節(jié)約資源、降低成本，新型電鍍設(shè)備勝出的優(yōu)勢

朱愛明 劉建波 江澤軍 李陽照

（昆山東威電鍍設(shè)備技術(shù)有限公司，江蘇 昆山 215300）

1 節(jié)省銅材的意義

1.1 我國不是富銅國

銅是一種存在于地殼和海洋中的金屬。銅在地殼中的含量約為0.01%，根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局公布的2015年數(shù)據(jù)顯示，全球銅礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量約為70 000萬噸（金屬噸）。

世界銅礦資源主要集中在智利（近30%）、澳大利亞（13%多）、秘魯（近10%）等國家，我國不是富銅國，約占有世界總量4.3%，位居全球第六位。我國確實(shí)缺銅，現(xiàn)在消耗的銅大部分依靠國外進(jìn)口，而銅的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界平均水平。

1.2 銅礦的開采、精煉和磷銅球的制作

現(xiàn)在印制電路板（PCB）行業(yè)的電鍍銅，陽極主要分為可溶性（磷銅球等）和不溶性（鉑金鈦網(wǎng)等）兩種，但無論哪種形式的電鍍，都離不開高品質(zhì)的銅。為使我司研發(fā)人員能深刻了解到所研發(fā)的新型電鍍設(shè)備對社會(huì)的重大意義，2018年公司分別組織相關(guān)人員參觀安徽省一家銅礦開采選礦廠、一家銅精礦冶煉廠和一家磷銅球生產(chǎn)制造工廠，切身了解到從銅礦分揀、礦石冶煉提純、電解銅加工、磷銅球精加工等各道主要工序，深刻體會(huì)到磷銅球的來之不易。

銅礦的開采：銅礦是指可以利用的含銅的自然礦物集合體的總稱，銅礦石一般是銅的硫化物或氧化物與其它礦物組成的組合體。我國銅礦中銅的含量大多在0.2%～0.7%之間，若銅含量大于0.3%就具有一定的開采利用價(jià)值。

銅礦的分揀：開采得到的銅礦石要經(jīng)過多道粉碎工序，如分別采用顎式粉碎機(jī)、圓錐粉碎機(jī)、球磨機(jī)等。經(jīng)過反復(fù)篩選分揀，將礦石直徑粉碎到0.3～0.5 mm以內(nèi)，以便后續(xù)能將金屬從石料中提取分離出來。之后，經(jīng)過多道分級(jí)溢流水洗，利用金屬顆粒與石料的比重不同，分級(jí)沉淀洗滌礦石粉。經(jīng)過前面多道洗滌留下的礦石粉，最后再經(jīng)過真空脫水和干燥處理。當(dāng)?shù)V石粉料中銅含量達(dá)7.0%以上時(shí)，就可以售賣給冶煉廠提煉制取粗銅。

銅精礦冶煉：經(jīng)過選礦成為含銅品位較高的銅精礦或者說是銅礦砂，再經(jīng)過冶煉提成才能成為精銅及銅制品。因銅的熔點(diǎn)為1083 ℃，故銅精礦冶煉的溫度要在1150 ℃～1250 ℃之間，才能制得銅含量在99%左右的粗銅。粗銅再經(jīng)過火法精煉或電解精煉而成為精銅（含銅品位99.9%以上）。目前，使用的精煉方法有兩類：（1）粗銅火法精煉，直接生產(chǎn)含銅99.5%以上的精銅。該法僅適用于金、銀和雜質(zhì)含量較低的粗銅，所產(chǎn)精銅僅能使用于對純度要求不高的場合；（2）電解精煉：粗銅先經(jīng)過火法精煉除去部分雜質(zhì)，鑄成陽極，再進(jìn)行電解精煉，產(chǎn)出含銅 99.95%以上的精銅。

電解銅加工：銅電解精煉通常包括陽極加工、始極片制作、電解、凈液及陽極淤泥處理等工序。精銅再經(jīng)過電解處理，在陰極即可獲得銅含量高達(dá)99.99%以上的電解銅。

磷銅球的制造：一般磷銅球的生產(chǎn)工藝包括熔煉、連鑄、軋球、拋光、清洗風(fēng)干和包裝等工序。首先將電解銅板放入電爐，在高于銅熔點(diǎn)的溫度下將銅熔化，再加入適量的三氯化磷，充分?jǐn)嚢枞劢饣旌暇鶆?，冷卻凝固結(jié)晶后先制作成一定直徑的磷銅棒，再盤成卷狀，沖斷、研磨成磷銅球。

綜上可見，要最終制作成磷銅球或磷銅材，除了要耗費(fèi)大量的礦產(chǎn)資源和人力成本外，還要耗費(fèi)大量的能源，同時(shí)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)還不可避免造成一定的粉塵、噪聲、空氣和水污染等環(huán)境污染。有大量的礦物廢渣、石塊被廢棄，嚴(yán)重污染環(huán)境；排放大量的廢水、廢氣、廢渣等等。介于此，在電鍍生產(chǎn)中使用節(jié)約金屬資源的優(yōu)質(zhì)設(shè)備意義是多么重大呀！

2 新型VCP（連續(xù)垂直電鍍）鍍銅線的優(yōu)勢

在電鍍行業(yè)中，傳統(tǒng)的手動(dòng)式或龍門式電鍍銅生產(chǎn)線對銅球的耗用量是相當(dāng)驚人的，PCB的電鍍銅也概莫能外。自PCB誕生起，電鍍銅的設(shè)備借用了五金電鍍用的“龍門式”電鍍線，雖然經(jīng)過不斷的改良: 比如提高極化能力，增加陰陽極檔板，使用兩臺(tái)整流器分別控制線路板兩面的電流等，但總還是存在鍍層厚度的不均勻性較大這一明顯缺點(diǎn)，使得許多寶貴的銅資源被白白浪費(fèi)掉了。而且鍍層厚度不均勻就不能滿足PCB的高密度、高精度、細(xì)導(dǎo)線、窄間距及微孔化、阻抗、容抗等的需要。電鍍銅作為實(shí)現(xiàn)孔金屬化互聯(lián)關(guān)鍵功能性的制程，也已經(jīng)歷多次工藝變革，由此誕生了諸多不同種類的電鍍設(shè)備以順應(yīng)其發(fā)展之需。但是工藝再先進(jìn)，最終都必須通過性能優(yōu)異的電鍍設(shè)備和電鍍藥水來實(shí)現(xiàn)其不同的產(chǎn)品品質(zhì)之需。

2.1 新型VCP鍍銅線的鍍層均勻性

現(xiàn)在我公司所研發(fā)生產(chǎn)的垂直連續(xù)電鍍（VCP）線進(jìn)行了改進(jìn)與提高，通過設(shè)備陰陽極面積和距離、適當(dāng)?shù)母叨?、陰陽極遮板、陰極浮板的合理形式和適當(dāng)高度,以及銅槽藥液噴流循環(huán)方式和陰極導(dǎo)電方式等的有機(jī)組合,來實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品品質(zhì)最佳化的目的，再配上合適的藥水，獲得鍍層厚度均勻性極佳，使得鍍同樣厚度的銅能達(dá)到節(jié)約銅的效果。由于鍍銅的均勻性好，使得蝕刻的失真或局部過蝕刻異常有了極大的改善，對制造有阻抗要求的PCB產(chǎn)品也減少了阻抗值誤差。

我們對新型VCP鍍銅線進(jìn)行電鍍均勻性試驗(yàn)，試樣為尺寸500 mm×600 mm覆銅板，銅箔厚為18 μm，共5片。在新型VCP線鍍銅，目標(biāo)電鍍層厚度25 μm，設(shè)定生產(chǎn)條件3.2 A/dm2、38 min。鍍完后每塊板正反兩面各測固定位置的50個(gè)點(diǎn)（量測點(diǎn)距板邊10 mm之內(nèi)均布），獲得量測銅厚數(shù)據(jù)。

每一片基板鍍完銅后厚度量測數(shù)據(jù)從略，匯總分析5片板的厚度數(shù)據(jù)，差異值見表1（銅厚數(shù)據(jù)包括基材上18 μm的底銅）。

由表1數(shù)據(jù)可見，5片板500個(gè)數(shù)據(jù)，無論是每片板兩面的極差還是5片板總的極差，均小于5 μm；且A面平均值和B面平均值僅相差0.35 μm。這些數(shù)據(jù)充分說明：VCP線所電鍍生產(chǎn)的板銅厚極差小、均鍍能力極佳!

2.2 新型撓性板卷對卷鍍銅線

我司最新研發(fā)的撓性板卷對卷鍍銅線，由于采用陰極特殊的夾膜和垂直穩(wěn)定移動(dòng)方式，鍍層均勻性更加理想可靠。如基材銅箔厚度是12 μm，要求鍍銅厚度12 μm。生產(chǎn)條件：電流密度4.0 A/dm2，傳動(dòng)速度1.5 m/min，電鍍時(shí)間16 min。正反兩面分別量測兩組各34個(gè)點(diǎn)銅厚數(shù)據(jù)，每組銅厚度量測數(shù)據(jù)從略，四組數(shù)據(jù)匯總見表2。

從上表分析的數(shù)據(jù)可見，撓性板卷對卷電鍍線的鍍銅均勻性又遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于VCP線。

3 VCP線與傳統(tǒng)龍門式電鍍線在鍍層均勻性及經(jīng)濟(jì)性比較

3.1 在鍍銅方面經(jīng)濟(jì)社會(huì)性的比較

傳統(tǒng)龍門式電鍍線的鍍層極差單面一般就是10～12 μm，而VCP電鍍線鍍層總極差一般是5 μm以內(nèi)。假設(shè)兩種線的極差就是6 μm，則板子雙面的極差值就達(dá)到12 μm了。

若以單面少鍍6 μm厚的銅計(jì)，1 m2可節(jié)省的用銅量理論值就是：

100×100÷0.9×（0.0006×2）×8.9=118.7g （其中0.9是材料利用率、邊框等）

月產(chǎn)1萬平方米就能節(jié)約用銅1187000g（1.187噸），一年就可節(jié)省銅（1.187×12）=14.244噸。

若按照銅礦石含銅量為0.3%計(jì)，則每年至少可以少開采礦石14.244/0.3%=4748噸。

表1 VCP鍍銅線銅厚度數(shù)據(jù)分析（單位μm）

表2 卷對卷鍍銅線銅厚度量測數(shù)據(jù)分析（單位：μm）

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國年產(chǎn)印制電路板共約2億平方米，假設(shè)雙面、多層板均是1億平方米，如果用VCP線鍍銅每平方米就可節(jié)約100 g銅，則一年可節(jié)約用銅10 000噸，其經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益不可估量！

3.2 貴金屬鎳、金的VCP線優(yōu)勢

我司的VCP線不僅在鍍銅方面被大量應(yīng)用，已經(jīng)獲得可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，在VCP鍍鎳金線上節(jié)省貴金屬鎳、金的效果也很明顯。今后若在PCB業(yè)界推廣使用，所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值將更高。

我國印制電路板的年產(chǎn)2億平方米中約有45%～50%的產(chǎn)品后處理為板面鍍金（包括化學(xué)鍍、電鍍金、金手指鍍金等），一年消耗金鹽量就約為63～100噸。

分別以目前PCB業(yè)界常用的電鎳金線和我司新開發(fā)的VCP電鍍鎳金線，生產(chǎn)同樣的電鍍鎳金產(chǎn)品做比較，收集數(shù)據(jù)見表3（客戶要求鍍金層厚度0.787 μm～0.965 μm）。

對用戶而言，既能少鍍（0.933364—0.839894）=0.0935 μm的金，又能達(dá)到客戶的要求，其所節(jié)約的成本是極為可觀的。

1 m2可節(jié)省的用金量就是：

100×100÷0.9×（0.0935/10000×2）×19.32=4.01427 g（其中0.9是材料利用率等）

假若每月鍍金面積1萬平方米就能節(jié)約用金40142.7 g（40.1427 kg），一年就可省金（40.1427×12）=481.7124 kg。

4 結(jié)論

以上所述新型基于陰極垂直穩(wěn)定移動(dòng)技術(shù)的VCP線，以及基于陰極特殊的夾膜和垂直穩(wěn)定移動(dòng)技術(shù)的撓性板卷對卷電鍍線，節(jié)約銅、節(jié)約貴重金屬的效果相當(dāng)明顯，對節(jié)能的貢獻(xiàn)很大。我們PCB行業(yè)有許多線路板產(chǎn)品是外銷的，當(dāng)然這一方面是各企業(yè)努力的結(jié)果，占領(lǐng)了國際市場；但從另一個(gè)角度來解讀，就是國外企業(yè)在使用我國有限寶貴的金屬資源。不要說我國不是富銅資源國家，即使是富銅國，也應(yīng)該合理的節(jié)約使用才對。

表3 兩種鍍金線金厚數(shù)據(jù)（單位： μm）

用經(jīng)濟(jì)合理的耗材，獲得符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，這是新型VCP線和卷對卷線的最大優(yōu)勢。對用戶而言，是降低了材料成本，對社會(huì)的貢獻(xiàn)是節(jié)約了大量寶貴的很難以再生的資源。大自然饋贈(zèng)給我們的資源是用一點(diǎn)就少一點(diǎn)，若要再生長出來，不知又要經(jīng)過多少個(gè)世紀(jì)滄海桑田的演變呢！