液在蚀刻机内完成。
对于印刷线路的蚀刻，要求蚀刻速度快，侧蚀量少、蚀刻液可快速回收。通常将过硫酸系蚀刻液、过氧化氢系蚀刻液、氯化铜和氯化铁系蚀刻液等用于印刷线路的蚀刻。对于过硫酸系和过氧化氢系的蚀刻液来说，过硫酸和过氧化氢的稳定性差，因此在经时稳定性方面存在问题，不利于生产控制。另外，随着铜等重金属的溶解，过氧化氢会发生自分解。对于氯化铜和氯化铁系的蚀刻液的稳定性优异，但是存在侧蚀量多、或者底铜出现钻蚀的问题。
CN107163947A公开了一种用于液晶面板制造工艺的铜蚀刻液，所述铜蚀刻液由下列重量百分比组分组成：硫酸23-25％、盐酸13-16％、醋酸7-9％、磺酸类化合物3-5％、无机盐氯化物3-5％、添加剂8-15％和去离子水30-35％。该铜蚀刻液采用酸复合氧化对铜进行刻蚀，但体系的稳定性差，而且蚀刻液在高温下的蚀刻速度依旧缓慢，导致蚀刻效率低，同时蚀刻的精度低，容易产生缺陷。
CN107099799A公开了一种氯化铜蚀刻液及其制备方法，由蚀刻母液和蚀刻子液制成，所述蚀刻母液包括以下重量份的原料：羧甲基纤维素钠、硼酸、甲基丁酸酯、氯化苯甲酰、N-氯化对甲基苯磺酰胺钠、硬脂酸钡、偶氮二异丁腈、三氯化铁、氢氟酸、磷酸、甲氧基醋酸、重铬酸钾、二乙醇胺和三乙醇胺，该氯化铜蚀刻液虽然稳定性较为优异，但是存在侧蚀量多、或者底铜出现钻蚀的问题。
因此，开发一种在保证高蚀刻效率的同时也满足蚀刻液的高溶铜量，而且能快速回收铜的酸性蚀刻液是本领域研究的重点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铜蚀刻液及其制备方法和应用，所述铜蚀刻液在保证高蚀刻效率的同时也满足蚀刻液的高溶铜量，而且能达到快速回收铜的目的。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种铜蚀刻液，所述铜蚀刻液中包含如下组分：
酸以其溶质计算 100-200g/L
四价铈盐 200-500g/L
助剂 0.01-10g/L；
所述铜蚀刻液的溶剂为水；
所述助剂为咪唑类化合物、磺酸类化合物或多元胺中的任意一种或至少两种的混合物。
本发明所述铜蚀刻液中，酸(以其溶质计算)的质量浓度为100-200g/L，例如可以是100g/L、110g/L、120g/L、130g/L、140g/L、150g/L、160g/L、170g/L、180g/L、190g/L、200g/L。
本发明所述铜蚀刻液中，四价铈盐的质量浓度为200-500g/L，例如可以是200g/L、220g/L、240g/L、260g/L、280g/L、300g/L、320g/L、340g/L、360g/L、380g/L、400g/L。
本发明所述铜蚀刻液中，助剂的质量浓度为0.01-10g/L，例如可以是0.01g/L、0.1g/L、0.2g/L、0.4g/L、0.6g/L、0.8g/L、1g/L、1.5g/L、2g/L、2.5g/L、3g/L、3.5g/L、4g/L、4.5g/L、5g/L、5.5g/L、6g/L、6.5g/L、7g/L、7.5g/L、8g/L、8.5g/L、9g/L、9.5g/L、10g/L。
本发明中，所述铜蚀刻液含有强氧化性的四价铈盐，在蚀刻铜的过程中发生氧化还原反应，具体反应式为：Ce4++Cu＝Ce2++Cu2+。其中，四价铈离子被还原成二价铈离子，铜迅速被氧化成二价铜离子，从而达到在保证高蚀刻效率的同时也满足蚀刻液的高溶铜量。
而且在发生蚀刻铜反应后，无需任何处理，即能快速回收铜，将得到的含二价铜离子的高铜蚀刻液加入到电镀槽中，阳极二价铜离子得电子，即可电镀得到铜(阳极：Cu2++2e-＝Cu)，而阴极二价铈离子失电子被氧化为四价铈离子(阴极：Ce2+-2e-＝Ce4+)。经过电镀后蚀刻液中四价铈离子达到正常水平，二价铜离子含量逐渐下降，所述铜蚀刻液即可重新利用。
优选地，所述酸为硫酸和/或硝酸。
优选地，所述四价铈盐为硫酸高铈和/或硝酸铈铵。
优选地，所述助剂为咪唑类化合物、磺酸类化合物和多元胺的混合物。所述咪唑类化合物、磺酸类化合物和多元胺相互配合，协同作用，不仅本身提供孤对电子与金属表面未占据电子的空d轨道成键，与金属元素配位结合，形成牢固的化学吸附层。此外，双键、三键也可以通过π键的作用在金属表面发生化学吸附，从而达到进一步稳定镀速的目的，也能够避免侧蚀量多、或者底铜出现钻蚀的问题。
优选地，所述咪唑类化合物、磺酸类化合物和多元胺的质量比为(4-5):(2-3):(0.5-1)，例如可以是4:2:0.5、4:2:1、4.5:2:0.5、4.5:2:1、5:2:0.5、5:2:1、4:3:0.5、4:3:1、4.5:3:0.5、4.5:3:1、5:3:0.5、5:3:1.
优选地，所述咪唑类化合物包括苯并咪唑、N-乙基咪唑、1-三苯甲基咪唑、氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑或4-氮杂苯并咪唑中的任意一种或至少两种的混合物。
优选地，所述磺酸类化合物包括十二烷基苯磺酸钠、甲基苯磺酸、氨基磺酸或甲磺酸中的任意一种或至少两种的混合物。
优选地，所述多元胺包括环己胺、乙醇胺、三异乙醇胺、2-二丁氨基乙醇、N,N-二乙基乙醇胺或2-二乙氨基乙醇中的任一种或至少两种的混合物。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的铜蚀刻液的制备方法，所述制备方法为：将四价铈盐溶于水中，再依次加入酸和助剂，混合搅拌，制得所述铜蚀刻液。
优选地，所述混合搅拌的转速为600-800rpm，例如可以是600rpm、650rpm、700rpm、750rpm、800rpm。
优选地，所述混合搅拌的温度为20-30℃，例如可以是20℃、22℃、24℃、26℃、28℃、30℃。
优选地，所述混合搅拌的时间为0.5-1h，例如可以是0.5h、0.6h、0.7h、0.8h、0.9h、1h。
第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的铜蚀刻液在蚀刻印刷电路板铜层中的应用。
所述蚀刻印刷电路板铜层的方法为：将所述铜蚀刻液喷淋在印刷电路板上进行蚀刻或将印刷电路板置于所述铜蚀刻液中浸泡进行蚀刻。
优选地，所述刻蚀的温度为50-60℃，例如可以是50℃、52℃、54℃、56℃、58℃、60℃。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述铜蚀刻液能够保证高蚀刻效率，同时也满足蚀刻液的高溶铜量需求，而且在发生蚀刻铜反应后，无需任何处理，即能快速回收铜。
(2)本发明所述铜蚀刻液蚀刻不仅稳定性优异，而且极大程度上避免了蚀刻过程中侧蚀量多和底铜出现钻蚀的问题。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种铜蚀刻液，所述铜蚀刻液中包含如下组分：
所述铜蚀刻液的制备方法为：将硫酸高铈溶于去离子水中，再依次加入硫酸和助剂(N-乙基咪唑、十二烷基苯磺酸钠、环己胺)，在25℃下以700rpm混合搅拌0.5h，制得所述铜蚀刻液。
实施例2
本实施例提供一种铜蚀刻液，所述铜蚀刻液中包含如下组分：
所述铜蚀刻液的制备方法为：将硝酸铈铵溶于去离子水中，再依次加入硝酸和助剂(4-氮杂苯并咪唑、氨基磺酸、N,N-二乙基乙醇胺)，在20℃下以800rpm混合搅拌1h，制得所述铜蚀刻液。
实施例3
本实施例提供一种铜蚀刻液，所述铜蚀刻液中包含如下组分：
所述铜蚀刻液的制备方法为：将硫酸高铈溶于去离子水中，再依次加入硫酸和助剂(氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑、甲基苯磺酸、环己胺)，在30℃下以600rpm混合搅拌0.5h，制得所述铜蚀刻液。
实施例4
本实施例提供一种铜蚀刻液，所述铜蚀刻液中包含如下组分：
所述铜蚀刻液的制备方法为：将硫酸高铈溶于去离子水中，再依次加入硫酸和助剂(氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑、甲基苯磺酸、环己胺)，在25℃下以700rpm混合搅拌0.5h，制得所述铜蚀刻液。
实施例5
本实施例提供一种铜蚀刻液，所述铜蚀刻液中包含如下组分：
所述铜蚀刻液的制备方法为：将硫酸高铈溶于去离子水中，再依次加入硫酸和助剂(N-乙基咪唑、十二烷基苯磺酸钠、环己胺)，在25℃下以700rpm混合搅拌0.5h，制得所述铜蚀刻液。
实施例6
本实施例提供一种铜蚀刻液，所述铜蚀刻液中包含如下组分：
所述铜蚀刻液的制备方法为：将硫酸高铈溶于去离子水中，再依次加入硫酸和助剂(N-乙基咪唑、十二烷基苯磺酸钠、环己胺)，在25℃下以700rpm混合搅拌0.5h，制得所述铜蚀刻液。
实施例7
本实施例提供一种铜蚀刻液，所述铜蚀刻液中包含如下组分：
所述铜蚀刻液的制备方法为：将硫酸高铈溶于去离子水中，再依次加入硫酸和助剂(N-乙基咪唑、十二烷基苯磺酸钠、环己胺)，在25℃下以700rpm混合搅拌0.5h，制得所述铜蚀刻液。
实施例8
本实施例提供一种铜蚀刻液，所述铜蚀刻液中包含如下组分：
硫酸以其溶质计 150g/L
硫酸高铈 300g/L
N-乙基咪唑 7g/L；
所述铜蚀刻液的溶剂为去离子水。
所述铜蚀刻液的制备方法为：将硫酸高铈溶于去离子水中，再依次加入硫酸和助剂(N-乙基咪唑)，在25℃下以700rpm混合搅拌0.5h，制得所述铜蚀刻液。
实施例9
本实施例提供一种铜蚀刻液，所述铜蚀刻液中包含如下组分：
硫酸以其溶质计算 150g/L
硫酸高铈 300g/L
十二烷基苯磺酸钠 7g/L；
所述铜蚀刻液的溶剂为去离子水。
所述铜蚀刻液的制备方法为：将硫酸高铈溶于去离子水中，再依次加入硫酸和助剂(十二烷基苯磺酸钠)，在25℃下以700rpm混合搅拌0.5h，制得所述铜蚀刻液。
实施例10
本实施例提供一种铜蚀刻液，所述铜蚀刻液中包含如下组分：
硫酸以其溶质计算 150g/L
硫酸高铈 300g/L
环己胺 10g/L；
所述铜蚀刻液的溶剂为去离子水。
所述铜蚀刻液的制备方法为：将硫酸高铈溶于去离子水中，再依次加入硫酸和助剂(环己胺)，在25℃下以700rpm混合搅拌0.5h，制得所述铜蚀刻液。
对比例1
本对比例提供一种铜蚀刻液，与实施例1相比，区别仅在于：所述铜蚀刻液不含硫酸高铈，所述硫酸质量浓度增至400g/L，其他组分含量及制备方法同实施例1。
对比例2
本对比例提供一种铜蚀刻液，与实施例1相比，区别仅在于：将所述硫酸高铈替换为双氧水，所述双氧水的质量浓度增至300g/L，其他组分含量及制备方法同实施例1。
对比例3
本对比例提供一种铜蚀刻液，与实施例1相比，区别仅在于：将所述硫酸高铈替换为氯化铜，所述氯化铜的质量浓度增至300g/L，其他组分含量及制备方法同实施例1。
对比例4
本对比例提供一种铜蚀刻液，与实施例1相比，区别仅在于：将所述硫酸高铈替换为氯化铁，所述氯化铁的质量浓度增至300g/L，其他组分含量及制备方法同实施例1。
性能测试
将印刷电路板分别置于上述实施例1-10制备的铜蚀刻液和对比例1-4制备的铜刻蚀液中浸泡，再60℃下进行蚀刻，并分别测试铜蚀刻速率、铜溶量、印刷电路板铜侧蚀量，并观测底铜出现是否出现钻蚀现象，具体测试方法如下所示：
(1)铜蚀刻速率的测试方法：烘干的测试板，以电子天平准确称重，并用游标卡尺准确量度其尺寸，误差±0.1mm。用塑料钳子夹住测试板，浸入蚀刻液中，轻微摇动，达到试验时间1min后取出，立即以去离子水冲洗干净，烘干，称重，误差±1mg。注意蚀刻液需提前升温至试验温度。实验过程必须使用干净无油污的测量工具，并戴干净的一次性手套，防止污染溶液和测试板。
蚀刻速率计算公式：
蚀刻速率(μm/min)＝10000(W1-W2)/(ρ×S×2)/T
其中，W1＝测试板蚀刻前重量/g，W2＝测试板蚀刻后重量/g，ρ＝被蚀刻金属的密度/g/cm3，S＝测试板的面积/cm2，T＝蚀刻时间/min。
(2)铜溶量的测试方法：通过检测铜离子浓度得到，原理采用络合滴定法，取1mL待测液样品加入500mL锥形瓶中并加入250-300mL去离子水，小心加入2M的氨水溶液(d＝0.91g/cm3)至溶液变为深蓝色(pH 9.5-10.0)，加入两小勺紫尿酸氨指示剂(将紫尿酸氨和氯化钠晶体按1:100研磨并混合均匀)，用0.025M EDTA(乙二氨四乙酸)标准液滴定至由黄绿色变成深紫色为终点，记录下体积数，铜溶量计算公式：Cu2+(g/L)＝V×1.5885。
(3)印刷电路板铜侧蚀量的测试方法：通过SEM扫描电镜(日立3400N)观察蚀刻线路截面，并计算铜侧蚀量的蚀刻因子表示，蚀刻因子越小，铜侧蚀量越少，蚀刻因子计算公式：蚀刻因子＝2D/(A-B)，其中D为铜线路厚度，A为所形成电路图案的底宽；B为所形成电路图案的顶宽。
表1
由上述测试数据可知，本实施例1-10制备的铜蚀刻液的铜蚀刻速率在54μm/min以上，蚀刻液的铜容量达到104g/L以上，刻蚀因子在5以下，底铜无钻蚀现象发生，其中，实施例1-4为本发明优选技术方案，其制备的铜蚀刻液的铜蚀刻速率在60μm/min以上，蚀刻液的铜容量达到119g/L以上，刻蚀因子在2.2以下，这充分说明了本发明所述铜蚀刻液能够保证高蚀刻效率，同时也满足蚀刻液的高溶铜量，本发明所述铜蚀刻液蚀刻不仅稳定性优异，而且极大程度上避免了侧蚀量多、或者底铜出现钻蚀的问题。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明所述铜蚀刻液及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种铜蚀刻液，其特征在于，所述铜蚀刻液中包含如下组分：
酸以其溶质计算 100-200g/L
四价铈盐 200-500g/L
助剂 0.01-10g/L；
所述铜蚀刻液的溶剂为水；
所述助剂为咪唑类化合物、磺酸类化合物或多元胺中的任意一种或至少两种的混合物。
2.根据权利要求1所述的铜蚀刻液，其特征在于，所述酸为硫酸和/或硝酸。
3.根据权利要求1或2所述的铜蚀刻液，其特征在于，所述四价铈盐为硫酸高铈和/或硝酸铈铵。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的铜蚀刻液，其特征在于，所述助剂为咪唑类化合物、磺酸类化合物和多元胺的混合物；
优选地，所述咪唑类化合物、磺酸类化合物和多元胺的质量比为(4-5):(2-3):(0.5-1)。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的铜蚀刻液，其特征在于，所述咪唑类化合物包括苯并咪唑、N-乙基咪唑、1-三苯甲基咪唑、氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑或4-氮杂苯并咪唑中的任意一种或至少两种的混合物。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的铜蚀刻液，其特征在于，所述磺酸类化合物包括十二烷基苯磺酸钠、甲基苯磺酸、氨基磺酸或甲磺酸中的任意一种或至少两种的混合物。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的铜蚀刻液，其特征在于，所述多元胺包括环己胺、乙醇胺、三异乙醇胺、2-二丁氨基乙醇、N,N-二乙基乙醇胺或2-二乙氨基乙醇中的任一种或至少两种的混合物。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的铜蚀刻液的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：将四价铈盐溶于水中，再依次加入酸和助剂，混合搅拌，制得所述铜蚀刻液；
优选地，所述混合搅拌的转速为600-800rpm；
优选地，所述混合搅拌的温度为20-30℃；
优选地，所述混合搅拌的时间为0.5-1h。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的铜蚀刻液在蚀刻印刷电路板铜层中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述蚀刻印刷电路板铜层的方法为：将所述铜蚀刻液喷淋在印刷电路板上进行蚀刻或将印刷电路板置于所述铜蚀刻液中浸泡进行蚀刻；
优选地，所述刻蚀的温度为50-60℃。
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