一種微蝕劑自動(dòng)添加的方法及應(yīng)用

梅紹裕 劉磊 李幼芹

（東莞康源電子有限公司，廣東 東莞 523932）

0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）生產(chǎn)過程中，垂直沉銅線微蝕槽要求銅離子（Cu2+）濃度≤40 g/L，如持續(xù)做板不加以控制，則12～18 h就達(dá)到換缸要求。

為使換缸時(shí)間不耽誤生產(chǎn)，實(shí)際換缸時(shí)是在不停線的情況下直接排掉舊藥水，添加新藥水建?。勰乘疚⑽g槽體積550 L，微蝕缸開缸量：過硫酸鈉（sodium persulfate，SPS）固體60 kg、50%硫酸14 L］。建浴一次添加藥品量較大，同時(shí)也存在過硫酸鈉溶解不充分和產(chǎn)品微蝕不良的品質(zhì)隱患，行車在運(yùn)行下建浴也存在操作安全隱患，因此需增加微蝕自動(dòng)添加系統(tǒng)，杜絕藥水濃度不穩(wěn)定導(dǎo)致的品質(zhì)隱患以及人為的安全隱患。

1 垂直沉銅線微蝕槽工藝管控

1.1 微蝕槽藥水組分

垂直沉銅線微蝕作用是除去板子銅面上的氧化物及其他雜質(zhì)，粗化銅表面，增強(qiáng)銅面與電解銅的結(jié)合力。微蝕缸藥水組分及藥水濃度管控見表1。

表1 微蝕藥水濃度管控范圍

1.2 換缸周期

對(duì)微蝕缸銅離子（Cu2+）濃度進(jìn)行一周數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，如圖1所示。

圖1 銅離子濃度趨勢

從圖1數(shù)據(jù)分析，Cu2+濃度曲線呈持續(xù)上漲趨勢，每次急速下降均為換缸后的結(jié)果（圖中紅線標(biāo)記為換缸），換缸頻率基本達(dá)到每天1 次。微蝕缸換缸要求為銅離子濃度接近40 g/L時(shí)進(jìn)行更換。

1.3 藥水SPS濃度分析和加藥

對(duì)微蝕缸SPS 濃度進(jìn)行一周數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，如圖2所示。

圖2 SPS濃度趨勢

圖2 中垂直紅線標(biāo)記處為開線前換缸取樣分析結(jié)果，達(dá)到目標(biāo)值110 g/L 的要求；過程中平均值為93.9 g/L，且曲線整體偏下限。微蝕缸SPS 分析頻率為每6 h/次，在生產(chǎn)過程中化驗(yàn)室3 h/次固定開單補(bǔ)加SPS 12 kg。

過程手工加藥如圖3 所示，加藥量較大，SPS存在溶解不充分、局部濃度過高的問題，有微蝕過度導(dǎo)致品質(zhì)隱患的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 SPS過程手工加藥

1.4 小結(jié)

（1）目前傳統(tǒng)垂直沉銅線換缸頻繁，且在生產(chǎn)過程中行車運(yùn)行的情況下?lián)Q缸危險(xiǎn)系數(shù)高。

（2）開缸量（SPS 60 kg）及過程補(bǔ)加量較大，存在短期內(nèi)SPS 溶解不充分、局部濃度過高的問題，有微蝕過度導(dǎo)致品質(zhì)隱患的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）過程藥水濃度管控較差，難以達(dá)到中值管控要求，且分析頻率及加藥頻率高。

（4）通過以上數(shù)據(jù)表明，垂直沉銅線微蝕缸需增加自動(dòng)加藥系統(tǒng)，改善SPS 濃度的穩(wěn)定性、換缸周期和過程加藥量。

2 自動(dòng)添加方案設(shè)想

（1）自動(dòng)添加設(shè)備：自動(dòng)添加槽+溶解槽+定量杯+控制系統(tǒng)。

（2）通過每一架做板面積定量補(bǔ)加微蝕溶液，在主槽設(shè)有溢流口，補(bǔ)加后多余的微蝕缸藥水通過溢流排廢，銅離子銅缸溢流達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的水平且滿足離子濃度≤40 g/L。

（3）換缸周期滿足7 d/次。

（4）藥水穩(wěn)定，滿足SPS濃度中值管控要求。

3 具體計(jì)劃

3.1 自動(dòng)添加設(shè)計(jì)原理

通過構(gòu)思設(shè)計(jì)微蝕缸自動(dòng)添加系統(tǒng)，其原理如圖4所示。

圖4 微蝕自動(dòng)添加原理

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙安裝完成后，計(jì)算理論開缸濃度，投入測試使用。

3.2 自動(dòng)添加槽藥水濃度配置理論計(jì)算

3.2.1 蝕銅量計(jì)算

垂直沉銅線生產(chǎn)板按某司常規(guī)尺寸410 mm×510 mm 計(jì)算，每掛40 板（panel，PNL），微蝕量1.5 μm，計(jì)算得出每掛板微蝕掉225 g 銅進(jìn)入微蝕液，計(jì)算數(shù)據(jù)見表2。

表2 每架板蝕銅量計(jì)算數(shù)據(jù)

式中：M為質(zhì)量；ρ為密度；S為面積；H為厚度。

由式（1）可計(jì)算出每架板蝕銅量=8.96 g/cm-3×41 cm×51 cm×1.5×10-3cm×2×40=225 g。

3.2.2 SPS消耗量計(jì)算

微蝕槽藥水主要成分為SPS（Na2S2O8）和硫酸，其中起微蝕作用的為SPS，硫酸提供酸性環(huán)境。

SPS微蝕銅的反應(yīng)式如下［2］：

根據(jù)反應(yīng)式摩爾比可計(jì)算出，每掛板蝕銅量225 g時(shí)，消耗SPS量M為836 g。

3.2.3 添加槽SPS濃度設(shè)定和加藥量設(shè)定

加藥量設(shè)定的依據(jù)為，每添加VL 的新藥水，微蝕掉225 g銅時(shí)，微蝕后的藥水銅離子濃度剛好達(dá)到需要換缸時(shí)的銅離子濃度（40 g/L）。為保證過程穩(wěn)定，一般需嚴(yán)格管控，本次設(shè)定為35 g/L。因此，每次添加藥水量可按照下式計(jì)算：

式中：V為每次添加藥水體積；m為每掛板蝕銅量；c為槽液銅離子理論控制上限。

由此即可計(jì)算出每次添加藥水體積為225 g/（35 g·L-1）=6.4 L。

添加槽SPS濃度可由下式計(jì)算：

式中：C為添加槽SPS 濃度；C0為微蝕槽SPS 濃度的目標(biāo)值。

由此，可以計(jì)算出添加槽的SPS濃度目標(biāo)值=836 g/（6.4 L）+110 g/L=240 g/L。

3.2.4 硫酸濃度數(shù)據(jù)

根據(jù)式（2）可知，微蝕槽硫酸無反應(yīng)消耗，實(shí)際生產(chǎn)中只需要補(bǔ)充帶出消耗即可。

根據(jù)以上計(jì)算得出的藥水參數(shù)，設(shè)定自動(dòng)添加，再根據(jù)實(shí)際微蝕槽藥水濃度分析結(jié)果，對(duì)管控參數(shù)范圍進(jìn)行微調(diào)（平衡帶入帶出等因子的影響），即可投入正式使用。

4 方案驗(yàn)證及效果

微蝕自動(dòng)添加系統(tǒng)使用后，實(shí)際運(yùn)行效果如下。

4.1 過程加藥量

微蝕缸SPS 過程加藥量監(jiān)測14 d 數(shù)據(jù)分析如圖5所示。

圖5 微蝕缸過程加藥量數(shù)據(jù)

由圖5 可知，跟進(jìn)14 d 過程加藥量趨勢數(shù)據(jù)為：總過程補(bǔ)加藥量21 kg，加藥7 次，加藥頻率每2 天1 次，過程加藥量及加藥次數(shù)大幅度減少，解決了生產(chǎn)過程中SPS 加藥量大、溶解不充分、局部濃度高的問題，消除了微蝕過度導(dǎo)致的品質(zhì)隱患。

4.2 換缸周期

微蝕缸銅離子濃度兩周數(shù)據(jù)分析如圖6 所示。圖6 紅圈標(biāo)記處為新開缸，開缸后銅離子濃度曲線逐步上漲，達(dá)到峰值后曲線基本保持在30～ 35 g/L（≤40 g/L），穩(wěn)定性好，滿足延長換缸周期的要求。

圖6 銅離子濃度趨勢

4.3 SPS藥水濃度穩(wěn)定性

微蝕缸SPS 濃度監(jiān)測兩周數(shù)據(jù)分析如圖7 所示。由圖7 可知，曲線在中值上下波動(dòng)幅度小，穩(wěn)定性好；平均值111.8 g/L，滿足中值110 g/L 的管控要求；過程分析頻率從原來的每6h 1 次降低到每天1 次，并且取消了生產(chǎn)過程每3h 1 次的化驗(yàn)室固定開單補(bǔ)加SPS 12 kg操作。

圖7 SPS濃度趨勢

5 結(jié)語

傳統(tǒng)龍門沉銅線微蝕缸通過增加自動(dòng)加藥系統(tǒng)，改善了過程SPS 濃度的穩(wěn)定性差、換缸頻率高和過程加藥量大的問題，同時(shí)也降低了化驗(yàn)室分析頻率及過程加藥頻率，分析頻率從每6h 1 次降至每天1 次，過程加藥頻率從每天6 次降到每 2 天1 次，降低了頻繁建浴和補(bǔ)加的工作量，提高了藥水的穩(wěn)定性。