Bakırın kimyasal işlenmesi

(1)

*_{YazÕúmalarÕn yapÕlaca÷Õ yazar: Orhan ÇAKIR. ocakir@dicle.edu.tr; Tel: (412) 248 80 01 (3547)}

Özet

Kimyasal iúleme yöntemi, kimyasal aúÕndÕrÕcÕ içerisinde iúlenecek malzemenin kontrollü bir úekilde korozyona u÷ratÕlarak úekillendirilmesi olarak tanÕmlanabilir. Bu iúleme yöntemi geleneksel olmayan imalat yöntemlerinden bir tanesidir ve her türlü malzemenin ekonomik olarak úekillendirilmesi mümkündür. Geliúimini 1950’li yÕllarda uçak endüstrisinde kullanÕlan alüminyumun iúlenmesi ile göstermiú ve elektronik endüstrisinde kullanÕmÕ ile yaygÕnlaúmÕútÕr. Son yÕllarda mikron boyutunda parçalarÕn imalatÕnda kullanÕmÕ ile imalat yöntemi olarak daha özel bir konuma gelmiútir.

BakÕr, mühendislik malzemesi olarak özellikle elektronik endüstrisinde yaygÕn kullanÕmÕ nedeniyle iúlenmesi ilgi çeken bir malzemedir. Kimyasal iúleme bakÕrÕn úekillendirilmesinde kullanÕlan yöntemlerden biridir, hatta bazÕ elektronik parçalarÕn iúlenmesinde zorunlu olarak kullanÕlÕr. Bu çalÕúmada seçilen bakÕrÕn (DIN EN 1652 standardÕna uygun %99.9 Cu içerikli) kimyasal iúlenmesi deneysel olarak araútÕrÕlmÕútÕr. Kimyasal aúÕndÕrÕcÕ olarak, yaygÕn kullanÕmÕ nedeniyle bakÕr-2-klorür (CuCl2) çözeltisi seçilmiútir. Bu kimyasal aúÕndÕrÕcÕ farklÕ deriúikliklerde (2.04 Molar, 2.33 Molar ve 2.65 Molar) hazÕrlanmÕú ve farklÕ kimyasal iúleme sÕcaklÕklarÕnda (30°C, 50°C ve 70°C) bakÕrÕn kimyasal iúlenmesi yapÕlmÕútÕr. Kimyasal iúleme yöntemi daldÕrma tekni÷i úeklinde gerçekleútirilmiútir. BakÕrÕn kimyasal iúlenmesinde yüksek kimyasal iúleme sÕcaklÕklarÕnÕn kullanÕldÕ÷Õ çok denenmiú bir durum de÷ildir. Bu çalÕúmanÕn di÷er bir farklÕlÕ÷Õ, kullanÕlan yüksek kimyasal aúÕndÕrma sÕcaklÕ÷ÕnÕn kimyasal iúleme üzerindeki etkisinin belirlenmesidir. Deneysel çalÕúmada araútÕrÕlan iki parametre olarak, kimyasal iúlenen malzemedeki iúleme derinli÷i ve yüzey pürüzlülü÷ü de÷erleri seçilmiútir.

BakÕrÕn CuCl2 ile kimyasal iúlenmesinde kimyasal aúÕndÕrÕcÕnÕn deriúi÷inin artmasÕ ile iúleme derinli÷inin arttÕ÷Õ görülmüútür. Bu durum, kullanÕlan kimyasal iúleme sÕcaklÕ÷ÕnÕn artmasÕ ile de olumlu úekilde etkilenmiútir. Yüzey kalitesi açÕsÕndan kullanÕlan her üç aúÕndÕrÕcÕ yo÷unlu÷u da benzer sonuçlar vermiútir. Yüksek iúleme sÕcaklÕklarÕnda yüzey pürüzlü÷ü de÷erlerinin azaldÕ÷Õ görülmüútür.

Anahtar Kelimeler: Kimyasal iúleme, bakÕr, aúÕndÕrma derinli÷i, yüzey pürüzlülü÷ü

BakÕrÕn kimyasal iúlenmesi

Orhan ÇAKIR*_{, Volkan AYDOöAN, Zeynep Burcu ÖZATEù}

Dicle Üniversitesi, Makina Mühendisli÷i Bölümü, 21280, DiyarbakÕr

mühendislikdergisi

Cilt: 2, 1, 3-9

Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi

(2)

Chemical machining of copper

Extended abstract

Copper and its alloys are major engineering materials that is extensively used particularly in electronics industry due to their eletrical properties. The importance of these materials attracted many researches for investigating various production methods. Chemical machining is one of them. This machining process is widely used in various industries to produce complex components from flat materials. The process is called controlled corrosion operation of workpiece material in acidic or alkaline environment. The major advantage of chemical machining is the manufacture of high precision parts in a short machining time with low production cost. Moreover, the process does not need a special tool and product parts are burr free. However, chemical machining is not environmentally friendly machining process due to chemical etchants which have advers effect on environment. This problem is almost overcomed by using regeneration of waste etchant and recovery of etched material simultaniously. The chemical machining of copper is vital process in the electronics industry. It is a major production step in the manufacture of printed circuit boards. Various chemical etchants can be used to shape in chemical machining of copper, one of them is cupric chloride (CuCl2). The advantages of this etchant over other etchants are numerous; high etch rate, compatible with etching maskant, cost effective, possibility of etched material recovery and full regeneration of waste etchant. These properties make the etchant possible the most environmetally friendly chemical solution in the chemical machining of copper.These properties make this

etchant more attractive in case of chemical machining of copper.

In the present study, chemical machining of copper with CuCl2 was examined. The selected material was 99.9% pure copper (DIN EN 1652). The experimental study was completed in beaker as immerse chemical machining method. The selected etchant concentrations and temperatures were 2.04, 2.33 and 2.65 Mol; and 30°C, 50°C and 70°C. Most of the parameters were related to literature survey, but the highest temperature (70°C) was not widely used. The prepared etchant solution was placed on hot plate with magnetic stirrer. The chemical machining temperature was kept at ± 2°C. The total machining time was 20 mins and each measurement of thickness and surface roughness were taken at every 5 mins.

The aim of this study was to examine the effects of selected etchant concentration and temperature on depth of etch and surface roughness in chemical machining of copper. It was concluded that etchant concentration is important factor on depth of etch, higher etchant concentration increased depth of etch. Surface roughnes was affected by etchant concentration and temperature.

Keywords: Chemical machining, copper, depth of etch, surface roughness.

.

(3)

Giriú

Kimyasal iúleme yöntemi geleneksel olmayan imalat yöntemleri içerisinde hem kullanÕm kolaylÕ÷Õ, hem de ekonomik oluúu nedeniyle tercih edilen bir imalat yöntemidir. Genel olarak yöntem tanÕmlanÕrken “kontrollü korozyon” uygulamasÕ olarak belirtilir. Korozyon ortamÕ daha önce iúlenecek malzemeye uygun olarak seçilir ve bu amaçla kimyasal aúÕndÕrÕcÕ olarak tanÕmlanan bir çözelti hazÕrlanÕr. Kimyasal çözelti asidik veya bazik ortam olabilir. øúlenecek yüzey durumuna göre gerekli ise malzemenin yüzeyi koruyucu bir tabaka ile (maske) kaplanÕr ve iúlenecek yüzeyler koruyucu tabakanÕn olmadÕ÷Õ malzeme bölgeleri olarak belirlenir. Malzeme, kimyasal aúÕndÕrÕcÕnÕn içine konarak úekillendirme iúlemi gerçekleútirilir [ÇakÕr, 2001; ÇakÕr, vd. 2007]. Kimyasal iúleme yöntemi Eski MÕsÕr’dan bu yana de÷iúik biçimlerde kullanÕlmÕú ve günümüze kadar gelmiú belki de en eski geleneksel olmayan imalat yöntemidir. 1950’li yÕllarda uçak kanatlarÕnda kullanÕlan alüminyum parçalarÕn iúlenmesinde tercih edilen bir yöntem olmuútur. Elektronik endüstrisinde yo÷un kullanÕmÕ sonucunda yöntemin kullanÕm alanlarÕ artmÕútÕr. Özellikle baskÕ devre kartlarÕnÕn imalatÕnÕn önemli bir imalat aúamasÕnÕ oluúturmaktadÕr. Son yÕllarda mikron boyutlu parçalarÕn imalatÕnda kullanÕlmasÕ ve bu konudaki endüstriyel talebin her geçen gün artmasÕ nedeniyle kimyasal iúleme yöntemi cazibesini korumaktadÕr [Harris, 1976; Rajurkar 1992; ÇakÕr, 2001; Madou, 2002; ÇakÕr, vd. 2007].

BakÕr, mühendislik malzemesi olarak birçok avantaja sahip bir malzemedir. Çok çeúitli mühendislik uygulamalarÕnda yaygÕn olarak kullanÕlan bakÕr, sundu÷u özellikler sayesinde her geçen gün çekicili÷ini arttÕrmaktadÕr. Elektrik iletkenli÷i nedeniyle elektronik endüstrisinde yo÷un olarak kullanÕlÕrken, ÕsÕl iletkenli÷i dolayÕsÕyla da bazÕ endüstriler tarafÕndan tercih edilmektedir.

BakÕrÕn üretimi kolaydÕr ve iyi bir dayanÕm direncine ve kÕrÕlma özelli÷ine sahiptir. BakÕrÕn

standart olarak çok sayÕda alaúÕmlarÕ söz konusudur ve her bir bakÕrÕ alaúÕmÕ farklÕ özelliklere sahiptir. BakÕr ve bakÕr alaúÕmlarÕnÕn farklÕlÕ÷Õ mühendislik malzemesi olarak ilgi çekicili÷ini arttÕrmaktadÕr.

BakÕrÕn kullanÕm alanlarÕnÕn fazlalÕ÷Õ, bu malzemenin iúleme yöntemlerinin fazlalÕ÷ÕnÕ beraberinde getirmektedir. Çeúitli imalat yöntemleri kullanÕlarak bakÕrÕn iúlenmesi mümkündür. KullanÕlabilecek imalat yöntemlerinin seçilmesi konusunda, malzemenin hangi amaçlar için tercih edildi÷ine bakmak gerekir. Elektronik endüstrisinde bakÕrÕn kullanÕmÕ konusundaki yaygÕnlÕk, malzemenin iúlenmesi konusunda geleneksel olmayan imalat yöntemlerinin tercih edilmesine yol açmaktadÕr. Bu konuda kimyasal iúleme yöntemi birçok açÕdan seçilmesi zorunlu olan bir imalat yöntemidir.

BakÕrÕn kimyasal iúlenmesi konusunda yapÕlan çok sayÕda çalÕúma bulunmaktadÕr. Bu çalÕúmalarÕ anlatan bir tarama makalede de÷iúik kimyasal aúÕndÕrÕcÕlarÕn kullanÕmÕnÕn mümkün oldu÷u belirtilmiútir [ÇakÕr, 2008]. Bu kimyasal aúÕndÕrÕcÕlar içinde bakÕr-2-klorür (CuCl2) çözeltisinin daha uygun oldu÷u konusunda genel bir e÷ilim söz konusudur. Bunun temel nedeni ekonomik bir çözelti olmasÕ ve çevre dostu olmasÕdÕr. BakÕrÕn CuCl2 ile kimyasal iúlenmesi sonucunda ortaya çÕkan atÕk çözelti tekrar iúlenerek ilk haline getirilebilmekte ve aúÕndÕrÕlmÕú bakÕrÕn elekrolitik yöntemle geri kazanÕmÕ ile hem yeni çözelti masrafÕ olmamakta, hem de geri kazanÕlan bakÕrÕn satÕúÕ ile ekonomik olarak büyük avantaj sa÷lanmaktadÕr. Bu durum çeúitli çalÕúmalarla desteklenmiútir [Allen ve ÇakÕr, 1993; ÇakÕr, 2005; ÇakÕr, 2006; ÇakÕr, vd. 2011].

BakÕrÕn CuCl2 ile kimyasal iúlenmesine ait kimyasal reaksiyon;

Cu + CuCl2 Æ 2 CuCl

úeklinde gerçekleúir. Kimyasal reaksiyonun basitli÷i nedeniyle kullanÕlmÕú çözeltinin ilk durumuna dönüútürülmesi ve iúlenmiú bakÕrÕn

(4)

geri eldesinin mümkün olmasÕ, çözeltinin kimyasal iúleme hÕzÕnÕn iyi olmasÕ ve ekonomik oluúu bakÕrÕn CuCl2 ile kimyasal iúlenmesindeki en önemli avantajlarÕdÕr. Çevresel etkilerinin di÷er kimyasal aúÕndÕrÕcÕlar ile karúÕlaútÕrÕldÕ÷Õnda en az olmasÕ da çok önemlidir.

BakÕrÕn CuCl2 ile kimyasal iúlenmesini araútÕran bu çalÕúmada seçilen kimyasal aúÕndÕrÕcÕnÕn ve iúleme sÕcaklÕ÷ÕnÕn iúleme derinli÷i ve yüzey kalitesi üzerindeki etkisi deneysel olarak incelenmiútir.

Deneysel çalÕúma

BakÕrÕn CuCl2 ile kimyasal iúlenmesi amacÕyla seçilen malzeme %99.9 saflÕkta bakÕr (DIN EN 1652 standardÕnda) malzeme 1x20x100 mm boyutlarÕnda kesilmiútir. HazÕrlanmÕú numunelerin temizlenmesi amacÕyla ultrasonik temizleme yöntemi uygulanmÕútÕr. Bu amaçla hazÕrlanan kimyasal temizleme çözeltisi içerisinde numuneler 30°C sÕcaklÕkta yaklaúÕk 20 dakika bekletilmiútir.

Seçilen kimyasal aúÕndÕrÕcÕ üç farklÕ deriúikte hazÕrlanmÕútÕr. Bu amaçla, daha önceki çalÕúmalar da dikkate alÕnarak, en uygun deriúik de÷eri (2.33 Mol) yanÕnda 2.04 ve 2.65 Mol deriúik de÷erleri de seçilmiútir. AyrÕca kimyasal iúlemenin uygulanaca÷Õ iúleme sÕcaklÕ÷Õ olarak üç farklÕ de÷er (30°C, 50°C ve 70°C) belirlenmiútir. Genel olarak kimyasal iúleme en fazla 50°C de÷erinde yapÕlÕr, bu seçime etki eden faktör kimyasal iúleme uygulamasÕnÕn yapÕldÕ÷Õ aúÕndÕrma makinalarÕnda kullanabilecek en yüksek sÕcaklÕk de÷eridir. AyrÕca daha yüksek iúleme sÕcaklÕ÷Õ seçilerek (70°C) bunun kimyasal iúleme üzerindeki etkisinin de belirlenmesi amaçlanmÕútÕr.

BakÕrÕn CuCl2 ile kimyasal iúlenmesi daldÕrma metodu kullanÕlarak yapÕlmÕútÕr (ùekil 1). Her bir deney için 200 mL çözelti uygun deriúikte hazÕrlanmÕú ve cam kavanoz içine konarak istenen sÕcaklÕ÷a getirilmiútir. IsÕ kaybÕnÕ önlemek için cam kavanoz, su dolu daha büyük bir kavanoz içine konmuú ve sÕcaklÕk

kontrolünün daha iyi olmasÕ sa÷lanmÕútÕr. SÕcaklÕk de÷erini ±2 °C de÷erinde tutulmuútur. Deneysel çalÕúma sÕrasÕnda kalÕnlÕk ölçümleri için Mitutoyo mikrometresi (ölçüm hassasiyeti ± 0.001 mm de÷erinde) ve yüzey pürüzlülü÷ü ölçümleri için Taylor-Hobson Surtronic 3+ yüzey pürüzlülü÷ü ölçüm cihazÕ kullanÕlmÕútÕr.

ùekil 1. DaldÕrma yöntemi ile kimyasal iúleme deney düzene÷i

Deneysel çalÕúma toplam 20 dakika iúleme zamanÕ olarak kabul edilmiú ve ölçümler her 5 dakikada bir yapÕlmÕútÕr. Her deneysel parça yeni hazÕrlanmÕú kimyasal çözelti ile kimyasal olarak iúlenmiútir. Her deney parçasÕndan üç ölçüm de÷eri alÕnmÕú ve her parametre için üç parça iúlenmiútir.

Deneysel Sonuçlar ve TartÕúma

BakÕrÕn CuCl2 ile kimyasal iúleme yönteminde temel olarak iúleme derinli÷inin ve yüzey pürüzlülü÷ünün kimyasal aúÕndÕrÕcÕ deriúikli÷ine ve iúleme sÕcaklÕ÷Õna ba÷lÕ olarak de÷iúimi araútÕrÕlmÕútÕr.

Seçilen iki farklÕ parametrenin iúleme derinli÷i üzerindeki etkileri ùekil 2’de verilmiútir. AçÕkça görülmektedir ki seçilen CuCl2 aúÕndÕrÕcÕsÕnÕn deriúik de÷eri arttÕkça iúleme derinli÷i artmaktadÕr. Kimyasal iúleme sÕcaklÕ÷Õ olarak referans alÕnabilecek de÷er olan 50°C’de bu

(5)

de÷iúim görülmektedir. Kimyasal aúÕndÕrÕcÕnÕn 2.04 Mol de÷erinde iúleme derinli÷i de÷eri 140 μm iken 2.33 Mol’de 160 μm ve 2.65 Mol’de 180 μm olmuútur. 0 50 100 150 200 0 5 10 15 20 25

øúleme zamanÕ (dak)

øú le m e de ri nl i÷ i ( μ m)

2.04 Mol 2.33 Mol 2.65 Mol

ùekil 2. Kimyasal aúÕndÕrÕcÕ deriúi÷inin iúleme derinli÷i üzerindeki etkisi

øúleme derinli÷inin iúleme sÕcaklÕ÷Õ ile de÷iúimi ùekil 3 ve 4’de verilmiútir. ùekil 3’de kimyasal iúleme sÕcaklÕ÷Õ olarak 30°C alÕnmÕútÕr. ùekil 4’de ise sÕcaklÕk de÷eri 70°C’dir. Görülmektedir ki, iúleme sÕcaklÕ÷Õ artmasÕ ile iúleme derinli÷i artmaktadÕr. En yüksek iúleme derinli÷i de÷erleri en yüksek deriúik de÷eri ve en yüksek iúleme sÕcaklÕ÷Õ de÷erlerinde elde edilmiútir. En düúük iúleme derinli÷i de÷eri 30 °C iúleme sÕcaklÕ÷Õ de÷erinde ortaya çÕkmaktadÕr.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 5 10 15 20 25

2.04 Mol 2.33 Mol 2.65 Mol

ùekil 3. Kimyasal aúÕndÕrÕcÕ deriúi÷inin 30°C iúleme sÕcaklÕ÷Õnda iúleme derinli÷i üzerindeki

etkisi 0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25

2.04 Mol 2.33 Mol 2.65 Mol

ùekil 4. Kimyasal aúÕndÕrÕcÕ deriúi÷inin 70°C iúleme sÕcaklÕ÷Õnda iúleme derinli÷i üzerindeki

etkisi

BakÕrÕn CuCl2 ile kimyasal iúlenmesinde

deneysel olarak araútÕrÕlan ikinci parametre yüzey pürüzlülü÷ü de÷eridir. Herhangi bir malzemenin kimyasal iúlenmesinde yüzey kalitesinin iyi olmasÕ istenen bir durumdur. Deneysel çalÕúmada kullanÕlan üç farklÕ iúleme sÕcaklÕ÷Õna ba÷lÕ olarak ortaya çÕkan yüzey pürüzlülü÷ü de÷iúimleri ùekil 5-7’de verilmiútir. Yüzey pürüzlülü÷ü üzerinde kullanÕlan kimyasal aúÕndÕrÕcÕnÕn deriúik de÷erinin etkili oldu÷u görülmüútür. Deneysel çalÕúma sonucunda 2.33 Molar’lÕk kimyasal aúÕndÕrÕcÕ de÷erinin daha iyi yüzey kalitesi verdi÷i belirlenmiútir.

ùekil 5. Kimyasal aúÕndÕrÕcÕnÕn farklÕ deriúik de÷erlerinde yüzey pürüzlülü÷ü üzerindeki etkisi

(6)

(iúleme sÕcaklÕ÷Õ : 50°C )

(iúleme sÕcaklÕ÷Õ : 70°C )

Yüzey pürüzlülü÷ü açÕsÕndan yapÕlan de÷erlendirmede ortalama yüzey pürüzlülü÷ünün genel olarak tüm iúleme sÕcaklÕklarÕnda benzer sonuçlar verdi÷i görülmüútür. Yüzey pürüzlülü÷ü de÷eri (Ra) yaklaúÕk olarak 0.5-2 μm aralÕ÷ÕndadÕr. Bununla birlikte yüzey pürzlülü÷ü de÷eri 70°C iúleme sÕcaklÕ÷Õnda ve 2.65 Molar deriúikte en yüksek de÷eri (3-3.5 μm) oldu÷u görülmüútür.

Genel Sonuçlar

BakÕrÕn CuCl2 ile kimyasal iúlenmesinin

deneysel olarak incelendi÷i bu çalÕúmada ortaya çÕkan sonuçlar aúa÷Õda sÕralanmÕútÕr:

a. øúleme derinli÷i de÷eri kullanÕlan kimyasal aúÕndÕrÕcÕnÕn deriúik de÷eri ile de÷iúmektedir. Deriúik de÷eri arttÕkça iúleme derinli÷i de÷eri artmaktadÕr. Seçilen üç farklÕ kimyasal aúÕndÕrÕcÕ deriúik de÷eri içinde en yüksek iúleme derinli÷i de÷eri 2.65 Mol de÷erinde elde edilmiútir.

b. øúleme de÷eri üzerindeki di÷er faktör kimyasal iúleme sÕcaklÕ÷ÕdÕr. AçÕkça görülmektedir ki iúleme sÕcaklÕ÷Õ arttÕkça iúleme derinli÷i de÷eri artmaktadÕr.

c. Yüzey pürüzlülü÷ü de÷eri hem kimyasal aúÕndÕrÕcÕnÕn deriúik de÷eri ile hem de iúleme sÕcaklÕ÷Õ ile de÷iúmektedir. Genel olarak düúük iúleme sÕcaklÕk de÷erinin seçilmesi daha uygun olacaktÕr. Yüzey pürüzlülü÷ü de÷eri yaklaúÕk olarak 0.5-2 μm de÷erleri aralÕ÷Õnda çÕkmaktadÕr.

Teúekkür

Yazarlar, bu çalÕúmanÕn gerçekleútirilmesinde maddi destek sa÷layan Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi DekanlÕ÷Õ’na ve teknik yardÕmlarÕ için Dr. Abdurrahman Saydut’a teúekkür ederler.

Kaynaklar

Allen, D.M., ÇakÕr, O., (1993), Copper etching economics, Photochemical Machining Institute J. (PCMI), Cilt:52, s:4–7.

ÇakÕr, O., (2001), Kimyasal iúleme yöntemi, II.

Makina Malzemesi ve ømalat Teknolojisi Sempozyumu Bildiriler KitabÕ, 7-9 KasÕm 2001,

Manisa, s:813-819

ÇakÕr, O., (2005), Chemical etching of Cu-ETP copper, J. of Materials Processing Technology, Cilt:162-163, s:275-279

ÇakÕr, O., (2006), Copper etching with cupric chloride and regeneration of waste etchant, J. of Materials

Processing Technology, Cilt:175, No: s:63-68

ÇakÕr, O., YardÕmeden, A., Özben, T., (2007), Chemical Machining, Archives of Material Science

and Engineering, Cilt:28, No:8, s:499-502

ÇakÕr, O., (2008), Review of etchants for copper and its alloys in wet etching processes, Key

(7)

ÇakÕr, O, Özateú, Z.B., Aydo÷du, V., (2011), Investigation of etch rate and surface roughness in chemical machining of copper with FeCl3 and

CuCl2, Proc. of Die and Molds Conference 2011, s:4

Dini, J.W., (1984), Fundamentals of chemical milling, American Machinist (Special Report:768), Temmuz, s:113-128.

Harris, W.T., (1976), Chemical Milling, Oxford

University Press, øngiltere

Madou, M.J., (2002), MEMS Fabrication, The

MEMS Handbook, Chapter 16, (Edited by

Mohamed Gad-el-Hak), CRC Press

Rajurkar, K.P., (1992), Nontraditional manufacturing processes, Chapter 13, Handbook

of Design, Manufacturing and Automation, (Ed.

R.C. Dorf, A. Kusrak), John Wiley & Sons Inc., New York, ABD, s:211-241