深圳宇众环保碱性蚀刻液直接电解设备.doc

深圳宇众环保碱性蚀刻液直接电解设备

1.再生原理
2.电解设备
3.蚀刻参数
4.电解原理
5.物料消耗
6.效益分析
7.设备清单

深圳市宇众环保科技有限公司
二O一二年6月1日

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碱性蚀刻液直接电解再生原理
　　印制电路板(PCB)加工的典型工艺采用"图形电镀法"。即先在板子外层需保留的铜箔部分上（是电路的图形部分）预镀一层铅锡抗蚀层，然后用化学方式将其余的铜箔腐蚀掉,称为蚀刻。
　　在蚀刻过程中，板面上的铜被[Cu(NH3)4]2+络离子氧化，其蚀刻反应如下：
　　Cu(NH3)4Cl2+Cu →2Cu(NH3)2Cl
　　所生成的[Cu(NH3)2]1+为Cu1+的络离子，不具有蚀刻能力。在有过量NH3和Cl-的情况下，能很快地被空气中的O2所氧化，生成具有蚀刻能力的[Cu(NH3)4]2+络离子，其再生反应如下：
　　2Cu(NH3)2Cl+2NH4Cl+2NH3+1/2 O2 →2Cu(NH3)4Cl2+H2O
　　从上述反应可看出，每蚀刻1克分子铜需要消耗2克分子氨和2克分子氯化铵。因此，在蚀刻过程中，随着铜的溶解，要不断补加氨水和氯化铵，因而蚀刻槽母液会不断增加。由于所生成的[Cu(NH3)2]1+为Cu1+的络离子，不具有蚀刻能力，所以必须排除部分母液，增加新的子液（子液不含铜离子）来满足蚀刻要求。
　　蚀刻液再生：实际上是印制电路板(PCB)蚀刻线上排出的蚀刻母液采用封闭式循环系统，经蚀刻液再生循环设备将其中的铜离子萃取出来再返回生产线的过程。
碱性蚀刻废液再生
系统原理：在线路板的蚀刻过程中，蚀刻液中的铜离子浓度会逐渐升高而降低蚀刻效果，要使蚀刻液达到最佳的蚀刻效果，就必须将蚀刻液中的铜离子（Cu2+）、氯离子（Cl-）和PH值保持在一个合理稳定的范围内，要持续蚀刻液中上述各种成份的最佳浓度，就需不断添加子液来取代已失去蚀刻能力的『废蚀刻液』。而该系统则可将原本需要排放的『废蚀刻液』再生成为新子液即『再生蚀刻液』，它只需添加极少量的补充剂，补偿因蚀刻过程中损失的部分就可以循环使用。同时还回收氨洗水，将氨洗水再生后循环利用。

电解设备
　　该系统是一套高科技、环保型设备。专门为处理碱性蚀刻废液而设计的全封闭式系统，无任何废水、废物排放。该系统不仅能将废蚀刻液再生并返回蚀刻线使用，还能为蚀刻工作线提供稳定的蚀刻效果，更能创造巨大的经济利益和环保效益。该系统与蚀刻机相互连接后，自动循环运作，进行蚀刻液和氨洗水的回收及再生工作。实现污染零排放并产出纯度高，价值高的电解金属铜（99.68%）。
　　 主要功能和特点
　　①将废蚀刻液进行再生，经再生后的蚀刻液可以循环再生使用；
　　②将废蚀刻液和氨洗水的铜离子进行回收，还原成高纯度电解铜；
　　③该设备操作维护简单，在安装调试过程中不影响生产，安装调试完毕即可投入使用。

在电子线路版（PCB）蚀刻过程中，蚀刻液中的铜含量渐渐增加。蚀刻液要达到最佳的蚀刻效果，每公升蚀刻液需含120至180克铜及相应分量的蚀刻盐（NH4CI）及氨水（NH3）。要持续蚀刻液中上述各种成份的浓度最佳水平，蚀刻用过后的（以下称［用后蚀刻液］）溶液需不断由添加的药剂所取缔。本系统主要应用溶剂萃取法，可以在回收铜的同时回收蚀刻剂，将大量原本需要排放的［用后蚀刻液］再生还原成为可再次使用的［再生蚀刻液］。只需极少量的补充剂及氨水，补偿因运作时被［带走］而失去的部份。从而取代蚀刻子液，该工艺不但可以减少蚀刻废液回收后的污水排放量，减少环境污染，同时还可以降低PCB厂家的生产成本。
　　 使用本系统的主要效益
　　1.再生液可回收利用，节省物料，降低生产成本。
　　2.再生液可回收利用，降低治理污水成本。
　　3.响应国家政策，节能减排，污染基本为零排放，。
　　4.做到清洁生产，降低工厂环保压力。
蚀刻参数
碱性氯化铜蚀刻液
1.特性
  1)适用于图形电镀金属抗蚀层，如镀覆金、镍、锡铅合金，锡镍合金及锡的印制板的蚀刻。
2)蚀刻速率快，侧蚀小，溶铜能力高，蚀刻速率容易控制。
3)蚀刻液可以连续再生循环使用，成本低。
2.蚀刻过程中的主要化学反应
在氯化铜溶液中加入氨水，发生络合反应：
CuCl2＋4NH3 →Cu(NH3)4Cl2
在蚀刻过程中，板面上的铜被[Cu(NH3)4]2+络离子氧化，其蚀刻反应如下：
Cu(NH3)4Cl2＋Cu →2Cu(NH3)2Cl
所生成的[Cu(NH3)2]1+为Cu1+的络离子，不具有蚀刻能力。在有过量NH3和Cl-的情况下，能很快地被空气中的O2所氧化，生成具有蚀刻能力的[Cu(NH3)4]2+络离子，其再生反应如下：
2Cu(NH3)2Cl＋2NH4Cl＋2NH3＋1/2 O2 →2Cu(NH3)4Cl2＋H2O
从上述反应可看出，每蚀刻1克分子铜需要消耗2克分子氨和2克分子氯化铵。因此，在蚀刻过程中，随着铜的溶解，应不断补加氨水和氯化铵。
应用碱性蚀刻液进行蚀刻的典型工艺流程如下：
镀覆金属抗蚀层的印制板(金、镍、锡铅、锡、锡镍等镀层) →去膜→水洗→吹干→检查修板→碱性蚀刻→用不含Cu2+的补加液二次蚀刻→水洗→检查→浸亮(可选择) →水洗→吹干
配制后溶液PH值在9.6左右。溶液中各组份的作用如下：
NH3·H2O的作用是作为络合剂，使铜保持在溶液里。
NH4Cl的作用是能提高蚀刻速率、溶铜能力和溶液的稳定性。
(NH4)3PO4的作用是能保持抗蚀镀层及孔内清洁。
组成与特点
项目
酸性蚀刻液
碱性蚀刻液
主要成分
氯化铜﹑盐酸﹑氯化钠或氯化铵
氯化铜﹑氨水﹑氯化铵,补助成分为氯化钴﹑.氯化钠､氯化铵或其它含硫化合物以改善特性
适用领域
一般适用于多层印制板的内层电路图形的制作或微波印制板阴板法直接蚀刻图形的制作
一般适用于多层印制板的外层电路图形的制作及纯锡印制板的蚀刻
抗蚀剂
干膜﹑液态光致抗蚀剂等
图形电镀之金属抗蚀层如镀覆金﹑镍﹑锡铅合金
主要特点
1.蚀刻速率易控制,蚀刻液在稳定状态下能达到高的蚀刻质量
2.溶铜量大
3. 蚀刻液容易再生与回收,从而减少污染
1. 蚀刻速率快(可达70μm/min以上),侧蚀小
2. 溶铜能力高, 蚀刻容易控制
3. 蚀刻液能连续再生循环使用,成本低
 特性对比
项目
碱性蚀刻液
酸性蚀刻液
控制
温度﹑比重及PH值
温度﹑比重﹑HCl及ORP(氧化/还原电位)
蚀刻速度
约1mil/分钟
约0.5mil/分钟
补充药液
氨水
H2O2﹑HCl
自动控制成本
低
高
毒性
低
高
废液处理
供货商回收
PCB SHOP自行处理
水洗水处理
因有金属铵错合物,较不易处理
PH调整即可分离铜渣
技术来源
供货商
使用者或控制器供货商
操作条件比较
项目
氨水蚀刻液
氯化铜蚀刻液
铜含量
140—170g/l
130--180g/l
温度
50--55℃
50--55℃
蚀刻进度
约1mil/分钟
约0.5mil/分钟
化性条件
Baume=21±1°
(S.G.=1.170)
ORP=450±150mv
Baume=22±2°
(S.G.=1.215)
蚀刻之计算
A.酸性蚀刻
1.a.蚀铜反应(理论值)
Cu+CuCl2 2CuCl………………………………(1)
b.再生反应
2CuCl+2HCl+H2O2 CuCl2 +2 H2O……………(2)
由上述(1)﹑(2)式中CuCl2的再生循环,来说明再生及添加用量
2.铜厚35.56um(1OZ)之单面基板上平均铜重约316.2g/㎡,若假设蚀铜率是60%,则生成的CuCl为:
(316.2×60%÷63.5) ×2×98.8=590g
由(1)知CuCl2应有
[(590÷2)+(590÷2-316.2×60%)]=400g
由(2)知HCl : [590÷(2×98.8)]×2×36.5=218g
H2O2 : [590÷(2×98.8)] ×1×34 =102g
H2O: [590÷(2×98.8)] ×2×18.2=109g
CuCl2: [590÷(2×98.8)] ×2×134=800g
218g纯HCl为31%,S.G.=1.152g/ml的工业盐酸610ml
102g纯H2O2 为32%,S.G.=1.129g/ml的工业级双氧水282ml
B.碱性蚀刻
1.      a.配制蚀刻液时CuCl2溶液中加入氨水发生络合反应:
CuCl2+4NH4 Cu(NH3)4Cl2… …………………………………(1)
b.蚀刻过程中 基板上的铜被Cu(NH3)42+络离子氧化发生蚀刻反应:
…Cu(NH3)4Cl2+Cu 2Cu(NH3)4Cl………………………………(2)
2Cu(NH3)4Cl+2NH4Cl+2 NH3+1/2O2 2Cu(NH3)4Cl2+ H2O…(3)
由上述(2)﹑(3)式中CuCl2的再生循环,来说明再生及添加用量
2. 铜厚35.56um(1OZ)之单面基板上平均铜重约316.2g/㎡,若假设蚀铜率是60%,则生成的Cu(NH3)Cl为:
(316.2×60﹪÷63.5)×2×166.8=997g
由(1)知Cu(NH3)4Cl2应有
[(997÷2)+(997÷2-316.2×60%)]=807g
由(2)知NH4Cl:【997÷（2×166.8）】×2×53.3=319g
NH3: 【997÷（2×166.8）】×2×17=102g
O2: 【997÷（2×166.8）】×1/2×32=48g
H2O: 【997÷（2×166.8）】×1×18.2=54g
Cu(NH3)4Cl2: 【997÷（2×166.8）】×2×202=1207g
 电解原理
电解缸的蚀刻液阳极阴极通电后,溶液中的铜离子(Cu)向阴极移动，到达阴极后获得电子而在阴极析出纯铜（亦称氯化铜）。由于这些离子与铜离子相比不易析出，所以电解时只要适当调节电位差即可避免这些离子在阳极上析出。
电能转变为化学能的过程，即直流电通过电解槽，在电极溶液界面上进行电化学反应的过程 。通电时，在外电场的作用下，蚀刻液中的正、负离子分别向阴 、阳极迁移 ，离子在电极 - 溶液界面上进行电化学反应。在阴极上进行还原反应。 电解是一种非常强有力的促进氧化还原反应的手段，许多很难进行的氧化还原反应，都可以通过电解来实现。例如：可将熔融的氟化物在阳极上氧化成单质氟，熔融的锂盐在阴极上还原成金属锂。电解工业在国民经济中具有重要作用，许多有色金属和稀有金属的冶炼及金属的精炼，基本化工产品的制备，还有电镀、电抛光、阳极氧化等，都是通过电解实现的。

物料消耗
1、安装回收系统前物料消耗：
名称
月使用量
单价
合计
碱性蚀刻子液
30T
1400元/T
4.2万元
2、安装回收系统前效益：
名称
月产废液量
单价（按均价计）
合计
碱性蚀刻废液
30T/月
4000元/T
12万元
备注：则每月净收益为12万元—4.2万元=7.8万元。
3、安装回收系统后效益：
名称
月产废液量
产铜量
单价
合计
碱性蚀刻废液
30T/月
3.6T
5万元/T
18万元
设备运行成本
项目
直接电解设备（每吨废水）
直接电解设备（每吨铜）
水
/
5吨*3元15元
电
/
每吨铜4000度电*0.7=2800元
人工
每月2人*3000=6000元
平均每吨铜1000元
添加剂
28元/升*4升 =112元
112元*10（按每10吨废水提1吨铜算）=1120元
氨水
用液氨3000元/吨*60公斤=180元
238元*10（按每10吨废水提1吨铜算）=1800元
氯化铵
1600元/吨*10公斤=24元
24元*10（按每10吨废水提1吨铜计算）=240元
铜稳定剂
160元/升*0.5升=80元
80元*10（按每10吨废水提1吨铜计算）=800元
碳酸氢铵
4000元/吨*3公斤=12元
12元*10（按每10吨废水提1吨铜计算）=120元
合计

7895元成本
效益分析（安装回收系统前后对比）
使用回收系统后物料总消耗在原有基础上可大大减少：18万元—（7895*3.6吨铜）=15万元。
每月可节约生产成本48900元。
安装回收系统后每月收益=铜收益18万元—物料总消耗28422元+生产节约42000元=19.3万元。
设备清单
名 称
数量
规格型号
备注
阳极板
12
1000*666*20

阴极板
24
1000*660*1.2

电解缸
4
2020mm*1500mm*1330mm
附带PP缸盖
PP喷管
12

车间收集缸
1

硅整流器
2
2400A

磁力泵
3

6吨储存罐
2

3吨储存罐
2

调药搅拌器
1

附带不锈钢搅拌杆
主电控箱
1
1000mm*800mm*400mm

铜排
20
1CM*5CM*4M
已加工
方铜
10
3.5CM*3.5CM*2.3M
已加工
铜条
36
1CM*4CM*0.8M
已加工折弯
钛钉
200

耐酸碱抗腐蚀
电缆电线
250

管件管道
300
1寸，1.5寸，2寸，2.5寸，3寸

报警灯
1

感应钛条
5

安装费用
1

工具自备工厂协助
运输费用
1

维护期维护费

一年维护期