印制電路板制造中節(jié)能改造技術(shù)探索與實(shí)踐

許校彬 邵 勇 陳金星 李寶任 張遠(yuǎn)禮

（特創(chuàng)電子科技股份有限公司，廣東 惠州 516369）

0 前言

我國(guó)隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快和消費(fèi)結(jié)構(gòu)持續(xù)升級(jí)，能源需求剛性增長(zhǎng)，資源環(huán)境問(wèn)題仍是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶頸之一，節(jié)能減排形勢(shì)嚴(yán)峻、任務(wù)艱巨。國(guó)家充分認(rèn)識(shí)做好“十四五”節(jié)能減排工作的重要性和緊迫性，并且進(jìn)一步明確企業(yè)主體責(zé)任，嚴(yán)格執(zhí)行節(jié)能環(huán)保法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)化和完善管理措施，落實(shí)節(jié)能減排目標(biāo)任務(wù)。要充分發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制作用，加大市場(chǎng)化機(jī)制推廣力度，真正把節(jié)能減排轉(zhuǎn)化為企業(yè)和各類(lèi)社會(huì)主體的內(nèi)在要求。要努力增強(qiáng)全體公民的資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)意識(shí)，實(shí)施全民節(jié)能行動(dòng)，共同促進(jìn)全社會(huì)的節(jié)能減排。

在經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的形勢(shì)下，印制電路板（PCB）企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。行業(yè)所需原物料，特別是金屬類(lèi)材料的漲價(jià)、環(huán)保管理以及企業(yè)的自身的運(yùn)營(yíng)等問(wèn)題，讓很多國(guó)內(nèi)電路板企業(yè)承受巨大的生存壓力，為了讓企業(yè)在夾縫中得到生存并循序漸進(jìn)地在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中站穩(wěn)腳跟，除了做好內(nèi)部改革外，還需在成本管理戰(zhàn)略中不斷實(shí)踐和創(chuàng)新，創(chuàng)造更大效益，并最終實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。而節(jié)能技術(shù)改造不僅符合節(jié)能減排也是成本管理的重要項(xiàng)目。

以下介紹一些生產(chǎn)實(shí)踐中的設(shè)備節(jié)能降耗改造項(xiàng)目。

1 龍門(mén)線(xiàn)的噴淋或吹風(fēng)裝置

PCB工廠(chǎng)的很多工序都有龍門(mén)線(xiàn)，特別是沉金、沉銅、鍍銅等工序，龍門(mén)線(xiàn)掛具（母籃）載著子籃（主要載板工具），根據(jù)程式設(shè)定從一個(gè)藥水槽提至另一個(gè)槽時(shí)，無(wú)論提起后停留時(shí)間長(zhǎng)短，槽液仍然會(huì)被帶出，部分廠(chǎng)商在程序上設(shè)計(jì)龍門(mén)吊車(chē)在提起時(shí)規(guī)律性晃動(dòng)來(lái)減少槽液帶出的量，但由于晃動(dòng)的時(shí)間較短無(wú)法很好將在制板和子籃的水瀝干，若改動(dòng)晃動(dòng)時(shí)長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致每個(gè)槽停留時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致效率降低。通過(guò)節(jié)能技術(shù)改造方案在龍門(mén)線(xiàn)上增加噴淋或吹風(fēng)裝置，兩者均可以有效減少槽液帶出量，從而提高槽液使用壽命。

1.1 噴淋裝置

噴淋裝置（如圖1所示）對(duì)比于吹風(fēng)裝置更適用于沉金工序，其通過(guò)在天車(chē)上方增加儲(chǔ)蓄純水的小槽，用管道將純水打入儲(chǔ)蓄槽中，通過(guò)和沉金線(xiàn)的控制系統(tǒng)結(jié)合，當(dāng)線(xiàn)體運(yùn)行至化學(xué)金槽化金后提起時(shí)，系統(tǒng)控制加壓泵把儲(chǔ)蓄槽內(nèi)的純水噴淋至板子上，將殘留板子表面的金液用純水帶回金槽中，從而實(shí)現(xiàn)回收金殘留液的作用。另外，原來(lái)金缸的溫度較高，蒸發(fā)加上板架子帶出的水分較多，過(guò)去固定時(shí)間內(nèi)需要人工往金缸添加數(shù)升純水的動(dòng)作也被該裝置改進(jìn)所替代。裝置運(yùn)行后，也不存在人工忘記添加純水，導(dǎo)致液位過(guò)低導(dǎo)致漏鍍的情況，可謂一舉多得。

圖1 噴淋裝置圖示

1.2 吹風(fēng)裝置

化學(xué)鍍銅（沉銅）及垂直電鍍龍門(mén)線(xiàn)將在制板置入至藥液槽內(nèi)，進(jìn)行浸液電鍍操作；將在制板吊離藥液槽，并調(diào)節(jié)在制板與藥液槽的液面之間的距離為預(yù)設(shè)回液距離；向在制板鼓吹冷風(fēng)，以對(duì)板上附著的殘留槽液進(jìn)行吹離操作，以使殘留槽液回流至藥液槽內(nèi)；對(duì)在制板進(jìn)行提升操作，并調(diào)節(jié)板與藥業(yè)槽的液面之間的距離為預(yù)設(shè)干燥距離，預(yù)設(shè)干燥距離大于預(yù)設(shè)回液距離；向在制板鼓吹熱風(fēng)，以對(duì)板進(jìn)行干燥操作。通過(guò)先鼓冷風(fēng)后鼓吹熱風(fēng)的氣流輔助吹離方式，能夠使得在制板上附著的槽液被去除得更加干凈，使槽體壽命延長(zhǎng)，從而節(jié)約成本。

1.3 改造后節(jié)能狀況

圖2數(shù)據(jù)表明，化學(xué)鍍金（沉金）噴淋裝置和吹風(fēng)裝置改造后節(jié)能效果明顯，較吹風(fēng)裝置而言，噴淋式更適合于沉金線(xiàn)，而沉銅及鍍銅線(xiàn)目前還是較適合用吹風(fēng)裝置。

2 蝕刻線(xiàn)的除鈀控制裝置

鍍通孔（PTH）流程中的活化制程，采用鈀金屬做槽液的主劑，利用鈀金屬薄膜的催化作用，以降低后序由化學(xué)銅離子經(jīng)還原反應(yīng)而成為金屬銅的能障，也就是說(shuō)有化學(xué)鈀就會(huì)有化學(xué)銅。而在沉金過(guò)程中，如果非鍍通孔中的鈀殘留就會(huì)讓非鍍通孔沉上金，故此，蝕刻線(xiàn)都會(huì)有一個(gè)流程，就是除鈀，通過(guò)使用鈀滅活劑將非金屬化孔內(nèi)的鈀去除干凈，從而保證后工序加工品質(zhì)。但是對(duì)于單面板、金屬基板和非沉金類(lèi)的生產(chǎn)板做除鈀動(dòng)作則顯得浪費(fèi)，為此，部分工廠(chǎng)采用人工停用除鈀槽及之后的水洗來(lái)節(jié)約成本，但是這種人工控制的方式存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，在生產(chǎn)沉金板時(shí)忘記打開(kāi)除鈀槽，整批板都可能報(bào)廢。

2.1 除鈀自動(dòng)控制裝置

除鈀自動(dòng)控制裝置在除鈀前設(shè)立一個(gè)識(shí)別段（如圖3所示），主要是通過(guò)識(shí)別孔或二維碼，部分電路板企業(yè)為了自動(dòng)化追溯已經(jīng)對(duì)每塊板進(jìn)行二維碼標(biāo)識(shí)，二維碼可以放入大量的生產(chǎn)信息，表面處理更是不在話(huà)下，當(dāng)二維碼識(shí)別出為沉金板時(shí)，除鈀槽及后方的水洗槽就會(huì)打開(kāi)噴淋工作，非沉金板則會(huì)將除鈀藥水關(guān)閉僅做輸送。針對(duì)識(shí)別孔的則可以利用鉆孔機(jī)對(duì)在制板做識(shí)別孔設(shè)計(jì)，只要與識(shí)別器匹配控制就可以。

圖3 蝕刻段及除鈀自動(dòng)控制裝置示意圖

2.2 改造后節(jié)能狀況

裝置主要降低鈀滅活劑使用量和解決人工關(guān)閉除鈀槽的問(wèn)題，每月需依照每個(gè)電路板廠(chǎng)的規(guī)模和沉金板的數(shù)量決定節(jié)約多少成本。原來(lái)除鈀槽持續(xù)打開(kāi)的電路板廠(chǎng)而言，保守估算月生產(chǎn)4 m2萬(wàn)時(shí)，30%為沉金板的情況下，每月可以節(jié)約10 000元左右。通過(guò)人工控制的電路板廠(chǎng)則可以解決漏關(guān)閉的問(wèn)題，減少批量報(bào)廢問(wèn)題的發(fā)生。很多的電路板廠(chǎng)酸性蝕刻線(xiàn)都沒(méi)有除鈀工段，如果需要增加時(shí)，也可以將該裝置考慮進(jìn)去。

3 鉆孔碎屑中銅粉回收系統(tǒng)

對(duì)于印制電路行業(yè)，環(huán)境保護(hù)所承受的壓力，經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展受到的資源和環(huán)境制約“瓶頸”越來(lái)越明顯。PCB行業(yè)中對(duì)于廢水處理回用及重金屬資源化回收技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，對(duì)廢水中的銅、鎳、鉻、鋅等去除率可達(dá)到99.6%以上，回收的污泥中銅含量高達(dá)55%～60%，但對(duì)機(jī)械加工過(guò)程的廢棄物沒(méi)有足夠重視，很多PCB企業(yè)認(rèn)為資源回收不是企業(yè)的“正業(yè)”，反正可以處理掉就行，機(jī)械加工的廢棄物常因此被忽視、浪費(fèi)或丟棄。特別是對(duì)于電路板在鉆孔過(guò)程產(chǎn)生的碎屑廢棄物中銅的回收利用問(wèn)題，大多數(shù)企業(yè)往往沒(méi)有形成足夠的重視并進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)升級(jí)改造，導(dǎo)致資源的無(wú)謂浪費(fèi)。

3.1 鉆孔銅粉風(fēng)選回收系統(tǒng)

針對(duì)鉆孔的加工和集塵管理的設(shè)計(jì)，我們通過(guò)改造這個(gè)回收系統(tǒng)，將收集電路板鉆孔過(guò)程產(chǎn)生的碎屑廢棄物集中回收后再進(jìn)行粉碎；一級(jí)風(fēng)選分離粉碎后的廢棄物，得到銅粉及一級(jí)風(fēng)選分離物；二級(jí)風(fēng)選分離一級(jí)風(fēng)選分離物，在二級(jí)風(fēng)選分離中，間歇性向風(fēng)選風(fēng)道送入低溫非助燃?xì)怏w，得到鋁粉及二級(jí)風(fēng)選分離物；三級(jí)風(fēng)選分離二級(jí)風(fēng)選分離物，得到環(huán)氧玻纖維粉及木漿粉。上述線(xiàn)路板鉆孔廢棄物的分離回收方法，在二級(jí)風(fēng)選分離過(guò)程中，間歇性地送入低溫非助燃?xì)怏w，解決回收過(guò)程中鋁粉容易接觸空氣中的氧氣和水而產(chǎn)生爆炸的技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了資源回收利用以及安全回收資源的效果，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 鉆孔銅粉風(fēng)選回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖示

3.2 鉆孔碎屑廢棄物再粉碎及分離的原因

鉆孔過(guò)程最易產(chǎn)生三種形狀的碎屑，分別是帶狀、塊狀和粉末狀（如圖5所示），帶狀、塊狀碎屑不易一次性被打碎回收，所以鉆孔碎屑應(yīng)該先進(jìn)一步粉碎再作分離。機(jī)械鉆孔下鉆過(guò)程中，鉆頭需要穿過(guò)的合金鋁蓋板、含有銅、環(huán)氧樹(shù)脂的線(xiàn)路板以及部分木纖維木漿底板（如圖6所示），下鉆過(guò)程鉆機(jī)主軸內(nèi)夾頭夾著鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，接觸的物質(zhì)被高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭打碎成碎屑，被集塵管道吸走。處理鉆孔廢棄物，我們不僅需將不同形狀的廢料變成粉末，而且還需要將不同的物質(zhì)分開(kāi)。

圖6 鉆孔下鉆過(guò)程圖示

根據(jù)流體力學(xué)，當(dāng)非均相體系圍繞一中心軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)物體會(huì)受到離心力的作用，旋轉(zhuǎn)速率越高，運(yùn)動(dòng)物體所受到的離心力越大。如果顆粒密度越大，則顆粒將沿離心力的方向而逐漸遠(yuǎn)離中心軸。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的離心操作，就可以實(shí)現(xiàn)密度不同物質(zhì)的有效分離（物質(zhì)密度表，如表2所示）。

表2 鉆孔粉屑的四類(lèi)主要物質(zhì)密度表

3.3 改造后節(jié)能狀況

銅的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆孔中的其他物質(zhì)密度，那么一級(jí)風(fēng)選中的銅粉的雜質(zhì)就會(huì)相對(duì)較少，其純度就有所保證，而可回收的物質(zhì)中也是銅粉的價(jià)值較高，這樣就可以保證系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)于企業(yè)而言具有很高的開(kāi)發(fā)價(jià)值。其他的廢棄物也會(huì)根據(jù)不同的密度逐漸被風(fēng)選出來(lái)，同密度的物質(zhì)會(huì)去到同一個(gè)回收箱內(nèi)。對(duì)比而言，變賣(mài)混合碎屑價(jià)值遠(yuǎn)不如風(fēng)選出來(lái)的不同粉末價(jià)值，同時(shí)還可以保證對(duì)環(huán)境的有效保護(hù)。

4 壓合銅箔自動(dòng)裁剪裝置改造

隨著設(shè)備自動(dòng)化越來(lái)越高，過(guò)去壓合的銅箔裁切動(dòng)作大多人工完成，而目前更多的是通過(guò)銅箔自動(dòng)裁剪裝置完成該項(xiàng)動(dòng)作。裝置簡(jiǎn)單地說(shuō)就分兩個(gè)部分，一個(gè)是牽引機(jī)構(gòu)，一個(gè)是切割機(jī)構(gòu)，切割機(jī)構(gòu)配合連接所述牽引機(jī)構(gòu)，牽引機(jī)構(gòu)包括吸盤(pán)、真空裝置、滑軌和第一電機(jī)，真空裝置連接吸嘴，第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)連接吸嘴,吸嘴滑動(dòng)連接滑軌；切割機(jī)構(gòu)包括第二電機(jī)、刀座、絲桿,第二電機(jī)傳動(dòng)連接所述絲桿，刀座滑動(dòng)連接絲桿,控制裝置連接第二電機(jī)；還包括控制裝置,控制裝置分別連接第一電機(jī)、第二電機(jī)、真空裝置和切割機(jī)構(gòu)。該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)銅箔進(jìn)行自動(dòng)裁剪，保障了銅箔表面物理性能,同時(shí)提高了工作效率。大多壓合設(shè)備商在該裝置的設(shè)計(jì)，裁切的橫切面距離是固定的。而隨著PCB企業(yè)的發(fā)展，訂單結(jié)構(gòu)改變，產(chǎn)品的規(guī)格出入波動(dòng)也較大，自動(dòng)裁切線(xiàn)的原始設(shè)計(jì)會(huì)存在銅箔利用率偏低的情況發(fā)生。

4.1 壓合銅箔自動(dòng)裁剪裝置

以壓合銅箔自動(dòng)裁剪裝置的橫截圖（如圖7所示）為例，如果原始夾子最少距離為630 mm，生產(chǎn)時(shí)為了讓夾子可以?shī)A得到銅箔，加上流膠距離，固定銅箔幅寬就需要670～690 mm。如果生產(chǎn)板所需銅箔幅寬僅需420 mm，那么浪費(fèi)的銅箔就是250～270 mm幅寬的銅箔，銅箔長(zhǎng)度假設(shè)為1 291 mm計(jì)算，那么每盤(pán)板浪費(fèi)的就會(huì)是一段0.64～0.7 m2的銅箔。

圖7 壓合銅箔自動(dòng)裁剪裝置的橫截面圖

為了避免浪費(fèi)，可以將銅箔的組合夾、吸盤(pán)和承載盤(pán)的防滑夾做簡(jiǎn)單的優(yōu)化設(shè)計(jì)改動(dòng)：增加組合夾和吸嘴數(shù)量、內(nèi)置距離，吸嘴調(diào)整為增加手動(dòng)開(kāi)關(guān)，做尺寸較小的板時(shí)銅箔可以關(guān)掉兩邊吸氣開(kāi)關(guān)，這樣就不會(huì)產(chǎn)生漏氣問(wèn)題，另外，還需要把承載板的橫向防滑夾和槽孔內(nèi)移。

4.2 改造后節(jié)能狀況

壓合銅箔自動(dòng)裁剪裝置在設(shè)計(jì)改造上,需要根據(jù)每家PCB廠(chǎng)的在制板尺寸來(lái)定制，依照4.1所述裝置案例改造后，壓合銅箔使用量至少可以節(jié)約10%。

5 結(jié)語(yǔ)

企業(yè)對(duì)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，既可以降低能耗，符合低碳環(huán)保的發(fā)展理念，也可以減少企業(yè)的成本支出。在設(shè)備持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程，會(huì)不斷維持企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，不斷為企業(yè)降低成本和增加價(jià)值尋求機(jī)會(huì)。但是節(jié)能技術(shù)改造獲得渠道很少，需要盡量多地通過(guò)和設(shè)備商溝通了解，還要技術(shù)分享或企業(yè)內(nèi)部卓越的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制吸引人員動(dòng)腦獲得改造方案，還需要通過(guò)相關(guān)人員對(duì)技術(shù)進(jìn)行可靠性分析，企業(yè)最終應(yīng)該根據(jù)自身狀況綜合考量來(lái)決定是否實(shí)施。PCB企業(yè)最終必須走節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)的道路，而節(jié)能改造技術(shù)的不斷創(chuàng)新，將是推動(dòng)行業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。