卷式垂直連續(xù)電鍍銅線優(yōu)化設(shè)計分析

李建中 吳志鵬 張 振

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

撓性印制電路板的生產(chǎn)有兩種方式：批量不大時用片狀生產(chǎn)，類似于剛性板的生產(chǎn)方式；如果是大批量生產(chǎn)，用卷對卷生產(chǎn)（RtR），包括電鍍、圖形轉(zhuǎn)移、蝕刻等。為了適合鍍銅層厚度更薄，鍍銅均勻性更高，基材漲縮更小的高標準鍍層質(zhì)量要求，卷式垂直連續(xù)電鍍銅線采用獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足高標準鍍層質(zhì)量生成要求。

1 卷式垂直連續(xù)電鍍銅線整體布局設(shè)計

1.1 卷式垂直連續(xù)電鍍銅線流程

生產(chǎn)線工藝流程如下：

卷式放板機→預(yù)純水洗→清潔（浸泡式）→熱水洗（浸泡式）→水洗1→水洗2→微蝕（浸泡式）→水洗3→水洗4→酸洗（浸泡式）→鍍銅前回流→鍍銅×12米→鍍銅后回流→水洗5→水洗6 →抗氧化→水洗7→水洗8→放流水洗→吹烘干→卷式收板機。

1.2 對影響鍍層質(zhì)量因素考慮

卷式垂直連續(xù)電鍍銅線從整體規(guī)劃入手，對影響鍍層質(zhì)量各個因素進行優(yōu)化設(shè)計，針對不同的影響因素采用針對性的結(jié)構(gòu)設(shè)計，盡可能的消除不利影響，以提高鍍層質(zhì)量。考慮影響鍍層質(zhì)量因素有下列幾點。

1.2.1 溫度

溫度高低對鍍銅液性能影響顯著，溫度提高可以增大鍍銅液的電流密度，加快電極反應(yīng)速度，但過高的溫度會加速整平劑、光澤劑等添加劑分解與消耗，同時使鍍層粗糙光亮度差，溫度過低則降低電鍍效率。綜合考慮各個因素電鍍銅合適溫度為10 ℃～35 ℃。

1.2.2 電流密度

在電鍍液成分、電鍍溫度、空氣攪拌、鍍槽結(jié)構(gòu)一定時，鍍液的電流密度允許范圍隨之確定。電流密度與鍍層沉積速度呈正相關(guān)。電流密度決定電鍍效率、鍍層質(zhì)量，而電流密度與鍍液種類、鍍液濃度分布、鍍液溫度分布、鍍液噴灑、鍍液循環(huán)等多方面因素有關(guān)。

1.2.3 攪拌與過濾

攪拌主要是使鍍槽內(nèi)各個部分藥液均勻一致，消除濃度極差，進而保證盡量大電流密度以提高電鍍效率。過濾能起到濾去鍍液中顆粒狀雜質(zhì)，同時進行攪拌作用。

1.2.4 陽極（不溶性陽極）

陽極鈦網(wǎng)與陰極導(dǎo)電板通過鍍液形成導(dǎo)電回路。由于電力線在板上下邊緣區(qū)域較中間區(qū)域密集，以致鍍銅厚度分布也出現(xiàn)較大差異，會對鍍層均勻性產(chǎn)生很大顯著影響。陰陽極面積、距離對電力線分布有決定性作用，決定電力線的分布形狀。

2 卷式垂直連續(xù)電鍍線鍍銅結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合考慮影響鍍層質(zhì)量的各個原因分析后，卷式垂直連續(xù)電鍍線通過各個方面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以提高鍍層質(zhì)量。

2.1 傳動設(shè)計優(yōu)化

卷式垂直連續(xù)電鍍銅傳動前期采用鏈條設(shè)計。采用鏈條傳動時，鏈條在長時間運行過程中因為拉力的作用，使鏈條變長。由于每節(jié)鏈節(jié)受到的拉力不同，鏈條每節(jié)節(jié)距的不相同，造成鏈條上各處的瞬時速度不一致相同，使一同運動的電路板在不同時間的運行速度不同，最終造成電路板板面電鍍后電路板上下邊緣產(chǎn)生褶皺形成荷葉邊。鋼帶傳動是鋼帶一體成型，各個位置拉力引起的變形基本接近，傳動帶各處的瞬時速度均相同，使電路電鍍沒有傳動速度問題，上下邊緣無荷葉邊產(chǎn)生。

2.2 溫度控制優(yōu)化設(shè)計

如圖1所示對鍍槽鍍銅液溫度采用一臺板式熱交換器（冷卻），加一臺板式熱交換器（加熱）雙向控制。冷卻循環(huán)泵通過抽奇數(shù)編號槽內(nèi)藥液，然后經(jīng)過過濾機過濾打回偶數(shù)編號槽；同時加熱循環(huán)泵通過抽偶數(shù)編號槽內(nèi)藥液，然后經(jīng)過過濾機過濾打回奇數(shù)編號槽，讓整體銅槽藥液處于整個大循環(huán)中，保證各個槽內(nèi)溫度一致，消除溫度極差。各個銅槽循環(huán)泵通過回吸鍍銅槽電鍍槽藥液，經(jīng)過過濾機過濾后打回自身銅槽儲存槽，保證各個鍍銅槽電鍍槽和在儲存槽形成槽體內(nèi)部小循環(huán)，保證各個槽體內(nèi)部各部分藥液溫度一致，消除各個鍍銅槽內(nèi)部溫度極差。鍍液內(nèi)使用PT100監(jiān)測鍍銅槽鍍液溫度，保證鍍銅液溫度在23 ℃±2 ℃，溫度過高或過低通過PLC（可編程邏輯控制器）控制自動調(diào)節(jié)兩臺板式熱交換器配套泵流量，保證鍍銅槽鍍液溫度在要求范圍內(nèi)。

2.3 電流密度控制優(yōu)化設(shè)計

圖1 鍍銅液溫度控制結(jié)構(gòu)

當設(shè)備生產(chǎn)時鍍液和設(shè)備條件一定，電流密度可通過整流機調(diào)整電流，以保證鍍銅槽陰陽極電流穩(wěn)定，進而保證鍍液中電流密度穩(wěn)定。電流波動可以通過整流機顯示器觀測與調(diào)整。如圖2所示，每個鍍銅槽通過4臺整流器分A/B面，分段控制電流，每段電流與A/B面電流均可根據(jù)需要設(shè)定電流大小。即可在待鍍板入槽時設(shè)點保護電流段，又可以保證各個段電流均勻性，可以為電鍍均勻性提供保證。通過整流器控制屏適時管控鍍銅的電流，保證鍍銅的電流密度在要求誤差范圍內(nèi)（如圖2）。

2.4 鍍液濃度控制優(yōu)化設(shè)計

如圖3所示，為保證鍍銅槽內(nèi)各個部分溶液濃度一致，消除濃度極差，鍍銅槽采用三層循環(huán)對流結(jié)構(gòu)：第一層溶銅槽供液泵抽各個銅槽藥液，然后通過溶銅5級過濾和溢流方式回流到各個銅槽，形成銅槽與溶銅槽之間的大循環(huán)回流；第二層銅槽噴灑泵抽取銅槽儲存槽藥液，通過噴灑泵到A面、B面。經(jīng)過噴嘴噴灑到待鍍板兩面進入電鍍槽。同時各個銅槽循環(huán)泵通過回吸鍍銅槽電鍍槽溶液，經(jīng)過過濾機過濾后打回自身銅槽儲存槽，保證各個鍍銅槽電鍍槽和在儲存槽形成槽體內(nèi)部循環(huán)。噴灑回路+循環(huán)泵回路形成槽內(nèi)次一級循環(huán)。

如圖4銅槽內(nèi)噴灑使用文丘里噴嘴，工作時液體在泵壓力作用下進入混流噴嘴并達到高速運動，通過流體動量交換，在引導(dǎo)口周圍形成低壓區(qū)域，由于區(qū)域的壓力差以及液動量作用于被吸引液體，使之高速工作射流和被吸引流體共同以1:4流體輸量進入混合擴散段噴射出來，達到溶液無空氣混合攪拌。使待鍍板面藥液得到及時交換，保持待鍍板面與電鍍槽內(nèi)其他部分藥液濃度一致，形成電鍍槽藥液與待鍍板面離子消耗區(qū)形成局部循環(huán)。避免待鍍板離子濃度過低影響電鍍效率，甚至燒板。

圖2 整流器控制鍍銅電流結(jié)構(gòu)

圖3 鍍銅溶液循環(huán)

圖4 文丘里噴嘴

銅槽濃度使用銅離子在線分析儀，實時監(jiān)測電鍍槽內(nèi)銅離子濃度與硫酸溶液濃度，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果控制鍍銅槽定量，添加泵浦添加硫酸，控制溶銅槽銅粉定量，添加系統(tǒng)添加銅粉。保證電鍍槽銅離子濃度與硫酸溶液濃度保持在控制范圍內(nèi)。

2.5 陽極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

如圖5和圖6所示陽極鈦網(wǎng)均勻分布在待鍍板（陰極兩側(cè)）陰陽極間直線距離為90 mm，陰陽極上下高度方向尺寸一致（鈦網(wǎng)上端面與待鍍板上端面對齊，鈦網(wǎng)下端面與待鍍板端面下端對齊）。走板方向以3 m鍍銅槽為例單側(cè)采用8片陽極鈦網(wǎng)，鈦網(wǎng)寬度345 mm，陰陽極面積比=345 mm×8×2/3000 mm=1.84，大于鍍銅要求1.1，保證了鍍銅液中Cu2+濃度和溫度。同時電鍍夾50 mm間距均勻分布，在待鍍板上側(cè)夾持，待鍍板通過鋼帶均勻傳送，同時電鍍夾通過不銹鋼夾點給待鍍板導(dǎo)電。小間距大密度電鍍夾分布既保證導(dǎo)電均勻一致，又對待鍍板施加較小的外力，保證鍍液中電力線盡可能的均勻一致，同時又減小待鍍板因外力造成的漲縮。陰極擋條通過對待鍍板下部電流線的局部遮擋，減少了待鍍板下部電力線集中程度，改善了鍍板均勻性。同時陰極遮蔽板長度700 mm一支，可以根據(jù)無擋板時測試均勻性分布情況，然后確定遮蔽板的數(shù)量。通過陰極擋條加陰極遮蔽板調(diào)整配合可以將卷式垂直連續(xù)電鍍線的電鍍均勻性穩(wěn)定在93%～95%之間。卷入/卷出機通過張力系統(tǒng)對拉膜和鍍板在走板方向上施加29.4 N～39.2 N張力，鋼帶通過夾具夾持電鍍板在走板方向上和卷入/卷出機收放料軸同線速度運轉(zhuǎn)，避免夾具在走板方向上對鍍板增加額外張力。同時通過小間距大密度電鍍夾分布，可以將鍍板漲縮控制在0.2%以內(nèi)。

圖5 陰陽極在槽體結(jié)構(gòu)

2.6 鍍液雜質(zhì)控制優(yōu)化設(shè)計

如圖1、圖3所示銅槽有三個層次循環(huán)，噴灑泵均采用泵+過濾機工作方式，對電鍍銅槽內(nèi)溶液做到多級過濾，保證鍍液中的金屬雜質(zhì)，有機雜質(zhì)及脫脂累雜質(zhì)保持在合理的范圍內(nèi)。

3 卷式垂直連續(xù)電鍍線電鍍板鍍層質(zhì)量參數(shù)

3.1 鍍層均勻性

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后卷式垂直連續(xù)電鍍線鍍銅鍍層均勻有顯著提高。以下是某用戶測試均勻性數(shù)據(jù)。測試采用基材銅厚度35 μm，寬250 mm，長度100 m/卷基板，檢測取樣每隔1mm取長度250 mm、寬度250 mm板檢測。每次測試10 m，取十段測試。鍍銅厚度采用測銅厚儀測量，以鍍銅厚度12 μm為基準，測試實際鍍銅厚度數(shù)據(jù)如圖7,實測鍍銅均勻性可以達到95%以上（如圖7）。

圖6 電鍍線陰陽極布局

圖7 實測鍍銅厚度數(shù)據(jù)

3.2 鍍通孔TP值

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后卷式垂直連續(xù)電鍍線鍍通孔TP值得到明顯提高。以下是某用戶測試TP值數(shù)據(jù)：測試采用厚度35 μm銅箔，板寬250 mm，長度100m/卷，每次測試10 m，取十段測試。采用孔徑100 μm縱橫比1∶6孔銅測試，TP值計算公式（如圖8）。

圖8 電鍍分散性(TP)計算公式

經(jīng)過鍍板后切片實測（如圖9），根據(jù)具體測試數(shù)據(jù)計算TP值可以達到75%以上（圖10）。

圖9 孔鍍銅后切片實測

3.3 鍍銅板漲縮

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后采用卷式垂直連續(xù)電鍍銅線，鍍銅板漲縮得到明顯降低。以下是某用戶測試數(shù)據(jù)：測試采用基材銅厚度35 μm，寬250 mm,長度100 m/卷基材，每次測試10米，取十段測試。測試板每隔1 m取260 mm長度和240 mm長度各一段，從上板邊到下板邊每隔50 mm取一個測試點。具體測試數(shù)據(jù)（如圖11）。

4 結(jié)語

卷式垂直連續(xù)電鍍銅線提高了電鍍均勻性、通孔TP值，降低了漲縮率。鍍銅均勻性有利于后續(xù)蝕刻，保證了阻抗要求和減少蝕刻去除銅數(shù)量，節(jié)約了銅資源。漲縮率對FPC板特別重要，低漲縮率是后續(xù)加工產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定的基本保證。高通孔TP值有利于多層板線路之間保證良好導(dǎo)電。

卷式垂直連續(xù)電鍍銅線相對傳統(tǒng)龍門電鍍線和VCP電鍍線結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計和優(yōu)化，進行了不少創(chuàng)新設(shè)計，已獲得授權(quán)發(fā)明專利5項，實用新型專利4項。

卷式垂直連續(xù)電鍍銅線2015年研發(fā)立項，2016年完成項目設(shè)計，2017年開始推向市場。經(jīng)過兩年多的努力，公司已經(jīng)為多家客戶提供了卷式垂直連續(xù)電鍍銅線。

圖10 實測數(shù)據(jù)的TP值

圖11 漲縮測試數(shù)據(jù)