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探析酸性蚀刻线的补充及溢流系统改造方法

PCB 的图形蚀刻大致分为碱性蚀刻及酸性蚀刻两种,由于外层传统的碱性蚀刻需要电镀铅锡、流程比较复杂等原因,酸性蚀刻逐渐取代碱性蚀刻。
  对比国外环保要求较高,酸性蚀刻多采用双氧水体系,而国内的酸性蚀刻倾向于安全性比较高的氯酸钠,盐酸体系。
  但采用以上体系,在比例等控制不好时,偶尔会产生氯气等物质,容易造成环保污染及药水浪费等,因此通过对旧有设备进行新改造,有助于巩固清洁生产的一些成果,推进节能,降耗,减排,增效的思想。
  二.现有酸性蚀刻机及管道系统分析
  1.蚀刻的化学反应原理
  直接蚀刻铜的为氯化铜,过程生成的氯化亚铜被氯酸钠氧化为氯化铜,恢复其氧化性能。过程中氯酸钠与HCL 会发生副反应生产氯气。特别是氯酸钠浓度偏高时,更加明显。
  2.现有酸性蚀刻机简介
  现有的酸性蚀刻由于年限比较久远,最新的改造也有好几年,当时对于环保节能等的概念引入并无现有强烈,对此我们比较深入的剖开酸性蚀刻机的结构。


  从结构看,现有的蚀刻机与近年最新推出的蚀刻机器比较,从蚀刻单元来看,多数新的蚀刻机都有预蚀,主蚀,补蚀等功能单元,主蚀压力独立控制等。传送滚轮规避喷嘴药水直射方向等。机器管道密封性能良好,控制系统比较先进,例如装备著名的药水系统控制商AQUA 公司的控制器,能够通过预投药及先进的PID 比例-积分-微分控制器,比较稳定的控制药水的浓度, 比重等各个因素,预投料功能即可与GENESIS 系统直接关联也可用类似与制作电流指示一样输入残铜率,有效减少多投等问题,同时提高药水利用率及稳定性。当然设备异常昂贵,单控制器就要8-9 万USD, 设备投资成本太高。我们着力于通过自身的改造以达到我们节能减排清洁生产的目的。从补偿系统,管道系统,溢流系统等做比较深入分析。
  3.缸体结构剖析
  解读酸性蚀刻缸是一件比较复杂的事情,其中东西比较多,有点辩证唯物主义的意味,主要是因为这三个缸的关系即有保持联通又不能流量过大,核心在于保持一个浓度差及变化量,酸性蚀刻机蚀刻线分为三个缸,三个缸在底部有三个连通口,药水可以在液位不平衡时自由流动

  4.大致的具体结构及生产过程如下:
  板件依次进入第一,二,三缸后进入补蚀段, 生产过程在第一个缸到第二个缸之间大量反应,后经过过滤循环后回到第二,三个缸,三个缸的流动按照目前的三级水洗的原理进行逐级溢流到第一个缸。药水在这一过程不断添加,在充分混合一二个缸充分混合补充该区域大量消耗。
  过滤泵开启后从第1 个缸抽取药液,之后回流到第2,3 缸,使第3 缸通过下部的连接口流到第1 缸中去,目前仅开回流到第三缸的阀门,即
  第一个缸的液位平衡,主要是从二缸过来的F2-1 和氧化剂补充B1。
  连通口1的流量F2-1 + B1= 过滤F 进-----------------------------(1)
  第二个缸的液位平衡,主要是从三缸过来的F3-2 ,盐酸补充,过滤出口,减去溢流:
  连通口2 的流量F3-2 + 盐酸补充H+ 过滤出口F出1- 溢流L= F2-1-----------------(2)
  第三个缸的液位平衡,
  1) 过滤出口F出2+ 氧化剂补充B2 = F3-2--------------------------------------(3)
  溢流L的量等于补充的量:
  溢流L=氧化剂补充B2 + 氧化剂补充B1+盐酸补充H--------------------------------(4)
  要实现补偿蚀刻的回流不进入第一二个缸体,从而使F2-1=F 进流动不减弱,回流正常,需要关闭一二缸的阀门。

  5.其他蚀刻线分析参考
  某公司最新生产线的设计特点为:
  补充情况为:二厂蚀刻线三种补充液加上蚀刻液一起混合入真空混合器,在泵出来进入第一二个缸的前部。这样也是避开线路形成期波动的问题,减铜线为氧化剂,HCL 独立添加在主蚀刻缸前部。循环系统为:第一个缸流向第二个缸再经过混合及过滤。后进入第一个缸。溢流系统在:两者都是主蚀刻缸溢流在前部。

  三. 结构分析对应的可尝试改造的方向:
  1.目前的过滤系统是从第一缸抽出后过滤杂物后进入第二三个缸,主要在于第一个缸反应最激烈,杂物最多,所以进行过滤。过滤后进入后面的第二,三个缸, 使后面的药水,逐渐往前流,这样后面的缸,始终是第三缸比第二缸清洁,第二缸又比第一缸清洁,这样就能有效地减少铜点,短路等等问题。
  尝试改造:强化液位作用,保证类似三级水洗作用,目前过滤后进入第二三个缸,后续可以结合补充系统的设计试验全部进入第三个缸中。这样可以有效提高第三个缸的流动F3-2。
  2.目前的溢流系统在第二缸,这样的主要是离盐酸补充H很近,同时部分F出1新过滤的药水进入二缸的部分被排掉也很浪费。
  若改在第三个缸过滤后的药水整体比较干净,溢流掉会比较可惜,也起不到废液排掉减少杂质的作用。
  铜离子浓度对比其他两个缸累积多,对于比重稳定性有直接关系, 对于药缸我们需要保持蚀刻掉的铜与溢出的铜平衡,才能做稳定控制线宽等。
  尝试改造:根据溢流的原理和实际的反应原理,第一个缸的药水,反应有效物质最少,生产物多,杂物等在蚀刻第一个缸溢出最好,比重稳定性也好,溢出位置位于最前端。

  3.目前的药水补充系统是盐酸补充进入第二个缸中,氧化剂进入第一,三个缸中,有意分开补充的原因在于两种药水会反应,耗损掉生成氯气等。药水补充体系添加落在三个缸中,盐酸落在第二个缸,一个氧化剂落在第一个缸,这样的补充符合:
  第一缸反应负载〉第二缸反应负载〉第三缸反应负载
  同时第三缸主要是形成线路期,所以不太适合于加入大量的新鲜的HCL补充药液,这样补充前后造成的线路波动可能很大。
  尝试改造:补充管道位置进行细化。保证管口距离50cm 以上的原则,根据以下比重:
  表二,各补充物质比重
  HCl 补充剂 氧化剂补充剂 蚀刻液
  比重(g/ml)  1.10-1.15  1.15-1.21 / 26  1.285
  制定补充的深浅位置,以提高有效循环。盐酸,深埋入水面。氧化剂半埋在水下。考虑到可能造成的虹吸现象,埋入水面管道都采用单向阀。
  另根据出口阀门,将补充管道安置:
  如过滤出口边缘,连通口附近。这些位置由本身动力促使其循环。

  四. 改造后的效果大致情况:
  1)药水降低耗用:埋入缸底,减少HCl 的挥发。
  从8 月开始改进后看,各月的耗用曲线向下,整体耗用减少,改造前后的平均值由1.97 Kg/m3 减少到1.85 Kg/m3。即每平米线路板减少0.12Kg 盐酸。
  2)提升控制稳定性。对应控制稳定性方面主要是线宽的波动的影响等指标,目前大致的情况如下:
  每月阻抗不良的批次都比较稳定控制。
  3)提升质量:提高缸的洁净程度,减少铜点等。
  从改善以来的铜点短路情况看,同时加强日常控制后,整体铜点短路情况比较良好,有逐月下降的趋势。
  4)环保效果
  经过改造后减少了异常出现的氯气产生的严重程度,结合其他相关控制措施,目前氯气得到比较有效控制,整体气味发生率相比以前有比较明显减少。

 

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