印刷電路板制造中三氯化鐵的應用

  三氯化鐵（FeCl₃）在印刷電路板（PCB）制造中扮演著至關重要的角色，尤其在蝕刻工藝中，它作爲壹種強效的腐蝕劑，用于選擇性地去除銅箔，從而形成所需的電路圖案12。這種應用不僅是PCB生産的核心環節之壹，也廣泛用于微流控芯片和傳感器等其他微器件的制造。

  銅的氧化反應：銅（Cu）與三氯化鐵（FeCl₃）反應生成氯化亞銅（CuCl）和氯化亞鐵（FeCl₂）。 Cu + 2FeCl₃ → 2FeCl₂ + CuCl₂ 8 (原文中未直接給出此化學方程式，但根據氯化銅蝕刻和FeCl3作爲氧化劑的原理推斷)

氯化亞銅的再氧化：氯化亞銅（CuCl）在氯離子存在下會被進壹步氧化成氯化銅（CuCl₂）。 CuCl + FeCl₃ → CuCl₂ + FeCl₂ (此爲推斷過程，因爲蝕刻液中需要維持高濃度的FeCl₃以確保蝕刻效率)

在蝕刻過程中，通常會先在覆銅板上通過光刻技術或熱轉印技術制作出電路圖案，其中，電路圖案部分被抗蝕劑（如光刻膠或碳粉）覆蓋，而其他區域的銅則暴露在外。當覆銅板浸入三氯化鐵溶液中時，暴露的銅會被溶解，而被抗蝕劑覆蓋的銅則得以保留，最終形成精細的電路走線。

PCB制造過程示意圖

Source:  展示了PCB制造的總體流程，其中包含了內層和外層蝕刻步驟，這是三氯化鐵應用的關鍵所在。

 蝕刻液濃度：在低碳鋼蝕刻研究中，三氯化鐵濃度爲220 g/L時能達到較好的蝕刻效果。在PCB銅蝕刻中，合適的FeCl₃濃度對于維持高效且均勻的蝕刻至關重要。

蝕刻溫度：提高蝕刻溫度可以加快反應速率，但在特定研究中，45°C被認爲是低碳鋼蝕刻的相對最佳溫度。對于銅蝕刻，通常也需要在壹定溫度範圍內進行，以確保蝕刻效率和質量。

攪拌與流速：蝕刻液的攪拌或工作件的移動（如低碳鋼蝕刻中的50轉/分鍾，對應3.6米/分鍾的相對流速）可以促進反應物與生成物的擴散，從而提高蝕刻的均勻性和速率。在微銅PCB軌迹的濕法蝕刻中，施加氣壓可以改善蝕刻效果。

 pH值：在低碳鋼蝕刻中，pH值爲1.0被認爲是最佳條件之壹。對于三氯化鐵銅蝕刻，蝕刻液的pH值也會影響其活性和選擇性。

 蝕刻深度與精度：三氯化鐵蝕刻能夠實現均勻的蝕刻厚度，這對于獲得精確的電路圖案至關重要11。

成本效益：三氯化鐵溶液制備簡單，成本較低，非常適合實驗室原型制作和小批量生産。

易于操作：相對于壹些複雜的工業蝕刻方法，三氯化鐵蝕刻方法操作相對簡單，便于電子愛好者和教學實踐使用。

廣泛應用：除了PCB制造，三氯化鐵蝕刻還應用于制造微流控通道、電容式濕度傳感器4微機電系統（MEMS）設備。

 蝕刻速率控制：雖然三氯化鐵具有良好的蝕刻效果，但其蝕刻速率會隨時間變化，因爲活性FeCl₃濃度會降低，同時會形成FeCl₂和CuCl₂12。這使得蝕刻過程的精確控制變得具有挑戰性，可能導致線路邊緣粗糙或出現側蝕現象。

  廢液處理：蝕刻過程會産生含有銅離子的廢液，這些廢液具有環境汙染風險，需要進行適當的處理和回收。

再生問題：廢棄三氯化鐵蝕刻液的再生是壹個重要研究領域。有研究提出了電解再生方法，可以在再生蝕刻液的同時回收銅。例如，碳氈三維陽極可用于氧化亞銅離子，避免氧氣和氯氣析出，同時在陰極回收銅。生物再生方法也受到關注，通過微生物將亞鐵離子氧化回三價鐵，實現蝕刻液的循環利用和銅的回收。

電路板缺陷圖像

Source: 展示了PCB上壹個小型電子元件，表面存在壹些磨損或汙染迹象。這強調了在制造和處理過程中，對表面缺陷進行檢測和控制的重要性，而蝕刻過程的質量直接影響最終産品的可靠性。

電路板局部視圖

Source: 顯示了電路板上帶有極性標記和組件標識符的局部視圖，說明了PCB制造對精細化圖案和清晰標記的需求，這些都依賴于高質量的蝕刻工藝。

   激光蚀刻：工业PCB制造商会使用激光切割或计算机数控铣削来形成电路路径，这通常比传统方法更高效，但可能存在损坏电路板的风险。

氯化铜蚀刻：氯化铜是另一种常用的蚀刻剂，因其高蚀刻速率和易于再生的特性而受到青睐。

 铜氨蚀刻：铜氨蚀刻液也被用于PCB生产，其组成优化对于形成导电图案至关重要。

干法蚀刻：如深反应离子刻蚀（DRIE）等技术，主要用于硅材料的微纳加工，可实现极高的纵横比和精确的侧壁控制。虽然与PCB制造直接关联较小，但代表了微电子制造领域蚀刻技术的前沿。

  三氯化铁作为一种经典且经济高效的蚀刻剂，在印刷电路板制造中发挥着不可替代的作用。尽管存在废液处理和蚀刻速率控制等挑战，但通过工艺优化和蚀刻液再生技术的发展，其在PCB及相关微器件制造领域的应用前景依然广阔。