Projekt 22733/01

Innovatives Kreislaufverfahren zum Ätzen von Leiterplatten

Projektträger

Eilenburger EUT GmbH
Friedrich-Engelhorn-Str. 7
04838 Eilenburg
Telefon: 03423/706390-5

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der Fertigung von Leiterplatten werden die Strukturen mittels geeigneter Ätzlösungen aus den kupferbeschichteten Basismaterial herausgeätzt. Bei Verwendung einer Kupferchlorid-Salzsäure-Ätzlösung bestehen Defizite hinsichtlich einer umweltfreundlichen und rentablen Recyling-Technik. Außerdem geht der Trend in der Leiterplattentechnik zu immer feineren Strukturen (Mikrofeinstleiter), die mit der Kupferchlorid-Ätztechnik nicht mehr wirtschaftlich herstellbar sind. Deshalb bestehen für das neu zu entwickelnde Recycling-Ätzverfahren die folgenden Zielstellungen:
· Durch höhere erreichbare Ätzgeschwindigkeiten bei verbesserter Flankensteilheit sollen besonders feine Leiterplattenstrukturen rationeller und in besserer Qualität herstellbar sein
· Im geschlossenen Kreislauf soll das eingelöste Kupfer elektrolytisch rückgewonnen und das Ätzmittel reoxidiert werden, so dass Abfälle vermieden und Chemikalien eingespart werden können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie o. g. Zielstellung soll durch Verwendung einer aus einem Gemisch von Eisen- und Kupferchloriden bestehenden Ätzlösung erreicht werden. mit der im Vergleich zur Kupferchlorid-Ätzlösung höhere Ätzraten und steilere Ätzflanken realisiert werden. Die Zusammensetzung ist im Rahmen der Untersuchungen so zu optimieren, dass sie sowohl den erhöhten Anforderungen des Ätzprozesses, als auch den Erforder-nissen des Regenerationsverfahrens gerecht wird. Trotz einer durch den Eisenanteil erschwerten kathodischen Kupferrückgewinnung soll in einer mittels Kationenaustauschermembranen geteilten Recycling-Elektrolysezelle eine möglichst vollständige Kupferrückgewinnung in einer verwertbaren Form angestrebt, wobei zur Vermeidung einer anodischen Chlorentwicklung mit einem Sperranolyten elektrolysiert wird. Der dabei anodisch gebildete Sauerstoff dient in einem nachgeschalteten Reoxidationsmodul zur Überführung von Kupfer-I-/Eisen-II-Chloriden in die jeweils höhere Oxidationsstufe. Das Projekt soll in zwei getrennten Teilprojekten entwickelt und in den technischen Maßstab übertragen werden, wobei im 1. Teilprojekt die Verfahrensgrundlagen im Labor- und kleintechnischen Maßstab ausgearbeitet und erprobt werden, um im danach neu zu beantragenden 2. Teilprojekt eine Pilotanlage beim Projektpartner ILFA zu errichten und unter Produktionsbedingungen zu erproben.


Ergebnisse und Diskussion

Bei der Bearbeitung des 1. Teilprojektes wurden zusammenfassend folgende Ergebnisse erreicht:
1. Mit der kombinierten Kupfer/Eisen-Chlorid-Ätzlösung können trotz eines zur Erreichung hoher Stromausbeuten bei der kathodischen Kupferrückgewinnung minimierten Eisen-III-Chlorid-Gehaltes deut-lich höhere Ätzraten im Vergleich zu Kupferchlorid-Ätze erreicht werden.
2. Für die Feinstleitertechnik ist eine gut Flankensteilheit, wie sie mit reinen Eisen-III-Chlorid-Ätzlösung erhalten wird, von großer Bedeutung. Es konnte durch die Versuche in der Ätzanlage nachgewiesen werden, dass mit der optimierten Mischlösung eine vergleichbare Flankensteilheit erreicht werden kann.
3. Die bei der kathodischen Kupferrückgewinnung in einer geteilten Elektrolysezelle aufgetretenen Probleme infolge einer noch zu hohen Ätzrate konnte dadurch gelöst werden, dass vor der Elektrolyse zusätzliches Kupfer in der zu elektrolysierenden erschöpften Ätzlösung eingelöst wird. Damit ergibt sich auch die Möglichkeit, Kupferabfälle (z. B. Leiterplattenabfälle) in den Prozess einzubringen und ohne Mehraufwand in der Elektrolyse in einer gut verwertbaren Form zurück zu gewinnen
4. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich die Eisenchloride enthaltende Misch-Ätzlösung in gleicher Weise in einem Reoxidationsmodul mit Luft reoxidieren läßt, wie das für die Kupferchlorid-Ätzlösung bekannt ist. Bei Nutzung der hauptsächlich aus Sauerstoff bestehenden Anodengase aus der Recycling-Zelle kann auf Basis der Laboruntersuchungen im Vergleich zu Luft mit einer mindes-tens 3fach höheren Oxidationsgeschwindigkeit gerechnet werden.
5. Es wurde eine neue bipolare Recycling-Elektrolysezelle mit Mehrlagen-Streckmetallkathoden entwickelt, die sich durch einen einfacheren Aufbau auszeichnet und mit der höhere Stromdichten realisiert werden können. Dadurch war es möglich, die erforderlichen Elektrodenflächen und damit die Kosten der Elektrolysezellen zu minimieren.
6. Das im Labor- und Technikumsmaßstab erfolgreich erprobte Verfahren ermöglicht eine vollständige Kreislaufschließung und damit eine Vermeidung von Umweltbelastungen aller Art. Die durchgeführten Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen ergaben, dass gegenüber den technisch angewandten Ätzver-fahren Kostensenkungen in einer Größenordnung möglich sind, die Rückflusskennziffern für die Regenerieranlage von deutlich unter zwei Jahren ermöglichen.
7. Eine Pilotanlage, zugeschnitten auf die Erfordernisse der Ersterprobung bei ILFA, wurde konzipiert und dimensioniert, so dass sie verbindlich angeboten werden kann.
8. Konzipiert wurde ein neuer Lösungsweg zur Weiterentwicklung der Kreislaufverfahrens, indem, das wiedergewonnene Kupfer in Kupfersulfat umgesetzt werden kann, welches bei der Leiterplattenfertigung als Rohstoff für die Horizontal-Verkupferungsanlagen direkt wieder eingesetzt werden kann. Insgesamt wird eingeschätzt, dass es mit dem neuen Recycling-Ätzverfahren nicht nur gelingt, Umweltbelastungen durch die zu entsorgenden erschöpften Ätzlösungen vollständig zu vermeiden, sondern darüber hinaus auch die Wirtschaftlichkeit der Leiterplattenätze gegenüber den derzeit angewandten Ätzverfahren deutlich zu verbessern. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass mit der optimierten Kup-ferchlorid-Eisenchlorid-Mischlösung eine verbesserte Ätzqualität (Flankensteilheit) erreicht werden kann, die für die Ausbildung feinster Leiterbahnen gleichermaßen geeignet ist, wie dies für das wesentlich kostenaufwändigere Ätzen mit reiner Eisen-III-Chlorid-Lösung.(ohne Recycling) bekannt ist.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das neue Recycling-Ätzverfahren wird bereits 2006 auf Fachtagungen und in Arbeitskreisen zur Leiterplattentechnik und der angewandten Elektrolysetechnik, vorgestellt. Außerdem sind Publikationen in Fachzeitschriften vorgesehen.


Fazit

Die in der Aufgabenstellung vorgesehene Zielstellung für das Projekt wurde in allen wesentlichen Punkten erfüllt. Darüber hinaus wurden neue innovative Lösungen für die Regenerations-Elektrolyse entwickelt und erprobt sowie Vorschläge zur ökologischen und ökonomischen Weiterentwicklung gemacht. Für eine künftige Markteinführung ist es erforderlich, die Erprobung unter Produktionsbedingungen in einer beim Projektpartner ILFA zu errichtenden Pilotanlage durchzuführen. Diese Pilotanlage könnte gleichzeitig als Referenzanlage für die künftige Markteinführung genutzt werden.