印制電路板制造濕流程中央加藥系統(tǒng)的末端設(shè)計(jì)方案研究

付 藝 向 鋮 陳顯任

（珠海方正科技多層電路板有限公司-F7，廣東 珠海 519175）

0 前言

中央加藥系統(tǒng)（Centers Chemicals Supply and Dispensing Control System，CDC）是一種集化學(xué)藥液配制、攪拌、儲(chǔ)存、輸送、添加和自動(dòng)控制于一體的成套設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油化工、污水處理、五金電鍍等行業(yè)，可以減少生產(chǎn)線藥品的儲(chǔ)存量、減少人工搬運(yùn)和預(yù)防化學(xué)品安全事故。濕流程的中央加藥系統(tǒng)是印制電路板（PCB）工廠自動(dòng)化、智能化項(xiàng)目的重要組成部分，近年來(lái)在各大PCB智能化工廠推廣開(kāi)來(lái)。本文從PCB工廠濕制程對(duì)中央加藥系統(tǒng)的需要，提出中央加藥系統(tǒng)的末端設(shè)計(jì)方案。

1 中央加藥系統(tǒng)的供藥方式

中央加藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從供藥方式上可以分為三種，即叫藥方式、恒壓供藥和重力流供藥（如表1所示）。叫藥方式的設(shè)計(jì)方案是現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)藥桶的液位計(jì)傳達(dá)低液位信號(hào)至中央儲(chǔ)藥桶泵，供藥泵自動(dòng)或手動(dòng)供藥；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)藥桶高液位時(shí)，供藥泵自動(dòng)/手動(dòng)停止供藥；恒壓供藥的設(shè)計(jì)方案是中央儲(chǔ)藥桶泵通過(guò)管道保壓狀態(tài)向現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)藥桶進(jìn)行供藥；管道內(nèi)供藥壓力接近定，當(dāng)有用藥需求時(shí)，管道內(nèi)壓力降低，中央儲(chǔ)藥桶泵啟動(dòng)供藥；當(dāng)用藥需求停止管道內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，中央儲(chǔ)藥桶泵浦停止供藥；重力流供藥方式是中央儲(chǔ)藥桶泵浦先將藥水打到高處儲(chǔ)存桶，再通過(guò)管道重力流供往低處的現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)藥桶。不同的PCB廠家因投資規(guī)劃、廠房布局和管理理念的不同，所采用的供藥方式也不盡相同。

表1 中央加藥系統(tǒng)不同供藥方式的綜合評(píng)分

從表1的綜合評(píng)分來(lái)看，恒壓供藥方式相比其他兩種方式具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此，本文針對(duì)恒壓供藥系統(tǒng)在生產(chǎn)線端的添加設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，以滿足不同的PCB化學(xué)處理工藝的自動(dòng)加藥需求。

2 濕流程生產(chǎn)線中央加藥需求

目前PCB工廠的中央加藥系統(tǒng)規(guī)劃的供藥種類主要是通用型的大宗藥水，如三酸兩堿、過(guò)硫酸鈉、過(guò)氧化氫、蝕刻液、退膜液和退錫液等十幾種藥水；常規(guī)生產(chǎn)線如沉銅、沉鎳金等流程因不同供應(yīng)商的藥水配方有所差異并且種類較多而采用生產(chǎn)線旁邊（以下簡(jiǎn)稱線邊）自動(dòng)加藥設(shè)計(jì)，通常由生產(chǎn)設(shè)備商或藥水商提供方案，添加桶的容量一般在200 L～500 L。

PCB制造工藝非常復(fù)雜，不同的濕流程生產(chǎn)線需求的藥水類別、加藥點(diǎn)位數(shù)量不一樣（如表2所示），因而中央加藥系統(tǒng)在生產(chǎn)線端的添加設(shè)計(jì)方案（末端添加設(shè)計(jì)）需根據(jù)工藝需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到既方便生產(chǎn)操作、兼顧安全，又要降低配置成本的效果。

3 中央加藥系統(tǒng)末端添加設(shè)計(jì)方案

3.1 線邊儲(chǔ)存槽中轉(zhuǎn)添加設(shè)計(jì)

從表2可知，中央加藥系統(tǒng)的末端加藥需求主要分為5大類，其中第1、2兩類加藥方式相同，都是中央加藥管道對(duì)接生產(chǎn)線邊的儲(chǔ)存槽，再由生產(chǎn)設(shè)備自帶的定量添泵進(jìn)行自動(dòng)加藥。第1類只需配置1個(gè)存儲(chǔ)槽，而第2類需要配置2個(gè)儲(chǔ)存槽，因此這兩類需求的末端添加設(shè)計(jì)方案相同。

表2 中央加藥系統(tǒng)末端加藥需求表

這種設(shè)計(jì)方案的控制方式是每種藥水的中央加藥管道下點(diǎn)均進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)暫存桶，利用現(xiàn)場(chǎng)暫存桶浮球液位計(jì)控制供藥支管上的氣動(dòng)閥開(kāi)啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)添加。暫存桶、液位浮球及信號(hào)及連接生產(chǎn)線的自動(dòng)添加系統(tǒng)均需設(shè)備配套（如圖1、圖2所示）。

圖1 線邊儲(chǔ)存槽中轉(zhuǎn)添加設(shè)計(jì)圖示

圖2 中央加藥管道與線邊暫存槽連接

3.2 直接定量添加到副槽或主槽設(shè)計(jì)

以圖形電鍍線的中央加藥為例，是典型的第3類單藥多槽添加需求，該生產(chǎn)線有除油槽、微蝕槽、酸浸槽，以及多達(dá)十幾個(gè)的鍍銅鍍錫槽需要添加硫酸，而且單次添加量較大，有時(shí)到達(dá)2 000升以上，而開(kāi)缸時(shí)則超過(guò)10 000 L。如果按第1類需求設(shè)計(jì)線邊儲(chǔ)存槽，那么槽體積非常龐大，現(xiàn)場(chǎng)存放空間受限，并且需要配置十幾臺(tái)大功率的自動(dòng)添加泵，成本較高。針對(duì)此類需求，可設(shè)計(jì)為一條中央加藥主管連接多條分支管道直接進(jìn)入副槽或主槽，共用1套定量控制系統(tǒng)（包括電磁流量計(jì)，觸摸屏+電控箱），如圖3所示。

圖3 直接定量添加到副槽設(shè)計(jì)圖示

該添加方案不受副槽或主槽的液位影響，根據(jù)加藥需求（通常是分析補(bǔ)加），由生產(chǎn)人員在控制系統(tǒng)觸摸屏上點(diǎn)擊需要加藥的缸位，然后輸入加藥體積，確認(rèn)無(wú)誤后，點(diǎn)擊開(kāi)始添加。系統(tǒng)依次打開(kāi)對(duì)應(yīng)缸位的支管氣動(dòng)閥和主管氣動(dòng)閥，開(kāi)始加藥，同時(shí)主管氣動(dòng)閥上的電磁流量計(jì)開(kāi)始記錄加藥量，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)加藥量時(shí)，流量計(jì)信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，隨即關(guān)閉主管氣動(dòng)閥和支管氣動(dòng)閥，加藥完成。另外，主管和支管上還設(shè)計(jì)有多個(gè)球閥，用于加強(qiáng)安全控制和維修開(kāi)關(guān)，提高了系統(tǒng)的安全性和適用性。第4類單槽單藥的保養(yǎng)加藥需求，主要是濃硝酸，用于圖形電鍍剝掛槽和沉鎳金線的硝槽保養(yǎng)。其末端添加設(shè)計(jì)與第3類相似，中央加藥管道直接下到工作缸，是最簡(jiǎn)單的直接定量添加到主槽設(shè)計(jì)。

3.3 線邊配藥槽定量混合添加設(shè)計(jì)

第5類加藥需求出自部分化學(xué)處理工藝，其采用兩種或多種藥水混合反應(yīng)。在添加到工作槽之前，幾種藥水需要混合均勻，例如內(nèi)層前處理微蝕液和化學(xué)減銅微蝕液、除膠渣錳槽和化銅槽的保養(yǎng)清洗液，這樣使得制程更加穩(wěn)定。這類藥水通常使用50%硫酸、35%過(guò)氧化氫和DI（去離子水）水按一定的比例配制成混合液，保養(yǎng)時(shí)自動(dòng)添加到工作槽用作炸缸清洗液，或生產(chǎn)時(shí)中轉(zhuǎn)至存儲(chǔ)桶用作生產(chǎn)自動(dòng)補(bǔ)加。

如圖4所示，混合配藥槽設(shè)計(jì)有高、中、低3級(jí)液位感應(yīng)器，位置高度分別對(duì)應(yīng)3種液體的添加量。當(dāng)生產(chǎn)線需要配藥時(shí)，操作人員在自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)觸摸屏點(diǎn)擊“配藥”，系統(tǒng)首先打開(kāi)低液位需要添加的藥水或DI水管道上的氣動(dòng)閥，待添加至低液位時(shí)即關(guān)閉該氣動(dòng)閥；然后再打開(kāi)中液位需要添加的藥水管道上的氣動(dòng)閥A或B，待藥水A或B添加至中液位時(shí)即關(guān)閉該氣動(dòng)閥；最后完成高液位對(duì)應(yīng)藥水的自動(dòng)添加。各類藥水添加完成后，開(kāi)啟內(nèi)循環(huán)電動(dòng)泵30～60分鐘，將配制的藥液混合均勻，然后根據(jù)需要可將混合液通過(guò)氣動(dòng)泵抽到暫存桶或直接抽到工作缸。

圖4 線邊配藥槽定量混合添加設(shè)計(jì)圖示

4 末端添加設(shè)計(jì)方案的風(fēng)險(xiǎn)控制

上文論述的末端添加設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)的中央加藥系統(tǒng)為恒壓供藥設(shè)計(jì)，管道內(nèi)部藥水保持一定壓力，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，如泄漏、加藥失控等問(wèn)題，需要從設(shè)計(jì)方面做好預(yù)防。

在末端添加安全控制方面，線邊存儲(chǔ)槽中轉(zhuǎn)添加和線邊配藥槽定量混合添加設(shè)計(jì)，兩種方案采用高低液位控制供藥，即根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)暫存槽液位自動(dòng)供藥。當(dāng)液位達(dá)到超高液位和超低液位時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警器立即啟動(dòng)報(bào)警；氣動(dòng)閥開(kāi)關(guān)設(shè)置執(zhí)行到位開(kāi)關(guān)，如開(kāi)關(guān)信號(hào)未到位，傳輸報(bào)警信號(hào)至中央監(jiān)控。對(duì)于直接定量添加到副槽或主槽方案的安全設(shè)計(jì)，當(dāng)管道供藥壓力超過(guò)監(jiān)控值上限和下限時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)加藥控制系統(tǒng)和中央加藥儲(chǔ)罐區(qū)控制室的控制系統(tǒng)發(fā)出進(jìn)藥聲光報(bào)警信號(hào)（如圖5、圖6所示），通知維護(hù)人員及時(shí)排查隱患。

圖5 圖形電鍍線的控制系統(tǒng)圖

圖6 中央加藥儲(chǔ)罐區(qū)的控制系統(tǒng)

在輸送系統(tǒng)安全方面，供藥泵的選型應(yīng)滿足輸送藥劑的要求（如耐腐蝕、抗氧化、耐磨損等）和用藥量的需求（流量和揚(yáng)程等），同種藥劑的供藥采用互為備用的連接方式，金屬部件都采用鈦合金材質(zhì)。輸藥泵設(shè)置機(jī)械泄壓閥，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的管道預(yù)警壓力時(shí)，泄壓閥自動(dòng)打開(kāi)，藥水自動(dòng)回流到儲(chǔ)存罐內(nèi)；同時(shí)，泄壓信號(hào)傳至中央監(jiān)控，泄壓時(shí)自動(dòng)報(bào)警。輸送管道同樣滿足供藥要求，有壓管道都采用雙層設(shè)計(jì)，外層采用透明聚氯乙烯（UPVC）管，并且設(shè)置泄壓報(bào)警裝置，如有泄漏，報(bào)警信號(hào)立即傳至中央監(jiān)控，并自動(dòng)停止該輸送管道的輸送泵動(dòng)作。

所有信號(hào)包括中央加藥區(qū)流量計(jì)、儲(chǔ)罐液位和儲(chǔ)存量、儲(chǔ)罐液位報(bào)警、泵啟停、供藥壓力、管道泄漏報(bào)警、氣動(dòng)閥開(kāi)關(guān)、末端暫存槽聲光報(bào)警、末端流量計(jì)等均需接入中央加藥控制室PLC系統(tǒng)內(nèi)，并且PLC（可編程邏輯控制器）系統(tǒng)遠(yuǎn)程連接廠房中央監(jiān)控系統(tǒng)。

5 總結(jié)

（1）印制電路板制造濕流程生產(chǎn)線的自動(dòng)加藥需求可以分為5種，基于恒壓供藥系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的末端添加設(shè)計(jì)方案可以分為3類，即線邊儲(chǔ)存槽中轉(zhuǎn)添加設(shè)計(jì)、直接定量添加到副槽、主槽設(shè)計(jì)與線邊配藥槽定量混合添加設(shè)計(jì)。

（2）針對(duì)不同的濕流程生產(chǎn)線，可從工藝特點(diǎn)和用藥需求上分析，綜合考慮操作便利性、配置成本經(jīng)濟(jì)性、用藥安全性和管理智能化等幾個(gè)因素，選擇合適的末端添加設(shè)計(jì)方案。