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【翻译】不要再用氯化铁来蚀刻电路板了(有更好的蚀刻溶剂)

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原文:Stop Using Ferric Chloride Etchant! (A Better Etching Solution.)
作者:The Real Elliot
译者:0xAA55

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氯化铁是一种非常传统的家用电路板蚀刻剂,容易购买,并且铁离子本身并不会造成严重的环境问题。然而,一旦你用它蚀刻了电路板,你的溶剂里就会有很多氯化铜,而氯化铜则会造成环境问题,并且你并不能(合法地)把它直接倒入下水道——你应该把它拿到专业的危险废物处理设施里才行(例:在此FAQ中如何处理氯化铁)。

如果能有这么一种溶剂你可以无限地重复利用,来解决处理铜离子垃圾的问题,并且这种溶剂你只需要花费不到100元就能在日用品店或者药店里就能买到原料(而且包装也更好看),那就很好了。

这玩意儿叫做:Copper Chloride in Aqueous Hydrochloric Acid Solution!(名字是我起的)

那么你如何获取到CCiAHAS呢?其实很简单,只要开始的时候先弄上简单的两个原料作为起始溶剂,然后不停地蚀刻板子即可。

第一步:原料:起始溶剂

FMIF8LXF5Y3YQJM.LARGE.jpg

对于起始蚀刻剂本身,你只需要两种成分:盐酸和过氧化氢。

(实际上是三个。但是第三个是铜。请参阅化学部分。)

盐酸水(盐酸,“池酸”等)可在五金店、亚马逊、淘宝购买。我(作者)得到的酸是31.45%(除去水,盐酸的量大约10摩尔),应该是每加仑5美元左右。我(译者)得到的是500ml的10%比例的稀盐酸,价格680日元。这足以超出你的需求。

漱口水、隐型眼镜洗净液、伤口消毒水等,这些东西里面会冒泡泡的水通常可能含有的过氧化氢3%左右(可以看原料),并且可以在药店以2-3美元购买一大瓶。

有了这些溶剂,你还需要一个适合你的PCB大小的非金属容器和两个标准化量杯。

如果你还没有丙酮,你大概还需要购买一些。它对于去除蚀刻抗蚀剂很有用。

第二步:将石灰放入椰子…

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将两份的过氧化氢倒入非金属容器里,再将一份的盐酸也加进去。注意加盐酸的过程会导致发热,搞不好会失控,溅你一脸。要稍微兑些水再慢慢加。注意这里的“份”指的是一杯、两杯这样的计量单位,以原作者购买到的酸和双氧水的浓度为主。你需要根据自己的溶剂的浓度来计算。(其实作者本人他也是凭感觉试出来的,这样的配比可以减少烟雾的产生并溶解更多的铜)。

盐酸气味很强,我打开盖子那会儿就熏到我了。这玩意儿不能直接被吸入肺里,免得GG。记得开窗。

这样配出来的初始药剂并不垃圾,你能得到含有中等强度氧化剂的盐酸。且室温下并不怎么熏人。但要记得原理一切身边的金属制品,否则你家的锅、电饭锅、水池等会在肉眼可见的时间尺度里腐蚀、生锈。要是不小心搞了一滴到水槽里,赶紧用水冲。

第三步:把PCB板放进去,此时就能蚀刻

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把PCB丢进去它就翻卷了。如果这是你第一次用这波溶剂蚀刻板子的话(你肯定是第一次),蚀刻的速度就会超快。这个小板子只用了2分钟。噫。

虽说我用的容器很深,为了让它能够充分蚀刻,我大概还是得喝前摇一摇的。然而我看到它如此的活跃,我觉得大概是不必摇动它了。

注意保持通风,因为你的初始溶剂在蚀刻的时候会产生一些氯气。(当你的蚀刻剂完成后,它就几乎不发出氯气了)

你会发现蚀刻剂变得越来越绿,这是因为它在吸收铜。这是个好兆头。

实际发生的过程是溶剂在从板子上溶解铜并将其转化为氯化铜(铜离子)。在这之后,氯化铜是主要的负责蚀刻的成分(而不是需要弄掉的废料)。现在的溶液只是稍微变浅绿了,下次使用时颜色会加深(看起来像苹果味芬达)。

第四步:学习化学

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(注意:我(作者)是经济学家,我(译者)是
0xAA55
,不是化学家。如果你发现下面的内容有误或者需要补充,请回帖。)

当我看到这个网站的时候,我偶然间发现了这样一篇文章:《借助空气再生酸性氯化铜蚀刻》(原作者:Adam Sechelle)。你可以通过给氯化铜溶剂不断加酸和氧(让它自己溶解大气中的氧)来让它作为蚀刻剂使用,听起来经济又环保。

他的网站上有很多关于氯化铜蚀刻的化学知识相关信息,通过观察他的数据可以看出他的蚀刻速度非常快,并且他给出的通过滴定来保持溶液酸度的过程也很简单易实用。

为了制备氯化铜溶液,他把一堆铜线溶解在了盐酸里,并且提到过可以用过氧化氢来加速溶解,但没有说到细节。

这就让我(作者)思考:既然需要氯化铜溶液,不如直接蚀刻一个板子,蚀刻不就是把板子上的铜溶解进溶液吗?所以我们通过制备一种溶液来让它既可以蚀刻,又可以制备另一种可以无限重复利用的蚀刻液,多好。

事实证明,盐酸/过氧化物是一种常见的自家烹饪蚀刻剂(我再次重新发明了轮子),但人们习惯于将其视作消耗品,用完就扔,而不去考虑重复利用。本文的重点在于让你能够学会维护一个可以通过溶解铜和加酸来不断循环使用的蚀刻剂。

这是化学上实际发生的过程:

在你溶解了足够的铜进入溶液之前,Cu + 2 HCl + H2O2 -> CuCl2+ 2 H2O 是主要的反应过程。也就是说,含有过氧化物的溶液里的氧气在酸存在的条件下氧化铜金属,来制备氯化铜(二价离子)。这是我们的起始溶剂。由此产生的CuCl2应该是一种漂亮的翠绿色。

在你把大量铜溶解到溶液中并用尽所有过氧化物后,氯化铜则完成大部分的蚀刻过程:CuCl2 + Cu -> 2 CuCl 这是成品溶液的蚀刻过程。

如果你偶然蚀刻了过多的铜,导致所有的CuCl2都被转换为CuCl,而它并不能溶解铜(并且是一种令人讨厌的棕色)。通过往溶液里加酸,以及过氧化氢(也可以不加,指望它溶解大气中的氧),来重新氧化一价的铜离子,使其变为二价铜离子,并生成水:2 CuCl + 2 HCl + O -> 2 CuCl2 + H2O 然后你就能再次蚀刻了。

总结

要维护的两个东西:CuCl2的含量和酸度。

CuCl2的含量:在所有过氧化物用完之后,溶液开始变成褐色,你将不得不重新加入氧气来复活溶液:加双氧水,或者用管子吹气进去搅拌,或者装到瓶子里使劲摇晃,或者只是将它倒入一个开放的容器中等待。溶液变为绿色后就可以再次蚀刻了。

通过晃瓶子或吹气搅拌等方式并不能快速地加入大量氧气进去。而当你想加入双氧水,你实际上是在稀释你的溶液,要注意溶液的浓度。

酸度:注意不管是起始溶剂的配制还是溶液的再生过程,你都需要消耗HCl。所以每过一段时间你就要加一点酸进去。当你觉得很难再把溶液变回绿色的时候,你大概要考虑一下酸度是否足够了。

我尝试过几次根据Adam的网站描述的滴定方式来维持酸度和CuCl2含量。这个操作非常简单,但需要有一定的精确度,而且需要氢氧化钠(厨房清洗剂里有)。我每蚀刻几批板子我就要折腾一下这堆酸液,这把我折腾得很有规律。

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完成蚀刻后,将蚀刻剂倒回存储瓶中,冲洗电路板,上助焊剂,钻孔,刷漆和焊接。

最后的一些注释:

1)你可以通过使用它来制造相当多的电路板。并且由于你可以重复利用它,你用不着节省它。弄个大罐头,搞一堆蚀刻剂。你用FeCl蚀刻的时候,它会因为铜饱和而减速蚀刻,这会导致蚀刻时间长,点蚀或底切或更糟。当我用氯化铜蚀刻的时候,我会直接倒上1斤的蚀刻剂泡着板子。反正可以重复利用,而且要尽量增加让它接触氧气的机会。活得大气点儿。

2)一开始别搞太多。当你不断重复使用这些溶剂的时候,你需要每隔一段时间添加更多的酸和过氧化物。如果你有一个750毫升的容器,起始溶剂最好在500ml以内。随着时间的推移它会变得越来越多,要留出空间。毕竟,要点是避免必须废弃多余的铜。

3)如果你的蚀刻剂变得特别特别多(无可避免),你可以将多余的水分放在一个浅的非金属的锅或烧杯或其他任何东西中,静置一段时间,来浓缩你的氯化铜溶液,得到更强的蚀刻剂。这还能帮你重新氧化一些铜。加入双氧水的过程实际上也加入了97%的水。

4)链接的网站说蚀刻液的酸度并不十分重要,因为只要溶剂里有少量的酸,它就能帮你再生CuCl2。通过观察溶剂颜色可以轻松判断CuCl2与CuCl的量的大小。加氧来使其变回绿色,如果不起作用就加酸。最糟糕的情况也只是你在蚀刻的时候需要使用次优溶剂浸泡多几分钟而已。并非造火箭那样难。

5)我有一个水族箱泵(在鱼店用6美元买的)。我有时候会用它来重新激活我的溶剂。我有时候会在蚀刻了一堆板子后,放任这个气泵运行几个小时然后忙活自己的事情去了。但最近我大概变懒了,倒了几杯双氧水进去。看起来两种方法都管用。

6)使用铜而不是铁来蚀刻电路板所带来的环境保护的收益主要在于你不需要处理废弃的铜(或蚀刻剂)。如果你进行了过多的蚀刻并且你的溶剂活不过来了,请将它视作危险废料来处理——去看看你的当地危险化学品的处理方式。事实上,即使在剂量非常小、浓度非常稀的情况下,铜盐(尤其对鱼类)也是有毒的。

第六步:另一个(相当复杂的)快速制取氯化铜的办法

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当我最初开始尝试制造氯化铜蚀刻剂时,我没想过直接从PCB板子上溶解铜。所以我刻意弄了一堆电线来溶解铜。

虽说我不觉得这是个好主意,但这样可以快速得到成品蚀刻剂。

当时我将酸与过氧化氢按照1:1而不是1:2的比例混合,初衷是想让溶剂里留下更多的酸。然后我后悔了,因为1:1比例容易产生更多的热,发出更多的烟,溶解的铜也更少。

为了控制发烟的量,我使用了一个叫“Two-Pint-Glass Fume-Containment-Apparatus”(两品脱杯子烟雾遏制装置)专利技术(逗你的,我没申请专利)。将过氧化氢溶液倒入玻璃杯里,加入铜,然后把另一个玻璃杯套在这个装了双氧水溶液和铜丝的杯子上,再往嵌套杯口的缝隙里加入酸,就没有烟气了。

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我还试过在只有酸的条件下通过制取氧化铜来制取氯化铜,虽说这个步骤毫无必要存在,但很好玩。用火炉把铜丝烧到红热,然后它的表面就会覆盖一层氧化铜。

这个步骤没什么用,不过如果你照做了你也可以通过看之前的图片描述的步骤来继续整个过程(制取氯化铜然后蚀刻)。我依然不推荐照做。你溶解的铜越少,你需要废弃的铜(大概就)就越少。而且酸+过氧化氢的溶剂也是非常容易使用的蚀刻剂。

双杯技术真可爱。我还是推荐它。

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