“PCB的制备及其废液处理”跨学科项目式学习实践

1项目主题内容分析《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》强调基于真实情境的教学，选取当代化学研究成果并简化为实验活动，注重提高学生综合运用知识解决实际问题的能力[]。项目式学习能够有效调动学生的跨学科知识，培养他们在陌生复杂情境中解决问题的能力[2，进而提高综合素养。印刷电路板（PCB，PrintedCircuitBoard）是电路板行业核心基础部件，也是电子信息制造业发展的重要基石。本项目基于电路板工艺发展的真实情境，开展印刷电路板制备及废液处理的项自式学习，要求学生运用电路、物质性质、物质转化与应用等物理与化学知识解决实际问题，设计并优化废液处理方案。本项目以铜元素的转化和应用知识为主线，涵盖人教版高中化学必修一第一章“物质及其变化”和第三章“铁及其化合物”、选择性必修一第四章“电解池”、选择性必修二第二章“分子结构与物质的性质”等内容，还将纳米材料知识融人其中。实践过程中，引导学生将上述知识相互关联，形成知识结构，在学习结构化知识的基础上进一步建立认识思路和观念结构，有助于实现项目式学习在学科知识、认识思路、学科观念结构化方面的独特价值[3]。本项目是涉及“化学与技术”的物质生产类实践和“化学与环境”的行动改进类实践，所需运用的知识和发展的化学观念之间的关联如图1所示。本项目适合高二和高三的化学综合实践学习。学生之前已系统学习了氧化还原反应，掌握了其特征和本质；学习了铁、硫及其化合物，建立了从价-类二维图认识物质转化的视角，掌握了基本实验设计的思想；还学习了共价键极性对物质性质的影响，具有结构决定性质的化学观念。然而，对于“PCB的制备及其废液处理”项目式学习，学生尚缺乏从多角度分析不同价态铜元素互相转化和处理方法的能力，缺少运用化学原理设计符合社会需求的产品的项目实践锻炼。2项目教学目标（1）通过观看电路板结构和发明史视频，了解电路板组成及工作原理。聚焦课堂1精品课例图1印刷电路板制备及废液处理项目的确立（2）通过电路板制作、小组合作开展电路板功能检测与问题排查，初步学会相关的实验技能，提升解决实际问题以及团队协作的能力。（3）通过铜电路形成原理的分析、寻找蚀刻液和设计处理废液方案的实践，形成相关知识结构和认识思路，建立变化观、结构决定性质、绿色经济理念等化学观念。3项目任务及教学流程本项目遵循“理论探究-实践制作-废液处理-产品展示\"的思路，分4课时完成，包含三个板块：探究印刷电路板制备原理，电路板的制备及应用，处理蚀刻废液与展示回收后的产品，具体任务及流程如表1所示。表1项目任务及教学流程续表4项目实施过程及学生学习成果[项目引导]PCB广泛应用于通信、医疗等领域，是电气元件之间的连接平台。电路板是如何生产的？又是如何连接复杂电路系统的？4.1探究PCB制备原理4.1.1任务1：认识电路板结构[教师提问]请同学们观察桌上的电路板，结合视频分析其结构组成？展示视频：一个视频让你弄懂PCB中常见的概念。[学生观察并阐述]电路板的基础结构包括基材、导电层、阻焊层等，表面布置有焊盘、孔、信号线及各类电气元件（图2）。[教师追问]多层电路板是如何实现多电路组合的？［学生观察总结]PCB由顶层、底层和内层铜箔堆叠而成，各层之间以绝缘材料分隔，多层通过埋孔、过孔、盲孔连接成导电网，支撑并连接电气元件（图3）。[教师追问]电路板不同层的功能是什么？实现这些功能的材料有哪些？[学生回答]顶层和底层负责导电，孔连接不同层，焊点用于连接电气元件与电路板。导电功能由铜、锡等金属材料完成，支撑功能由有机绝缘板完成。4.1.2任务2：探究铜电路形成原理[教师]大家说得对，电路板由基板、铜箔、绝缘层、焊接材料等组成，包含有机高分子材料、无机非金属材料、金属材料、复合材料等。请同学们观看视频总结铜电路形成原理。播放视频：（1）印刷电路板，真的是天才想法吗？（2）3D动画解密电路板的完整制造流程与制造工艺。图4酸性蚀刻法制备电路板工艺[6][学生观看并阐述]电路板的制作原理是通过蚀刻液去除不需要的铜，留下被膜覆盖的铜电路（图4）。[教师追问]依据刻蚀原理，蚀刻液应满足哪些要求？[学生回答]蚀刻液需与铜反应，但不能与基板及覆膜材料反应，产物应易于去除且不影响电路板性能。4.1.3任务3：寻找合适的蚀刻液[教师追问]请同学们回顾学过的除铜方法，哪些方法适合去除覆铜板上的铜？[学生总结回答]见表2。表2除铜方法总结[师生点评]综上，除铜需综合考虑氧化剂的选用，可从通性或特性设计铜的转化，实际生产中曾用FeCl3溶液蚀刻除铜。蚀刻液有传统、酸性、碱性等类型，历经变迁，大致分为如表3所示的几种[7]表3蚀刻液的主要类型上述蚀刻液各有优劣，盐酸-三氯化铁操作简便成本低，但污染严重且难再生；硫酸-过硫酸铵（或铬酸、双氧水）型因刻蚀慢与污染严重已被淘汰;盐酸-双氧等因素。4.2电路板制备及应用4.2.1任务4：简单电路板制备[教师]请各小组讨论，选择合适的试剂制备电路板并记录现象。器材：电脑、打印机、电熨斗、电钻、烧杯、覆铜板、FeCl3

、盐酸、过氧化氢、蓝/绿色环保蚀刻液（主要成分：过硫酸钠和硫酸铜）油纸等。[学生实验]步骤如下：（1）将电路图打印到油纸上；（2）进行热转印，先擦净覆铜板，覆上油纸后用电熨斗加热熨烫，然后撕去油纸。如果转印不完全，可用油笔填补；（3）按蚀刻剂说明进行蚀刻，取出覆铜板后用细砂纸擦去墨粉；（4）在已腐蚀的覆铜板上打孔并裁去多余板边。4.2.2任务5：组合音乐播放小套件[教师]电路板制作已完成，请通过组装音乐播放套件检测质量。器材：电阻、三极管9013、无源蜂鸣器、音乐ICBJ1552、3V纽扣电池、电烙铁等。[学生实验]组装元件，焊接，连电池，展示成果[教师]多组成功播放音乐，但部分小组未成功，请思考原因。[学生总结]见表4。表4音乐播放小套件播放失败的可能原因［教师总结]我们制作了电路板并组装了音乐播放套件。当今PCB的技术已经很成熟，可生产32层微型电路板，大家可以借鉴、探索，组装出属于自己的“小电器”。4.3处理蚀刻废液与展示回收后的产品4.3.1任务6：设计废液处理方案[教师提问]电路板制备会产生各种废物，如蚀刻铜板后的废液属于危险品，不能随意处置。请各小组结合使用的蚀刻液，思考废液的主要成分是什么？[学生回答]讨论并总结见表5。表5蚀刻废液的主要成分［教师提问]从环保与绿色经济角度来看，应除去Cu2+

、Fe2+

和Π†

并回收有价值产品。如何除去上述金属离子，可以从哪些视角思考？[学生回答]可以从价-类二维图的角度思考，铁元素和铜元素的价-类二维图见图5。要使Cu2+

和Fe2+

从溶液中分离，可将其转化为单质、氧化物、氢氧化物或盐，因而可采用电化学法、沉淀法、蒸发结晶等方法。图5铁元素和铜元素价-类二维图[教师]请各小组根据废液成分和价-类二维图设计废液处理方案，并交流讨论方案的优缺点。[小组设计]方案1：小组1用氯化铁蚀刻液，设计回收制备硫酸铜和氯化铁的方案，处理流程见图6[9]其他小组采用盐酸-双氧水型或蓝/绿环保蚀刻液，主要设计铜离子的处理方案，具体如下。方案2：电解法回收制备金属铜。方案3：加入铜粉或亚硫酸钠作为还原剂，回收制备氯化亚铜，处理流程见图7。图11CuC1与NaOH制备CuO[11]方案6：回收制备氢氧化铜，处理流程见图10。液沉应分南干燥氧[小组讨论]总结上述方案的优缺点，见表6。表6废液处理方案优缺点续表[师生总结]上述方案各有优缺点，可能存在操作难度、纯度或成本问题。废液处理需要分析成分，选择绿色方法去除高危成分，注重回收，同时考虑工艺成本。现今技术成熟已可回收纳米氧化铜。4.3.2任务7：处理废液[教师]资料卡片：表面活性剂助酸性蚀刻废液回收纳米氧化铜。表面活性剂是清洁剂、乳化剂和泡沫剂的核心成分，在纳米材料的制备中具有重要作用。它能够调控纳米粒子的形态、尺寸和分散性，通过降低表面张力，帮助纳米粒子在溶剂中均匀分散，防正聚集。在电路板废液处理中，表面活性剂可用于制备纳米氧化铜。原理如下：碱性环境下，Cu2+

先与OH-

反应形成CuO的前聚物Cu（0H）42-

，随着反应的进行，Cu（0H）42-

浓度升高，形成蓝色Cu（OH）2

沉淀。Cu（OH）2

沉淀是一种波纹片状结构，层与层之间靠氢键连接[10]温度升高会促使连接层面的氢键断裂，脱水速率加快，Cu（OH）2

转变为片状CuO（图11）。采用化学沉淀法制备cuO，反应初期，种晶成核速率快，易发生团聚，添加表面活性剂可改善制备的CuO样品的团聚现象[12]。不同表面活性剂可以通过修饰粒子表面、提供静电排斥和空间位阻等作用，显著提高CuO纳米颗粒的分散性，抑制团聚现象，进而改善纳米材料的性能。请思考表面活性剂为何能起到上述作用？[学生回答]表面活性剂通过改变废液表面/界面性质起作用，因其由亲水和疏水基团组成，加入液体后会自发聚集在表面或界面，降低表面或界面张力，进而提升其他物质的溶解性、分散性、湿润性等功能。[教师]说的很好。请结合上述原理，请各小组用方案1、方案5和方案6处理废液。试剂：氢氧化钠、十二烷基二甲基胺乙内酯、氧化钙、盐酸、硫酸等。器材：漏斗、滤纸、烘箱、酒精灯、蒸发血、电池、U形管、石墨电极等。[学生实验]处理废液并回收相关产物。4.3.3任务8：展示产品［小组展示]见图12。图12废液回收产品展示[教师]请查阅资料讨论所回收产品的价值和用途（见表7）。表7各产品说明[师生归纳]由此可见，不同产品价格不同，在不同领域都有独特用途，可以根据需求，回收不同产品，[回顾与总结]总结项目完成的过程，提出对PCB相关研究的展望。5项目教学效果与反思（1）通过本项目的教学学生不仅掌握了物理、化学和环保等相关知识和实验技能，还能应用于解决陌生情境中的问题，实现不同学科知识的结构化。（2）在蚀刻液选择和废液处理的合作实践中，形成了解决相关问题的认识思路，构建了“结构决定性质”“可持续发展”等化学观念，培养从多种视角解决问题和协作的能力。（3）在各环节的评价和产品展示中，认识到理论和实际生产的差异，学会从实际情况辩证认识不同化学产品的价值。值得反思之处：（1）在项目准备阶段，应让学生查阅相关资料，尤其要提前熟悉PCB结构、铜电路形成原理等相关知识。（2）在蚀刻液选择的任务中，要引导学生从化学理论和实际生产两个方面分析不同蚀刻液的