感光电路板之科学实验设计

《感光电路板之科学实验设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《感光电路板之科学实验设计（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 - 31 - 感光電路板之科學實驗設計 劉益宏 張仲維 魏慧雯 胡焯淳* 國立臺東大學 自然科學教育學系 壹、前言壹、前言 感光 電路 板為 一般 電子 學實 驗中 常用之材料，在一般的電子材料店很容易購得。當使用者須自行設計電路板時，可利用繪圖軟體繪製所需電路圖，以雷射印表機輸出於投影片上，經過曝光、顯影、定影等步驟而得所需電路版；一般在網路上亦可搜尋到已繪製好的電路圖以供學習使用。在電子材料行購得的材料包含(1)感光電路板 (如圖一) (2) 顯影劑 (3) 氯化鐵溶液，依照電路板內附的操作步驟，即使一般人士均可自製所需的電路板。現有文獻 中 雖 有 對 光 化 學 反 應 加 以 介

2、紹 (林 松香，2002；薛敬和，2000)，然卻無系統性介紹。本文擬以此易得的材料發展科學實驗課程，介紹各式化學反應，除原有的反應外更加入錯合反應及金屬合金製備，延伸原有的知識領域並開發新的科學教育素材。 貳、目的貳、目的 利用 市售 銅箔 感光 電路 板蝕 刻上 自己喜歡的圖案，來啟發大眾對化學實驗的興趣。本實驗設計包含了數種重要的化學反應類型：光化學反應、酸鹼反應、氧化 * 為本文通訊作者 圖一、市售感光電路板 還原反應、錯合反應及合金製備等。實驗過程約需兩個小時，製作出來的成品會因不同的化學反應而有許多不同的顏色，適合培養一般大眾、高國中學生甚至國小高年級學童對化學實驗的興趣，同時對理

3、工背景的大學部學生亦可進一步驗證教科書中所述之實驗原理。 參、原理參、原理 、光化學反應 一般 市售 的感 光電 路板 上的 光阻 劑為正形光阻劑，其外表為綠色。照光反應後，產生 Wolff 重排反應， 經過水解後得到的產物產生酸基，其化學反應如圖二所示。 科學教育月刊 第 293 期 中華民國九十五年十月 - 32 - RO N2OR+N2ROOHRCO圖二、光阻劑照光後產生 wolff 重排反應，經水解產生酸基，此酸基可與鹼作用而被洗去。 二、酸鹼中和反應(顯影)： 利用 氫氧 化鈉 與照 光後 之光 阻劑 所產生的酸進行酸鹼中和反應，可洗去曝光部分的光阻劑。此步驟亦可以酒精取代，經曝光後

4、的光阻劑可直接以 95%酒精拭去，而得到基本圖案。因經曝光後的光阻劑產生可溶於酒精的產物，若使用酒精即為一般的溶解過程，而非酸鹼中和反應。 三、氧化還原反應(蝕刻)： 使用 氯化 鐵與 照光 區域 的銅 片產 生氧化還原反應，將金屬銅氧化為銅離子而溶於水中，三價的鐵離子則還原為二價的亞鐵離子。基板上的銅被蝕刻後，露出原來基板的顏色。 四、酸鹼中和反應(鹼洗)： 將尚 含有 光阻 劑的 銅箔 板再 度放 入氫氧化鈉中可將綠色的光阻劑洗去，出現金屬銅的圖樣。此步驟如步驟二所述，亦可使用酒精取代氫氧化鈉，將曝光後的光阻劑洗去。 五、態鋅銅合金製備： 把含 銅的 圖案 浸入 氫氧 化鈉 與鋅 粉的混合

5、液中且加熱。此反應第一個步驟為Zn(s)與 NaOH 溶液反應而產生 Zn(OH)42- 錯合離子與氫氣，第二個步驟為 Zn(OH)42- 得到兩個電子形成 態的黃銅合金沉積在銅表面，而溶液中的鋅粉則繼續與氫氧根離子形成錯合離子釋放出兩個電子而達到平衡狀態，此反應為自發性反應不需外加電位。此時因表面的鋅原子含量較高，看起來為銀白色的圖樣。 H2O 不溶於鹼的光敏劑 Wolff rearrangement ： 產生的酸與 NaOH 反應 照光Break bond感光電路板之科學實驗設計 - 33 - 六、態鋅銅合金製備： 最後 再把 銀白 色圖 案的 銅箔 基版 放置酒精燈上面加熱後，因為表面的

6、鋅原子會擴散進入內部的銅，而使表面的鋅原子含量降低，轉化成較穩定的態黃銅合金而形成金黃色圖樣。其詳細的化學反應如Szczepankiewixz et al .(1995) 之研究。 圖四(A) 圖五 成品 圖四(B) 成品 圖三、總反應圖示 NaOH 顯影 蝕刻(氧化還原反應) FeCl3 NaOH Zn NaOH heat heat Fe 3 + + Cu ? Cu 2+ + Fe 2+ Wolff rearrangement 照光 科學教育月刊 第 293 期 中華民國九十五年十月 - 34 - 肆、材料與藥品肆、材料與藥品 銅箔基板 (10x15 公分) 1 片 0.4M NaOH 50

7、0mL 2.5M FeCl3 500mL 5M NaOH 與 5%Zn 的混合溶液 100mL 塑膠盆 2 個 檯燈 1 個 大玻璃片 1 個 投影片 1 片 酒精燈 1 個 伍、實驗步驟伍、實驗步驟 1. 利用 雷射 印表 機將 所欲 蝕刻 的圖 案印於投影片上。 2. 將電路板取出切割成適當大小(切割前最好先畫線)此步驟視自己想要圖案大小而定。撕去保護膜，將印有圖案的 投影 片置 於其 上， 以玻 璃片 壓住。 3. 置於 日光 燈下 約 30 公分， 曝光 約1520 分鐘，如圖四(A)所示。 4. 將曝光好的電路板放入 NaOH 溶液中顯影(直至照光部份不再有綠色微粒析出)，顯影時要不

8、斷搖晃感光片。取出電路板，以蒸餾水清洗電路板上的氫氧化鈉(此時感光電路板已定影)。此步驟亦可僅用衛生紙沾 95%的酒精將曝光後的綠色光阻劑溶掉，需注意最好 於暗 箱中 操作 或加 快動 作否 則其他 曝光 後的 光阻 劑會 被酒 精一 並拭去。此時可得以銅箔為底，圖樣為綠色的成品，如圖四(B)所示。 (A) (B) 圖四、(A) 感光電路板曝光中 (B) 曝光後 經鹼洗反應後之成品，以銅箔板為 底之綠色圖樣。 5. 將電 路板 放入 氯化 鐵溶 液中 進行 蝕刻，過程中亦需不斷搖晃電路板，以使反應均勻進行。蝕刻完畢後取出電路板，以清水清洗電路板上殘留的氯化鐵，經過此氧化還原反應後，未被光阻劑保

9、護的銅氧化成銅離子，可得以底板為底色，圖樣為綠色的成品，此時 若以 酒精 將部 份綠 色感 光劑 拭去，可形成兩種顏色的圖樣以增加顏色的變化，如圖五所示。 6. 將上述成品再次浸泡氫氧化鈉，使其綠色 的光 阻劑 與鹼 產生 酸鹼 中和 反應，可將光阻劑完全洗去，用清水沖洗後可得以底板為底色，圖樣為銅箔色的成品。 7. 將電 路板 浸入 含鋅 粉與 氫氧 化鈉 之混合溶液中加熱約三至五分鐘，取出感光電路板之科學實驗設計 - 35 - 電路板，以蒸餾水清洗電路板後，我們可以得到圖樣為銀白色的成品。 8. 將上 述成 品置 於酒 精燈 上緩 緩加 熱約三至五分鐘，以清水清洗滌後，可得到圖樣為金黃色的

10、成品。 圖五、成品圖樣，為黃底(基板原始顏色) 綠色圖樣，將部份光阻劑以酒精拭 去，可得兩種顏色之圖樣。 陸、實驗教學過程檢討與建議陸、實驗教學過程檢討與建議 1. 曝光 過程 中欲 得較 好的 遮光 效果 可以利用兩次列印，或將兩片相同的投影片重疊。 2. 曝光 過程 中建 議以 玻璃 片壓 住以 避免光影的重疊，本實驗中以一般的檯燈(18 watt，省電燈管)曝光距離 30 公分，約需 15 分鐘，若欲節省時間可以另購曝光機。 3. 反應 中兩 盆溶 液分 別為 氫氧 化鈉 與三氯化鐵，不可混用。實驗中須要求學生 配戴 乳膠 手套 與護 目鏡 以保 護自身安全且便利實驗操作。 4. 實驗

11、後之 三氯 化鐵 溶液 中含 有鐵 離子，亞鐵離子與銅離子，須歸類於實驗室含金屬離子之廢液，依各實驗室廢液處理方式儲存或外送處理。 5. 全部實驗操作約需兩小時，可先要求學生 在課 前將 欲製 作的 圖樣 列印 或自 行 以 黑 色 簽 字 筆 繪 製 喜 好 的 圖樣，以節省上課時間，並可鼓勵學生進行其他的後製作，使得成品更具實用性與趣味性。最後成品可噴上透明漆，或以透明塑膠膜保護。 6. 本教材經過多次試敎，對不同程度之學生 講解 方式 與實 驗進 行方 式均 可彈性應用。如無法處理廢液，亦可僅進行 光化 學反 應後 以酒 精將 曝光 部份光 阻劑 拭去 即可 得銅 箔底 綠色 的圖案，讓

12、學生觀察到光化學反應之結果，並說明其與半導體製程中曝光反應的關聯。針對理工科背景的大學部學生可以進行全部實驗並講解 Wolff重排反應，與鋅銅合金之詳細反應。 7. 不同濃度之氫氧化鈉下，在室溫中其反應時間不同，如表一所示，當氫氧化鈉濃度過高時，會將未曝光部分的光阻 劑亦 一同 洗去 ，造 成實 驗的 失敗，合理的且節省時間的氫氧化鈉濃度約為 0.35 M 左右。 8. 不同 的三 氧化 鐵進 行氧 化還 原反 應的速 率亦 不同 ，如 表二 所示 ，利 用4.0M 的氯化鐵溶液可節省蝕刻反應時間並可重複使用數次。 科學教育月刊 第 293 期 中華民國九十五年十月 - 36 - 表一、不同氫

13、氧化鈉濃度時，所需之顯影 時間 表二、不同之三氯化鐵濃度時，所需蝕刻 (氧化還原)時間 柒、結論柒、結論 本實驗設計，幾乎涵蓋了大部分重要的化學反應類型，並與現代科學技術相結合。台灣的電子工業在全世界佔有舉足經重的地位，不管在電路板的製造，積體電路產業，光電科技產業，其製程仍不出曝光，蝕刻，顯影，定影等步驟，學生可由本實驗學得其基本的化學反應原理，以增進其對現代新興科技之了解。 參考資料參考資料: 林松香、曾朗輝(2002)：IC 光阻材料技術 發展(上)。工業材料雜誌，189， 175-17。 林松香、曾朗輝(2002)：IC 光阻材料技術 發展(中)。工業材料雜誌，190， 174177。

14、 薛敬和、溫俊祥、鄭淑惠(2000)：感光性高 分子-光阻應用。化工技術，8(10)， 136-159。 Szczepankiewixz, S. H., Bieron, J. F. & Kozik, M. (1995). The golden penny demonstration. J. Chem. Ed. 72, 386-388. NaOH 濃度(M) 顯影時間(seconds) 0.5 10 0.4 25 0.35 35 0.2 180 0.15 300 0.12 480 FeCl3濃度(M) 蝕刻時間(minutes) 4.0 5.75 2.5 7.00 2.0 9.50 1.5 10.5 1.0 12.0