堿性蝕刻線產能倍增方法的研究和實施

劉 東 羅紅軍 朱 拓（深圳崇達多層線路板有限公司，廣東 深圳 518132）

堿性蝕刻線產能倍增方法的研究和實施

Paper Code: S-072

劉 東 羅紅軍 朱 拓
（深圳崇達多層線路板有限公司，廣東 深圳 518132）

隨著人工、物料等各方面成本的不斷攀升，如何降低印制電路板的制造成本升級成為各工廠的頭等大事。本文以堿性蝕刻線的產能提升為例，從原料、設備、參數、流程等方面的優(yōu)化出發(fā)，尋求提高產量，降低人工、水、電、房租等固定成本分攤的方法，經過實施優(yōu)化措施，使得堿性蝕刻線的產能提升一倍左右，綜合運作成本大幅下降。

產能；成本；堿性蝕刻

1 前言

根據國家發(fā)展規(guī)劃，工資每五年翻番，每年的工資漲幅會在10%～15%之間，從工資占銷售收入10%計算，當工資翻番后，會達到20%的水平，如果不進行改革和提升，對于一些只有幾個點的利潤的工廠來說，將會面臨虧損乃至破產的境地。進行產業(yè)升級，提高產品附加值，是一條比較可行的方案，但這需要大量的研發(fā)投入以及進行設備更新換代，需要花費大量的資金才能達成，這樣的事情并不是每個工廠都可以實現的。而通過提升工作效率降低制造成本則是一種低投入高產出的途徑，它可以相對輕松地解除人工上漲的負擔，從而是為印制電路板制造工廠創(chuàng)造效益。

2 原理

只要將堿性蝕刻線的運行速度提高一倍，就可以實現產能的倍增，原來開兩條生產線才能滿足產能需求的，現在只需開一條生產線即可，人員配置可以少一半、水電費用均可節(jié)約，從而整體運作成本可以大幅下降。但是，要實現這個目標，并非容易。堿性蝕刻線通常是水平線，它包含褪膜、堿性蝕刻、除鈀、褪錫等處理步驟，每個步驟的處理程度和強度必須足夠才能保證產品的品質，我們從以下幾個方面進行入手提升產能。

2.1 生產參數優(yōu)化

溫度、濃度與處理時間大概地成反比關系，提升溫度和濃度，可以縮短處理時間，從而提升產能。生產參數優(yōu)化，是最方便、成本最低的產能提升方法；

2.2 設備能力優(yōu)化

設備本身的耐高溫能力、噴射壓力大小、烘干能力大小，也決定了蝕刻線的產能，需對這幾個方面進行能力提升，才能配合好參數的優(yōu)化進行產能提升；

2.3 原料配置優(yōu)化

不同的原料的能力也各不相同，如褪膜液和除鈀液，不同供應商的藥水可以有一倍至數倍的差異，優(yōu)選出最佳的原料一點也不會比設備能力優(yōu)化對產能提升的貢獻小，這需要一個工廠有很好的原料行業(yè)調查和鑒別能力，這需要耗費較長時間的評估測試。

3 分析內容

表1 目前堿性蝕刻線的最大處理速度

3.1 現狀分析

要提升堿收蝕刻線的產能，就必須分析堿收蝕刻線的現狀，從而知道瓶頸在哪里，這樣才能夠有的放矢地進行分析和提升。依據缸體的有效長度和藥水最短處理時間，可以推算出各個缸體能跑的最大處理速度，從而推算出各段的月產能。此處以我公司的計算方法為例；不同工廠的計算不盡相同，在此不詳細列舉計算方法。具體如下表1所示。

從上面的現狀分析可以得出，褪膜、除鈀、褪錫均是蝕刻線的瓶頸段，需要進行大幅提升，蝕刻段也需要進行提升，才可以滿足產能倍增的目標。

3.2 褪膜段的優(yōu)化

3.2.1 優(yōu)化原料配方提升褪膜速度

干膜嵌于二銅的線路之間，褪膜的好壞，直接影響蝕刻品質，從而導致褪膜不凈或夾膜問題。褪膜藥劑有很多種類，總體可以分為有機堿和無機堿兩大類。

無機堿通常是燒堿，燒堿與干膜的反應過程如式（1）所示。

燒堿褪膜有成本低廉的優(yōu)點，缺點也很明顯，因為錫是兩性物質，可以被燒堿溶解，對于多次褪膜返工、或者是孔壁粗糙位錫鍍層比較薄，則很容易導致蝕刻時錫無法保護銅而導致孔無銅問題，在生產過程要嚴加管控。燒堿的褪膜過程是靠其對干膜的反應后溶漲從而導致其脫落的，所以其剝落下來的膜渣是成大片狀的，很易過濾；但對于小于80微米的細小線間距位置的干膜，溶漲后的干膜卻很容易卡在原來的位置，導致這些位置蝕刻不凈。如在燒堿褪膜液中加入可破碎干膜渣的醇類物質，經測試，卻會導致褪膜速度下降，說明這條路徑無法走通。

有機堿褪膜液的成份相對要復雜些，它由醇胺類化學物質構成，與干膜的反應過程如式（2）的方程式所示。

有機堿褪膜液的褪膜速度與燒堿接近，而它可以將膜渣粉碎成較細小的顆粒，對于精細間距位置的褪膜也很有效。褪膜藥水分解干膜后形成的膜渣大小，也會對最終品質造成影響，膜渣太大，易卡在兩條線路之間不出來，蝕刻時和沒有褪膜的效果是一樣的，都是短路；膜渣太小，則膜渣在溶液中漂浮，不易過濾出來，膜渣會和褪膜藥水繼續(xù)反應，成倍地消耗褪膜藥水，成本大幅上升，而且膜渣還會反粘在線路上，對蝕刻品質造成影響。通常情況下，膜渣寬度的大小控制與最小線間距有關，膜渣寬度控制在最小線間距的30%～80%為宜。并且，正片法生產時，還需考慮褪膜藥水對錫面的攻擊性，攻擊力大的藥水會導致錫面被腐蝕，從而導致孔無銅、銅面蝕穿等問題并且，有機堿褪膜液對錫的攻擊只有燒堿的幾份之一至幾十份之一，使用的可靠性高。

圖1 印制電路板圖形電鍍后各鍍層及線間距示意圖

對比燒堿和有機堿褪膜液在不同溫度下的褪膜速度變化，可以發(fā)燒堿在通使用溫度（45 ℃）時比有機堿的褪膜速度快約15%，但隨著溫度的不斷升高，燒堿的褪膜速度上升沒有有機堿快，當升至55 ℃時，有機堿褪膜液的褪膜速度已經比燒堿快5%了，二者的褪膜速度變化如圖2。

圖2 燒堿和有機堿褪膜液在不同溫度下的褪膜速度變化示意圖

另外，燒堿在提高溫度和濃度的情況下，對錫面的攻擊均會成倍地增加，所以采用燒堿提升褪膜速度的方案是不可行的。所以，我們對有機堿進行了深入的評估。

在實驗室中評估褪膜液的能力，成本會比較低，無需使產品冒著不可控的品質風險，并且速度快，調整也快，具體實施過程如下：

（1）實驗方法：測試不同配方的褪膜液在通常條件下的褪膜點

（2）實驗步驟：分別配置要求濃度的褪膜液→加熱至規(guī)定溫度→將準備好的測試板浸入褪膜液中→開啟磁力攪拌→當干膜徹底從板上脫落時，分別記下對應的反應時間

（3）實驗結果：如表2所示。

現用褪膜液為D，相比之下，褪膜液A可以提升18%的速度，并且褪膜后形成的膜渣大小適中，適宜過濾；高速的褪膜液，可以降低夾膜報廢的風險。故單從速度方面考慮，褪液A是最佳選擇。

褪膜液的性能除了考慮褪膜速度，還需考慮溶錫量的高低，溶錫量的高低直接決定了對錫面的攻擊力強弱，所以溶錫量越小越好，這樣即使多次褪膜返工也可以將孔無銅的風險降到最小。褪膜液的溶錫量測試如下所示：

（1）實驗方法：測試不同褪膜液在最佳條件下對錫面的攻擊能力

（2）實驗步驟：將測試板在132 ℃烘干10 min，稱重→分別配置要求濃度的褪膜液→加熱至規(guī)定溫度→浸入褪膜液中10 min→浸泡完后用DI水清洗，并在132 ℃烘干10 min，稱重

（3）實驗結果：不同配方的褪膜液的溶錫量大小如表3所示。

綜合考慮，褪膜液A是最佳的選擇，它可以兼顧褪膜速度和溶錫量。

表2 不同配方的褪膜液在通常條件下的褪膜點

表3 不同配方的褪膜液在通常條件下的褪膜點

3.2.2 優(yōu)化生產參數提升褪膜速度

生產參數的調整，和不同供應商的配方是密不可分的，所以，當我們鎖定優(yōu)選好的配方之后，再進行參數的最優(yōu)化，就可以獲得最大的產能提升幅度。以下從溫度和濃度兩個方面的因素進行研究如何提升褪膜速度。具體測試方法如下所示：

（1）實驗方法：測試褪膜液在不同溫度和濃度下的褪膜點

（2）實驗步驟：分別配置要求濃度的褪膜液→加熱至規(guī)定溫度→將準備好的測試板浸入褪膜液中→開啟磁力攪拌→當干膜徹底從板上脫落時，分別記下對應的反應時間

（3）實驗結果如圖3所示。

圖3 不同溫度和濃度下的褪膜時間

從測試結果中可以看出，8%的濃度、50 ℃時，褪膜時間為41 s，而20%的濃度、60 ℃時，褪膜時間為21 s，速度提升了近一倍。當然，濃度提升了一倍，物料的帶出量也跟著倍增，消耗量也會相應增加一倍，這需要考慮綜合成本的最低化。但從另一個角度看，單從參數入手，仍是有大量的空間可以優(yōu)化的。

3.2.3 優(yōu)化設備能力提升褪膜速度

溫度的提升如超過設備的工作極限，可能會對設備造成致命的傷害。如行轆、管道采用PP材料時，其工作極限通常就是60 ℃，在此溫度下，會發(fā)生變形，需要對設備進行改造設計，升級相關備件的材料，以提升其耐溫性。這樣就可以突破溫度的限制，在60 ℃以上的工作溫度運行。

噴射壓力的大小與褪膜能力成正向關系，大的壓力，可以沖脫附著在線路間的干膜，利于褪膜的進行。所以，高壓噴射褪膜與浸泡方式褪膜相比，可以大幅提高褪膜速度。這種優(yōu)化設計，在評估階段很難把握采用多大的壓力參數，因為一方面它無法采用模擬的方式模擬出噴射壓力的大小與褪膜能力之關的關系；另一方面，也無法用方程式的方式計算出?？尚械姆绞绞歉鶕嶒灥慕Y果拿到所需的壓力參數，而借用其他工廠的成功經驗也是一方面考慮。為此，我們設計了一個小型的垂直噴射槽，模擬在生產線中的工作狀態(tài)，測試在不同壓力下的褪膜時間變化，具體如圖4所示。

圖4 不同噴射壓力下的褪膜時間

從測試結果看，褪膜壓力與褪膜時間之間為近似線性關系，但隨著壓力加大，褪膜時間稍呈減速的趨勢。結合改造成本與運作成本，可以選擇出褪膜壓力的理想參數區(qū)域。

綜上所述，為實現褪膜速度倍增的目標，可以采用以下的組合手段：

（1）優(yōu)選褪膜液，提升18%的速度

（2）優(yōu)化生產參數，提升50%～60%的速度

（3）優(yōu)化噴射系統，提升30%～40%的速度

（4）總提升為：1×118%×150%×130%=2.3 倍

3.3 除鈀段的優(yōu)化

（1）優(yōu)化原料配方來提升除鈀速度

除鈀過程，實際是對沉銅時沉積在無銅孔內的剩余鈀的活性進行中毒處理，使得化鎳金時這些無銅孔位置不會沉積上鎳/金層。鈀的活性，其實在自于一個個鈀團的中心處的鈀的活性，鈀團的大小決定了除鈀（鈀中毒）的困難程度，要去除鈀的活性，兩個層面的問題需要考慮：一方面是“矛”的強度，即除鈀藥水的毒性強度和滲透力，決定了最終結果；另一方面是“盾”的強度，即鈀團的大小，大的鈀團，鈀團中心處的鈀原子不易被除鈀藥水中毒，部份活性被保留了下來，從而仍有催化鎳反應的功能而導致無銅孔上鎳金。鈀團的結構如圖5所示。

圖5 鈀團的結構示意圖

除鈀效果的評估，則不像褪膜那樣直接和直觀，除鈀效果并不能經稱量出來或者從外觀判斷而得；并且除鈀還只是一個中間過程工序，最終走到化鎳金流程前，還有好幾個工序要完成才可，用生產板進行不同配方的評估，也是十分冒險的行動，一不謹慎就會導致大量的返工或報廢。比較可行的方法，是用測試模塊來模擬，在測試模塊上制造出大量孔壁比較粗糙的孔，沉銅后蝕掉這些銅模擬成無銅孔，用不同配方的除鈀藥水、以及不同的除鈀時間進行，分別觀測每組測試模塊的化鎳金后的無銅孔上金情況來判斷除鈀藥水的除鈀能力。這種評估方法，與上述的褪膜液的評估相似，在此不再敘述了。經測試，只用硫脲的配方除鈀時間為50 s；配方C除鈀液需除鈀時間30 s；配方H除鈀液只需除鈀時間20 s，從而得出優(yōu)選的配方。故，我們優(yōu)選了配方H的除鈀液，相比配方C，產能提升33%

鈀團的大小的評估，其實每個PCB工廠在引入沉銅藥水時就需考慮的課題之一，多數工廠會根據最終生產板在化鎳金后無銅孔上金的問題大小來考量沉銅藥水的性能。這個評估過程，通常更趨向于綜合考量沉銅藥水的整體性能表現，而不會側重在無銅孔上金的問題上。另外，隨著藥水的使用，鈀團之間也會聚集從而形成復合鈀團，使得除鈀變得困難，所以沉銅鈀液的穩(wěn)定性，是藥水性能的一個重要指標。配方R鈀液的最短除鈀時間為20秒，而配方A鈀液的最短除鈀時間5秒鐘就足夠，這種差異是十分大的。而同樣配方R的鈀液，新缸時所需的除鈀時間也比即將換缸時要短30%。

（2）優(yōu)化生產參數提升除鈀速度

除鈀液由相對穩(wěn)定的物質構成，這些物質并不會在較高溫度下分解，所以，提升工作溫度是相對經濟可行的方案，故將工作溫度提升了10 ℃～ 15 ℃；另外，將除鈀液的開缸濃度也提高了20%。在這種條件下，經測試，除鈀速度最少可以滿足提升45%（即1.45倍）的需求。

（3）優(yōu)化設備能力提升除鈀速度

除鈀提速，光靠上面兩個方案是不能滿足需求的。正好，在除鈀段前，有一個長度約1米的酸洗段（蝕刻后，經過水洗，再到這個酸洗缸）， 可以延長除鈀時間1.8倍，將它改造成除鈀缸、與現有的除鈀缸整合成一個整體，所有的問題就全部迎刃而解了，而且還可以修正前面的生產參數優(yōu)化的結果，以達到綜合成本最優(yōu)的水平。

（4）綜上所述，為實現除鈀速度倍增的目標，可以采用以下的組合手段

①優(yōu)選褪膜液，提升33%的速度

②優(yōu)化生產參數，提升30%的速度

③優(yōu)化設備能力，提升80%的速度

④總提升為：1×133%×130%×180%＝3.1 （倍）

3.4 蝕刻段的優(yōu)化

蝕刻缸中的主要成份有NH3H2O、NH4Cl、Cu(NH3)4Cl2，蝕刻過程和再生過程均在不斷地發(fā)生，其中蝕刻的反應方程式如下所示：

再生過程的反應方程式如下所示：

根據反應原理可知，影響蝕刻速度的因素有以下：

（1）銅離子濃度（通過比重控制）：銅離子濃度低（即比重小時），則蝕刻速度快，但對線路的側蝕也加大；反之，則慢，對側蝕也變小。最佳值控制在90 g/L ～ 125 g/L之間。

（2）氯化銨濃度（通過氯離子控制）：高氯離子含量時，蝕刻速度變快，但超過一定的量，會有錫面被侵蝕的風險；低于140 g/L時，蝕刻速度會很慢。故氯離子?？刂圃?60 g/L ～ 175 g/L之間。

（3）氨水的濃度（通過pH值控制）：pH值高，則蝕刻速度變快；pH值低，則蝕刻速度變慢。pH值8.9時與8.3時相比，蝕刻速度相差達一倍。太高的pH值，一方面需控制蝕刻液中氨水的濃度在很高的水平，則氨水揮發(fā)大大加快，運行成本變高；另一方面，過高的pH值會導致線路的側蝕量變大，不利于精細線路的制作，所以pH值?？刂圃?.3～9.0之間，可以兼顧速度和品質兩方面的要求。

（4）溫度：通?？刂圃?5 ℃ ～ 50 ℃，當溫度升至60 ℃時，蝕刻速度會升高50%以上，且因蝕刻時間變短，故側蝕量也會變小，但氨水的揮發(fā)也增加，需補充大量的氨水才能保持藥水成份的穩(wěn)定，運行成本明顯升高。

（5）噴淋壓力：高的噴淋壓力，代表著蝕刻溶液在印制電路板上進行物質交換的速度也在加快，故蝕刻速度也在變快，而且?guī)淼暮锰幨莻任g量也變小，利于精細線路的制作。真空蝕刻和垂直蝕刻技術的出現及應用就是基于這樣的背景。

事實上，不僅僅是噴淋壓力，保養(yǎng)質量、保養(yǎng)頻率、噴嘴設計、噴淋高度、噴淋角度，均會對蝕刻品質和速度造成很大的影響，需要進行綜合優(yōu)化，才能得到最佳的結果。

我公司的堿性蝕刻線原是一條厚銅板的生產線，蝕刻段的產能相對較大，蝕刻段的產能離整體產能倍增的目標只有5%的差距，相對較容易實現。我們采用的組合方式如下：

（1）提高蝕刻設定溫度2 ℃；

（2）將噴淋壓力調整至設備能力上限值；

（3）pH值控制收窄至偏上限，在8.6～9.0之間。

3.5 褪錫段的優(yōu)化

因為褪錫段在蝕刻線的尾端，可以很方便地進行改造，直接增加一個褪錫段，將烘干段也一并改造并整體向后延長，從而就可以滿足整體的產能倍增需求了。

4 實際運行效果

經過這一系列的調整，我公司的堿性蝕刻線單線產能得到倍增，原來需要開兩條生產線、兩套作業(yè)人員，現在只需開一條生產線、一套作業(yè)人員即可，生產線的單線產能修正如表4所示。

表4 提升后堿性蝕刻線的最大處理速度

總體而言，整改后的堿性蝕刻線的效果如下：

（1）生產線的能力和品質表現：經過整改，能力反而提高，如褪膜能力、除鈀能力，均按超過100%的能力提升，夾膜、褪膜不凈等品質問題風險反而變?。?/p>

（2）成本節(jié)約：每年可獲得收益57萬元。

①一條蝕刻線每班需3個作業(yè)人員，兩班則6個人，每年可以節(jié)約人工費用32萬元；②原來開兩條生產線，則均處理半飽和狀態(tài)，現在只需單線作業(yè)，產能正好處于飽和，可以節(jié)約水電費用25萬/年；③物料費用節(jié)約：原來開兩條生產線，則均處理半飽和狀態(tài)，蝕刻機的物料消耗會比單線飽和運作要大，各藥水缸的開缸成本也要多。為計算簡便起見，忽略這部份費用節(jié)約；④品質提升的收益未計；⑤生產線的改造需要一些資金投入，但相比上述的收益，經濟效益是相當可觀的。

[1] 王躍峰. 堿性蝕刻液影響PCB蝕刻速率的因素研究[J]. 印制電路信息,2013,02.

[2] 廖軍. 堿性蝕刻的過程控制[J]. 印制電路信息, 2005,06.

[3] 莫凌. 堿性蝕刻液影響因素的研究[J]. 印制電路信息, 2009,01.

[4] 劉東. 基于邏輯運算與能力評價的電鍍FA工藝研究[J]. 印制電路信息,2013,S1.

劉東，國家高級工程師，中國印制電路行業(yè)高級工程師，現任深圳崇達多層線路板有限公司技術中心副主任兼技術總監(jiān)，從事16年線路板工藝技術和研發(fā)工作，在國內、外最著名印制線路板企業(yè)從事技術和研發(fā)工作十多年，有豐富的線路板研發(fā)和技術管理經驗。

Study on the method of double capacity of alkaline etching line

LIU Dong LUO Hong-jun ZHU Tuo

It's the top important thing of how to reduce the manufacturing cost of the PCB as the labor and material cost are increasing. In this article, we take capacity increasing of the alkaline etching line as the sample, which seeking some way to reduce the fixed costs from multi-angle such as raw material optimizing, equipment optimizing, parameter optimizing, process optimizing. The fixed costs include in labor cost, water consuming, e-power consuming, rent, and so on. By these ways, we increase the output of the alkaline etching line two times; as a result, the running cost decrease greatly.

Capacity; Cost; Alkaline Etching

TN41

A

1009-0096（2014）04-0231-06