不溶性陽(yáng)極應(yīng)用于VCP整板電鍍線的可行性研究

付 藝

（珠海方正科技多層電路板有限公司-F7，廣東 珠海 519175）

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)大型高端印制電路板（PCB）工廠的不斷建設(shè)，越來越多的高線速的垂直連續(xù)電鍍（Vertical Continuous Plating，VCP）生產(chǎn)線被應(yīng)用于通孔電鍍流程以提高生產(chǎn)效率，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前主要PCB制造商中VCP線的裝機(jī)數(shù)量已超過500臺(tái)。并且隨著新建廠房空間的不斷發(fā)展，VCP線銅槽的長(zhǎng)度越來越長(zhǎng)（目前最長(zhǎng)超過90 m）（見圖1所示），這使得電鍍線的陽(yáng)極維護(hù)問題日益突出。為了解決陽(yáng)極維護(hù)保養(yǎng)問題，不溶性陽(yáng)極開始應(yīng)用于常規(guī)通孔VCP電鍍線以替代傳統(tǒng)的磷銅陽(yáng)極。本文基于智能化工廠的流程規(guī)劃和生產(chǎn)實(shí)踐，從工藝能力、設(shè)備成本、運(yùn)營(yíng)成本、電鍍品質(zhì)和生產(chǎn)效率等維度對(duì)可溶性陽(yáng)極和不溶性陽(yáng)極VCP線進(jìn)行綜合評(píng)估，論證了不溶性陽(yáng)極用于VCP整板電鍍線的可行性，為PCB制造同行規(guī)劃電鍍線提供參考。

圖1 高線速的VCP電鍍線

1 不溶性陽(yáng)極與可溶性陽(yáng)極VCP線的主要差異

1.1 不溶性陽(yáng)極與可溶性陽(yáng)極VCP線的設(shè)備差異

目前，常用PCB鍍銅不溶性陽(yáng)極為 MMOs 結(jié)構(gòu)混合金屬氧化物鈦網(wǎng)(典型如：銥鉭氧化物鈦網(wǎng))，其免更換保養(yǎng)周期一般可達(dá)2～3年，如果配合中性隔離技術(shù)，可得到5年以上使用壽命[1]。鈦網(wǎng)作為不溶性陽(yáng)極，工作時(shí)陽(yáng)極反應(yīng)過程與可溶性陽(yáng)極（磷銅球）有顯著區(qū)別，以通常的析氧反應(yīng)例，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下[2]。

可溶性陽(yáng)極：

Cu→Cu2+＋2e-——E0（Cu/Cu2+）＝0.34 V

不溶性陽(yáng)極：

2H2O→O2↑＋4H+＋4e-——E0（H2O/O2）＝1.23 V

可溶性陽(yáng)極的陽(yáng)極反應(yīng)，是一個(gè)簡(jiǎn)單的金屬失去電子發(fā)生溶解的化學(xué)反應(yīng)過程；而不溶性陽(yáng)極的陽(yáng)極反應(yīng)，本質(zhì)上是一個(gè)電解水的反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物是氧氣和氫離子。

不溶性陽(yáng)極和可溶性陽(yáng)極的陽(yáng)極化學(xué)反應(yīng)區(qū)別，可以概括有三點(diǎn)：反應(yīng)產(chǎn)物不同、反應(yīng)過程不同和反應(yīng)電勢(shì)不同。

1.1.1 反應(yīng)產(chǎn)物不同

不溶性陽(yáng)極的陽(yáng)極區(qū)不僅沒有產(chǎn)生相應(yīng)的金屬離子，還額外生成了氫離子。因此，對(duì)于不溶性陽(yáng)極，在補(bǔ)充銅離子的同時(shí)也要消耗多余的氫離子，使整個(gè)電鍍體系維持平衡，目前最主要的解決方案是使用氧化銅粉。因此，使用鈦網(wǎng)陽(yáng)極，需要搭配氧化銅粉添加系統(tǒng)，這是與磷銅陽(yáng)極體系最大的不同點(diǎn)。

1.1.2 反應(yīng)過程不同

不溶性陽(yáng)極的陽(yáng)極反應(yīng)是通過鈦陽(yáng)極表面的貴金屬氧化物涂層參與的一個(gè)電催化反應(yīng)過程，其基本反應(yīng)是電解水的陽(yáng)極反應(yīng)，最終產(chǎn)物是氧氣和氫離子。在此過程中，不僅涂層會(huì)導(dǎo)致鍍液中的添加劑通過接觸造成大量分解，同時(shí)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生包括氧原子、羥基自由基等具有強(qiáng)氧化性的中間產(chǎn)物，也會(huì)造成添加劑的額外分解。相比可溶性陽(yáng)極，不溶性陽(yáng)極會(huì)造成額外的添加劑消耗，使PCB鍍銅制程運(yùn)營(yíng)成本顯著上升（專用添加劑除外）。

1.1.3 反應(yīng)電勢(shì)不同

不溶性陽(yáng)極在電鍍過程中陽(yáng)極區(qū)發(fā)生了電解水反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)明顯高于可溶性陽(yáng)極的。同時(shí)，由于鈦材電阻率大于銅材的電阻率；一般情況下，使用鈦陽(yáng)極會(huì)采用更高的電流密度。這就導(dǎo)致了使用鈦陽(yáng)極時(shí)，整個(gè)電鍍系統(tǒng)的電壓會(huì)明顯高于可溶性陽(yáng)極。相比用于磷銅陽(yáng)極的電源，針對(duì)不溶性陽(yáng)極的電源需要適當(dāng)加大電壓設(shè)計(jì)，因而電源的成本也會(huì)有相應(yīng)增加。由于存在上述的區(qū)別，不溶性陽(yáng)極VCP電鍍線在設(shè)備構(gòu)造方面與可溶性陽(yáng)極有著較明顯的差異，導(dǎo)致了設(shè)備成本明顯高于傳統(tǒng)的磷銅陽(yáng)極VCP線。以某設(shè)備商的單列VCP線為例（下文皆以此為例），銅槽數(shù)量為21個(gè)，單槽長(zhǎng)度為3 m，單槽體積1800 L，生產(chǎn)板標(biāo)準(zhǔn)尺寸622 mm×724 mm，設(shè)備差異比較如表1所示。

表1 可溶性和不溶性陽(yáng)極VCP線的設(shè)備差異

1.2 不溶性陽(yáng)極與可溶性陽(yáng)極VCP線的工藝差異

VCP設(shè)備使用陰極移動(dòng)和高速射流的方法，采用固定陽(yáng)極面積的不溶性陽(yáng)極可獲得更理想的一級(jí)和二級(jí)電流密度分布，同時(shí)采用專用鍍銅添加劑改善三級(jí)電流密度分布，從而獲得均勻的鍍銅層[1]。穩(wěn)定且均勻性較好的鍍銅層對(duì)于有阻抗控制和精細(xì)線路設(shè)計(jì)的產(chǎn)品品質(zhì)，相較于可溶性陽(yáng)極的鍍銅層有明顯改善；同時(shí)，由于氧化銅粉的充分溶解而沒有陽(yáng)極泥產(chǎn)生，無(wú)需對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行周期性的清洗保養(yǎng)，因而使用不溶性陽(yáng)極大大節(jié)省了陽(yáng)極維護(hù)保養(yǎng)的時(shí)間和人力，也就是不溶性陽(yáng)極VCP線的使用效率明顯要高于磷銅陽(yáng)極VCP線，兩者的工藝能力差異對(duì)比如表2所示。

表2 可溶性和不溶性陽(yáng)極VCP線的工藝能力差異

2 不溶性陽(yáng)極與可溶性陽(yáng)極VCP線的運(yùn)營(yíng)成本

電鍍生產(chǎn)線的運(yùn)營(yíng)對(duì)于可溶性和不溶性陽(yáng)極VCP線，在相同銅槽數(shù)量與規(guī)格的前提下，綜合運(yùn)營(yíng)成本中的人工、水電氣、廢物處理、主體設(shè)備的折舊和維護(hù)等成本是一致的；差別之處在于陽(yáng)極、溶銅槽和電源等設(shè)備成本，開缸所需藥水和磷銅球成本，生產(chǎn)物料消耗成本，陽(yáng)極維護(hù)成本，工藝維護(hù)成本以及品質(zhì)成本。在電鍍添加劑方面，使用國(guó)內(nèi)B品牌的不溶性陽(yáng)極VCP線專用配方的添加劑，其消耗量穩(wěn)定且與可溶性陽(yáng)極基本一致，并且添加劑的成本一般按電量計(jì)算，因此不溶性陽(yáng)極的添加劑成本與可溶性陽(yáng)極一致。

另外，在生產(chǎn)效率方面，不溶性陽(yáng)極的電流密度在相同板件條件下比可溶性陽(yáng)極要高10%～20%，即以21個(gè)銅槽的VCP線為例，可溶性陽(yáng)極的平均線速度為1.0 m/min,不溶性陽(yáng)極的平均線速度為1.1～1.2 m/min，產(chǎn)能提升10%～20%。

2.1 不溶性陽(yáng)極與可溶性陽(yáng)極VCP線的運(yùn)營(yíng)成本差異

基于表1中設(shè)備配置差異和表2中的工藝能力差異數(shù)據(jù)，核算滿產(chǎn)狀態(tài)下的成本差別項(xiàng)目的單位運(yùn)營(yíng)成本（元/平方米）如表3和表4所示。（說明：設(shè)備折舊按10年計(jì)算，物料單價(jià)參照當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)，陽(yáng)極和電源價(jià)格參考設(shè)備商報(bào)價(jià)。）

從表3、表4的各項(xiàng)成本數(shù)據(jù)可知，可溶性陽(yáng)極VCP線的差異項(xiàng)目的綜合運(yùn)營(yíng)成本為49.01元/平方米，不溶性陽(yáng)極VCP線的差異項(xiàng)目的綜合運(yùn)營(yíng)成本為61.77元/平方米，其中兩者最大差異項(xiàng)目為物料消耗成本（達(dá)到10.5元/平方米），是因?yàn)椴蝗苄躁?yáng)極使用氧化銅粉，其銅含量為80%,但是物料單價(jià)與磷銅球接近；第二大差異項(xiàng)目為品質(zhì)改善，采用不溶性陽(yáng)極預(yù)估會(huì)帶來4.83元/平方米的品質(zhì)改善收益。兩種陽(yáng)極VCP線的綜合運(yùn)營(yíng)成本差異計(jì)算為：C不溶性－C可溶性＝61.77元/平方米－49.01元/平方米－4.83元/平米＝7.92元/平方米

表3 VCP線年度運(yùn)營(yíng)成本比較（萬(wàn)元/年）

表4 VCP線單位PCB運(yùn)營(yíng)成本比較（元/平方米）

按照PCB平均單價(jià)2000元/平方米計(jì)算，使用不溶性陽(yáng)極增加的成本占單價(jià)的比例為0.4%。

2.2 不溶性陽(yáng)極應(yīng)用于VCP整板電鍍線的可行性

經(jīng)核算得知不溶性陽(yáng)極比可溶性陽(yáng)極VCP線的綜合運(yùn)營(yíng)成本高7.92元/平方米，差異主要來源于氧化銅粉的物料成本，而設(shè)備和維護(hù)保養(yǎng)成本所占比例較低。但是相比可溶性陽(yáng)極，不溶性陽(yáng)極因維護(hù)保養(yǎng)導(dǎo)致的產(chǎn)能損失要小得多，也就是每年因維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間較少而增加了產(chǎn)出11313平方米/年。對(duì)于普通PCB板，工廠可以通過電鍍外協(xié)代工的方式彌補(bǔ)可溶性陽(yáng)極VCP線的產(chǎn)能損失，按照電鍍代工費(fèi)100元/平方米計(jì)算，則每年預(yù)計(jì)產(chǎn)生外協(xié)費(fèi)用113.13萬(wàn)元，也就是說不溶性陽(yáng)極VCP線可以減少外協(xié)費(fèi)用113.13萬(wàn)元/年。

對(duì)于高端精細(xì)線路的PCB板，外協(xié)電鍍難以滿足品質(zhì)需求，此時(shí)不溶性陽(yáng)極的優(yōu)勢(shì)凸顯出來。按每年增產(chǎn)11313平方米、產(chǎn)品合格率90%、拼版利用率80%、成品單價(jià)2000元/平方米、凈利率15%計(jì)算，則

可增加收益＝11313平方米/年×90%×80%×2000元/平方米×15%＝244萬(wàn)元/年

基于以上分析，雖然不溶性陽(yáng)極VCP線的綜合運(yùn)營(yíng)成本比可溶性陽(yáng)極高7.92元/平方米，但是考慮到不溶性陽(yáng)極的維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間較少而增加產(chǎn)出，對(duì)于高端產(chǎn)品，特別是高附加值PCB所帶來的收益，可以對(duì)沖增加的運(yùn)營(yíng)成本。因此，不溶性陽(yáng)極應(yīng)用于VCP整板電鍍線，在運(yùn)營(yíng)成本方面是可行的。

3 不溶性陽(yáng)極VCP線的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

目前PCB行業(yè)的電鍍?cè)O(shè)備商和藥水商對(duì)于不溶性陽(yáng)極應(yīng)用于VCP電鍍線的技術(shù)方案和PCB鍍銅可靠性皆有研究和論述，本文不再探討，而從生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)其電鍍能力。

3.1 不溶性陽(yáng)極VCP電鍍線的深鍍能力

以本公司21銅槽鋼帶式VCP線為例，陽(yáng)極為馬赫內(nèi)托氧化銥鈦網(wǎng)，搭配國(guó)產(chǎn)B品牌828系列不溶性陽(yáng)極專用添加劑（測(cè)試時(shí)藥水壽命4個(gè)月），在1.2 m/min線速下，電流密度分別以2.37 A/dm2和3.23 A/dm2的生產(chǎn)條件進(jìn)行測(cè)試，深鍍能力分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 不溶性陽(yáng)極VCP電鍍線的深鍍能力趨勢(shì)圖

從圖2深鍍能力趨勢(shì)圖來看，在2.37 A/dm2條件下AR（厚徑比）10:1，0.15 mm小通孔的最小TP達(dá)到83.68%；而在3.23 A/dm2條件下，AR10:1的小孔最小TP也能達(dá)到70.8%，可以滿足高精密度PCB的電鍍需求。并且從該圖可以看出，對(duì)于AR比(2.5:1)～(10:1)區(qū)間，深鍍能力波動(dòng)較小，說明該不溶性陽(yáng)極電鍍體系的深鍍能力比較穩(wěn)定。

3.2 不溶性陽(yáng)極VCP電鍍線的適用性分析

VCP電鍍線的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)龍門線不同，其掛板厚度因夾頭和傳動(dòng)系統(tǒng)影響而受限，一般掛板厚度最大4.5 mm；并且受噴淋系統(tǒng)和添加劑能力限制，深鍍能力一般可滿足AR≤10:1的PCB電鍍。因此，PCB行業(yè)在選擇VCP電鍍線時(shí)，需要考慮訂單結(jié)構(gòu)即板厚和AR比，與設(shè)備能力的匹配性問題。以某公司C客戶近半年的通訊PCB板訂單為例進(jìn)行分析[3]，板厚≤4.0 mm的面積占比96.45%，AR≤10:1的面積占比74.8%。綜合板厚、AR比結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和不溶性陽(yáng)極VCP線的能力數(shù)據(jù)，不溶性陽(yáng)極VCP線可以滿足該客戶約75%的訂單，對(duì)于另外25%的AR＞10:1的訂單，可以使用脈沖VCP電鍍或傳統(tǒng)龍門電鍍線生產(chǎn)。

4 總結(jié)

（1）由于陽(yáng)極區(qū)的化學(xué)反應(yīng)不同于可溶性陽(yáng)極，不溶性陽(yáng)極VCP電鍍線在陽(yáng)極材料、溶銅設(shè)備和電源設(shè)計(jì)等方面與可溶性陽(yáng)極VCP線不同，因此導(dǎo)致了其在電鍍能力、維護(hù)保養(yǎng)便利性和生產(chǎn)效率等工藝方面的優(yōu)勢(shì)。

（2）通過測(cè)算，不溶性陽(yáng)極VCP線的綜合運(yùn)營(yíng)成本比可溶性陽(yáng)極高7.92元/平方米，考慮生產(chǎn)效率的提升所帶來的收益，可以對(duì)沖高出部分的運(yùn)營(yíng)成本，因此，不溶性陽(yáng)極應(yīng)用于VCP線是可行的。

（3）基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)研數(shù)據(jù)和生產(chǎn)能力數(shù)據(jù)，不溶性陽(yáng)極VCP線可以滿足約75%的通訊PCB訂單。綜合設(shè)備能力、成本、效率和環(huán)保等各方面因素分析，隨著PCB行業(yè)的快速發(fā)展，不溶性陽(yáng)極VCP線將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。