汪前程 黃文濤 李再?gòu)?qiáng) 張偉奇

（深圳市祺鑫天正環(huán)?？萍加邢薰?，廣東 深圳 518000）

印制電路板企業(yè)產(chǎn)生大量的高含銅量蝕刻廢液，通過(guò)電解可以高效分離蝕刻廢液中的銅離子，得到可直接回收的高純度電解銅，同時(shí)蝕刻廢液經(jīng)電解后具有蝕刻能力的組分大部分未被破壞，經(jīng)簡(jiǎn)單調(diào)配后可返回至蝕刻線再利用。該工藝實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益的最大化和清潔生產(chǎn)，已經(jīng)在線路板生產(chǎn)企業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用。

產(chǎn)出單位重量電解銅的電耗，是影響生產(chǎn)成本的決定性因素。本文將對(duì)酸性蝕刻液回收銅的最佳電解條件進(jìn)行分析確認(rèn)，并對(duì)電解設(shè)備的優(yōu)化做簡(jiǎn)要的說(shuō)明，從而盡可能的提高電解銅的電流效率、降低電損耗。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)器材及藥品

整流器：15A 5V；電解槽：長(zhǎng)40 cm，寬12 cm，深12 cm；

循環(huán)泵：流量12 L/min；陽(yáng)極板：10 cm×10 cm鈦板，表面覆蓋二氧化銥涂層；

陰極板：10 cm×10 cm鈦板，無(wú)涂層；分析天平：佑科 精確度0.001 g；

計(jì)時(shí)器：秒表；覆銅板：生益科技板材；氯化銅；氯化銨；鹽酸；蝕刻添加劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 蝕刻速率的測(cè)定

蝕刻廢液對(duì)銅有較強(qiáng)的蝕刻能力，不能直接電解回收銅，需對(duì)蝕刻廢液進(jìn)行稀釋以得到蝕刻能力較弱的電解液，電解液中銅離子濃度是影響蝕刻能力的主要因素，因此有必要先初步測(cè)定含不同濃度銅離子的電解液的蝕刻速率[1]。

測(cè)定方法：常溫下，以低銅子液（[Cu2+]=12 g/L，[Cl-]120 g/L，酸度2 mol/L）按一定比例稀釋蝕刻廢液（[Cu2+]=143 g/L，[Cl-]=261 g/L，酸度2 mol/L）得到銅離子濃度為20 g/L、40 g/L、60 g/L、80 g/L、100 g/L的電解液。以50 mm×50 mm的雙面覆銅板在燒杯中進(jìn)行蝕刻速率的測(cè)試。

m1——蝕刻前覆銅板的質(zhì)量（g）；

m2——蝕刻后覆銅板的質(zhì)量（g）；

ρ——銅的密度8.92 g/cm3

S——覆銅板的單面面積（cm2）

t——蝕刻時(shí)間（min）

1.2.2 電流密度上限的確定

陰極電流密度小，銅層沉積速度慢，甚至不能沉積，但電流密度過(guò)大時(shí)，會(huì)形成粗糙、疏松、顏色發(fā)暗的不合格沉積層。

穩(wěn)定電流，以固定面積S的鈦板作為陰極板進(jìn)行電沉積，通過(guò)不斷調(diào)整電流，可以確定獲得合格沉積層的最大電流Imax，則

1.2.3 電流效率的測(cè)定

銅離子在陰極放電析出的同時(shí)，已經(jīng)析出的金屬銅層部分會(huì)被電解液反蝕。另外，陰極極化作用強(qiáng)時(shí)還會(huì)發(fā)生一定的析氫副反應(yīng)，所以銅實(shí)際沉積的重量小于析出的重量。正常電解時(shí)，析氫反應(yīng)可忽略不計(jì)。

將陰極板背向陽(yáng)極的一面粘貼膠布進(jìn)行絕緣，在不同銅離子濃度的電解液中，分別以最大電流密度進(jìn)行電解，測(cè)量陰極板面積以及電解前后的重量，并記錄電流和時(shí)間。電解前后陰極板的重量差 △m即為銅實(shí)際沉積的重量，通過(guò)電流I和時(shí)間t可以計(jì)算出銅的析出的理論重量m，則

M——銅的相對(duì)原子量

e——電子的電荷量，常數(shù)

N——阿伏伽德羅常數(shù)

1.2.4 沉積速率的測(cè)定

利用測(cè)定電流效率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出沉積速率，即單位時(shí)間內(nèi)銅層沉積的厚度。

ρ——金屬銅的密度

S——陰極板的面積

1.2.5 電解液流速、溫度對(duì)電沉積的影響

將蝕刻廢液銅離子濃度調(diào)整為40 g/L，其它條件相同的情況下，通過(guò)改變電解液循環(huán)流動(dòng)的速度或者溫度，分別對(duì)比陰極電流效率。

2 結(jié)果及分析

2.1 銅離子濃度對(duì)蝕刻速率的影響

隨著銅離子濃度的升高，蝕刻液蝕刻速率如圖1中所示。

圖1 銅離子濃度對(duì)蝕刻速率的影響

從圖1中可以隨著銅離子濃度的上升，蝕刻液的蝕刻速率呈上升趨勢(shì)，而通過(guò)理論計(jì)算可知，陰極電流密度為10 A/dm2，假設(shè)電流效率100%，銅層的析出速度也僅為2.2 μm/min，遠(yuǎn)小于電解液的蝕刻速度，因此銅離子濃度越低越有利于陰極銅的析出。從實(shí)際的電解實(shí)驗(yàn)來(lái)看，當(dāng)蝕刻液銅離子濃度為20 g/L，電流密度為3 A/dm2時(shí)，陰極可以得到合格的銅層，說(shuō)明電解過(guò)程中蝕刻速率會(huì)受到抑制。如果銅離子濃度過(guò)高，電解時(shí)陰極板可能沒(méi)有銅層沉積，或者沉積速率慢，嚴(yán)重降低電流效率，因此需要嚴(yán)格控制電解液中銅離子濃度。

2.2 銅離子濃度對(duì)電流密度上限的影響

從表1可以看到，其它條件不變時(shí)，電解液銅離子濃度越高，電流密度上限越高。正常電解過(guò)程中，陰極的析氫副反應(yīng)可以忽略不計(jì)，當(dāng)銅離子濃度一定時(shí)，電流密度越大，電流效率越高。所以后面對(duì)于不同銅離子濃度的電解液，都是在相應(yīng)的最大電流密度下進(jìn)行電流效率和沉積速率的測(cè)試。

表1 不同銅離子濃度下最大電流密度

2.3 電流密度對(duì)電流效率、沉積速度的影響

從表2及圖2中可以看到，以相應(yīng)的最大電流密度進(jìn)行電解，銅離子濃度越高，則電流效率越低，銅沉積速率越快。也就是說(shuō)，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中，其它電解條件不變，只通過(guò)調(diào)整銅離子濃度及電流密度，噸銅電耗更低和出銅速度更快，不能同時(shí)滿足。

陰極銅的析出速率和電量成正比，假設(shè)比例系數(shù)為常數(shù)a，則噸銅電耗可表示如下：

U——槽電壓

I——電流

η——電流效率

由于電解系統(tǒng)不是一個(gè)純電阻電路，電流大小和槽電壓大小并不是成線性關(guān)系。槽電壓可以表示為：

U=E理+E液+E接+△E超；

陽(yáng)極析氯陰極析銅，理論電壓E理=φ陽(yáng)-φ陰，為定值；

E液表示槽液的電壓降，與電流密度成正比；

E接表示導(dǎo)線接觸電位、極板電阻等，與電流密度成正比；

表2 電流密度對(duì)電流效率、沉積速度的影響

圖2 電流密度上限對(duì)電流效率和沉積速率的影響

△E超表示極化超電壓。

根據(jù)Tafel公式表示如式（1）。

可知，超電壓與電流密度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，也就是說(shuō)，當(dāng)電流密度變化時(shí)，超電壓的變化幅度很小。

酸性蝕刻電解液含有高濃度的Cl-、H+、NH4+、Cu2+等，導(dǎo)電性很好，保證導(dǎo)線、極板導(dǎo)電良好的情況下，提高電流密度，會(huì)明顯提高陰極銅沉積電流效率η，但槽電壓U只會(huì)小幅度上升。所以，以電流密度上限進(jìn)行電解，會(huì)使噸銅的電耗降到最低。

另一方面，銅離子濃度決定電流密度上限和電流效率。銅離子濃度低，電流效率高但沉積速度慢；銅離子濃度高，電流效率低但沉積速度快，所以需要把銅離子控制在一個(gè)合理范圍，實(shí)現(xiàn)電流效率和沉積速度的平衡。

2.4 電解液流速、溫度對(duì)電沉積影響

陰極銅的析出速率僅取決于電流密度，不受電解液流速和溫度的影響。

反蝕過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為兩個(gè)步驟：①Cu→Cu+；②Cu+→Cu2+，溫度升高，兩個(gè)步驟的反應(yīng)都會(huì)加快。

步驟①Cu→Cu+在溶液和陰極界面進(jìn)行，當(dāng)流速加快時(shí)，減弱了Cu+在界面的富集，減弱了濃差極化作用，促進(jìn)反應(yīng)右移，從而使反蝕速率加快。所以，當(dāng)溫度升高或者電解液流速加快，都會(huì)加速已析出的銅層反蝕，最終降低了電解銅的沉積速度（見(jiàn)表3所示）。

表3 電解液流速、溫度對(duì)電流效率影響

3 結(jié)論

（1）當(dāng)銅離子濃度一定時(shí)，用最大電流密度進(jìn)行電解，電流效率最高，噸銅電耗最低；

（2）實(shí)際生產(chǎn)中，銅離子濃度過(guò)高，會(huì)使電流效率降低導(dǎo)致噸銅電耗偏高；銅離子濃度過(guò)低，則電流密度上限低，出銅速率慢。銅離子濃度控制在40～50 g/L，并用6～7.5 A/dm2的電流密度電解，出銅速度快且噸銅電耗較低；

（3）在控制好銅離子濃度和電流密度的同時(shí)，盡量降低電解液溫度、減緩電解液循環(huán)流速，可以抑制電解液對(duì)金屬銅的反蝕，從而提高陰極電流效率和的銅的沉積速率。