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        節(jié)約資源、降低成本,新型電鍍?cè)O(shè)備勝出的優(yōu)勢(shì)

        2019-07-08 08:05:18朱愛(ài)明劉建波江澤軍李陽(yáng)照
        印制電路信息 2019年6期
        關(guān)鍵詞:銅球粗銅鍍銅

        朱愛(ài)明 劉建波 江澤軍 李陽(yáng)照

        (昆山東威電鍍?cè)O(shè)備技術(shù)有限公司,江蘇 昆山 215300)

        1 節(jié)省銅材的意義

        1.1 我國(guó)不是富銅國(guó)

        銅是一種存在于地殼和海洋中的金屬。銅在地殼中的含量約為0.01%,根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局公布的2015年數(shù)據(jù)顯示,全球銅礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量約為70 000萬(wàn)噸(金屬噸)。

        世界銅礦資源主要集中在智利(近30%)、澳大利亞(13%多)、秘魯(近10%)等國(guó)家,我國(guó)不是富銅國(guó),約占有世界總量4.3%,位居全球第六位。我國(guó)確實(shí)缺銅,現(xiàn)在消耗的銅大部分依靠國(guó)外進(jìn)口,而銅的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界平均水平。

        1.2 銅礦的開(kāi)采、精煉和磷銅球的制作

        現(xiàn)在印制電路板(PCB)行業(yè)的電鍍銅,陽(yáng)極主要分為可溶性(磷銅球等)和不溶性(鉑金鈦網(wǎng)等)兩種,但無(wú)論哪種形式的電鍍,都離不開(kāi)高品質(zhì)的銅。為使我司研發(fā)人員能深刻了解到所研發(fā)的新型電鍍?cè)O(shè)備對(duì)社會(huì)的重大意義,2018年公司分別組織相關(guān)人員參觀安徽省一家銅礦開(kāi)采選礦廠、一家銅精礦冶煉廠和一家磷銅球生產(chǎn)制造工廠,切身了解到從銅礦分揀、礦石冶煉提純、電解銅加工、磷銅球精加工等各道主要工序,深刻體會(huì)到磷銅球的來(lái)之不易。

        銅礦的開(kāi)采:銅礦是指可以利用的含銅的自然礦物集合體的總稱,銅礦石一般是銅的硫化物或氧化物與其它礦物組成的組合體。我國(guó)銅礦中銅的含量大多在0.2%~0.7%之間,若銅含量大于0.3%就具有一定的開(kāi)采利用價(jià)值。

        銅礦的分揀:開(kāi)采得到的銅礦石要經(jīng)過(guò)多道粉碎工序,如分別采用顎式粉碎機(jī)、圓錐粉碎機(jī)、球磨機(jī)等。經(jīng)過(guò)反復(fù)篩選分揀,將礦石直徑粉碎到0.3~0.5 mm以內(nèi),以便后續(xù)能將金屬?gòu)氖现刑崛》蛛x出來(lái)。之后,經(jīng)過(guò)多道分級(jí)溢流水洗,利用金屬顆粒與石料的比重不同,分級(jí)沉淀洗滌礦石粉。經(jīng)過(guò)前面多道洗滌留下的礦石粉,最后再經(jīng)過(guò)真空脫水和干燥處理。當(dāng)?shù)V石粉料中銅含量達(dá)7.0%以上時(shí),就可以售賣(mài)給冶煉廠提煉制取粗銅。

        銅精礦冶煉:經(jīng)過(guò)選礦成為含銅品位較高的銅精礦或者說(shuō)是銅礦砂,再經(jīng)過(guò)冶煉提成才能成為精銅及銅制品。因銅的熔點(diǎn)為1083 ℃,故銅精礦冶煉的溫度要在1150 ℃~1250 ℃之間,才能制得銅含量在99%左右的粗銅。粗銅再經(jīng)過(guò)火法精煉或電解精煉而成為精銅(含銅品位99.9%以上)。目前,使用的精煉方法有兩類(lèi):(1)粗銅火法精煉,直接生產(chǎn)含銅99.5%以上的精銅。該法僅適用于金、銀和雜質(zhì)含量較低的粗銅,所產(chǎn)精銅僅能使用于對(duì)純度要求不高的場(chǎng)合;(2)電解精煉:粗銅先經(jīng)過(guò)火法精煉除去部分雜質(zhì),鑄成陽(yáng)極,再進(jìn)行電解精煉,產(chǎn)出含銅 99.95%以上的精銅。

        電解銅加工:銅電解精煉通常包括陽(yáng)極加工、始極片制作、電解、凈液及陽(yáng)極淤泥處理等工序。精銅再經(jīng)過(guò)電解處理,在陰極即可獲得銅含量高達(dá)99.99%以上的電解銅。

        磷銅球的制造:一般磷銅球的生產(chǎn)工藝包括熔煉、連鑄、軋球、拋光、清洗風(fēng)干和包裝等工序。首先將電解銅板放入電爐,在高于銅熔點(diǎn)的溫度下將銅熔化,再加入適量的三氯化磷,充分?jǐn)嚢枞劢饣旌暇鶆?,冷卻凝固結(jié)晶后先制作成一定直徑的磷銅棒,再盤(pán)成卷狀,沖斷、研磨成磷銅球。

        綜上可見(jiàn),要最終制作成磷銅球或磷銅材,除了要耗費(fèi)大量的礦產(chǎn)資源和人力成本外,還要耗費(fèi)大量的能源,同時(shí)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)還不可避免造成一定的粉塵、噪聲、空氣和水污染等環(huán)境污染。有大量的礦物廢渣、石塊被廢棄,嚴(yán)重污染環(huán)境;排放大量的廢水、廢氣、廢渣等等。介于此,在電鍍生產(chǎn)中使用節(jié)約金屬資源的優(yōu)質(zhì)設(shè)備意義是多么重大呀!

        2 新型VCP(連續(xù)垂直電鍍)鍍銅線的優(yōu)勢(shì)

        在電鍍行業(yè)中,傳統(tǒng)的手動(dòng)式或龍門(mén)式電鍍銅生產(chǎn)線對(duì)銅球的耗用量是相當(dāng)驚人的,PCB的電鍍銅也概莫能外。自PCB誕生起,電鍍銅的設(shè)備借用了五金電鍍用的“龍門(mén)式”電鍍線,雖然經(jīng)過(guò)不斷的改良: 比如提高極化能力,增加陰陽(yáng)極檔板,使用兩臺(tái)整流器分別控制線路板兩面的電流等,但總還是存在鍍層厚度的不均勻性較大這一明顯缺點(diǎn),使得許多寶貴的銅資源被白白浪費(fèi)掉了。而且鍍層厚度不均勻就不能滿足PCB的高密度、高精度、細(xì)導(dǎo)線、窄間距及微孔化、阻抗、容抗等的需要。電鍍銅作為實(shí)現(xiàn)孔金屬化互聯(lián)關(guān)鍵功能性的制程,也已經(jīng)歷多次工藝變革,由此誕生了諸多不同種類(lèi)的電鍍?cè)O(shè)備以順應(yīng)其發(fā)展之需。但是工藝再先進(jìn),最終都必須通過(guò)性能優(yōu)異的電鍍?cè)O(shè)備和電鍍藥水來(lái)實(shí)現(xiàn)其不同的產(chǎn)品品質(zhì)之需。

        2.1 新型VCP鍍銅線的鍍層均勻性

        現(xiàn)在我公司所研發(fā)生產(chǎn)的垂直連續(xù)電鍍(VCP)線進(jìn)行了改進(jìn)與提高,通過(guò)設(shè)備陰陽(yáng)極面積和距離、適當(dāng)?shù)母叨?、陰?yáng)極遮板、陰極浮板的合理形式和適當(dāng)高度,以及銅槽藥液噴流循環(huán)方式和陰極導(dǎo)電方式等的有機(jī)組合,來(lái)實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品品質(zhì)最佳化的目的,再配上合適的藥水,獲得鍍層厚度均勻性極佳,使得鍍同樣厚度的銅能達(dá)到節(jié)約銅的效果。由于鍍銅的均勻性好,使得蝕刻的失真或局部過(guò)蝕刻異常有了極大的改善,對(duì)制造有阻抗要求的PCB產(chǎn)品也減少了阻抗值誤差。

        我們對(duì)新型VCP鍍銅線進(jìn)行電鍍均勻性試驗(yàn),試樣為尺寸500 mm×600 mm覆銅板,銅箔厚為18 μm,共5片。在新型VCP線鍍銅,目標(biāo)電鍍層厚度25 μm,設(shè)定生產(chǎn)條件3.2 A/dm2、38 min。鍍完后每塊板正反兩面各測(cè)固定位置的50個(gè)點(diǎn)(量測(cè)點(diǎn)距板邊10 mm之內(nèi)均布),獲得量測(cè)銅厚數(shù)據(jù)。

        每一片基板鍍完銅后厚度量測(cè)數(shù)據(jù)從略,匯總分析5片板的厚度數(shù)據(jù),差異值見(jiàn)表1(銅厚數(shù)據(jù)包括基材上18 μm的底銅)。

        由表1數(shù)據(jù)可見(jiàn),5片板500個(gè)數(shù)據(jù),無(wú)論是每片板兩面的極差還是5片板總的極差,均小于5 μm;且A面平均值和B面平均值僅相差0.35 μm。這些數(shù)據(jù)充分說(shuō)明:VCP線所電鍍生產(chǎn)的板銅厚極差小、均鍍能力極佳!

        2.2 新型撓性板卷對(duì)卷鍍銅線

        我司最新研發(fā)的撓性板卷對(duì)卷鍍銅線,由于采用陰極特殊的夾膜和垂直穩(wěn)定移動(dòng)方式,鍍層均勻性更加理想可靠。如基材銅箔厚度是12 μm,要求鍍銅厚度12 μm。生產(chǎn)條件:電流密度4.0 A/dm2,傳動(dòng)速度1.5 m/min,電鍍時(shí)間16 min。正反兩面分別量測(cè)兩組各34個(gè)點(diǎn)銅厚數(shù)據(jù),每組銅厚度量測(cè)數(shù)據(jù)從略,四組數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表2。

        從上表分析的數(shù)據(jù)可見(jiàn),撓性板卷對(duì)卷電鍍線的鍍銅均勻性又遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于VCP線。

        3 VCP線與傳統(tǒng)龍門(mén)式電鍍線在鍍層均勻性及經(jīng)濟(jì)性比較

        3.1 在鍍銅方面經(jīng)濟(jì)社會(huì)性的比較

        傳統(tǒng)龍門(mén)式電鍍線的鍍層極差單面一般就是10~12 μm,而VCP電鍍線鍍層總極差一般是5 μm以內(nèi)。假設(shè)兩種線的極差就是6 μm,則板子雙面的極差值就達(dá)到12 μm了。

        若以單面少鍍6 μm厚的銅計(jì),1 m2可節(jié)省的用銅量理論值就是:

        100×100÷0.9×(0.0006×2)×8.9=118.7g (其中0.9是材料利用率、邊框等)

        月產(chǎn)1萬(wàn)平方米就能節(jié)約用銅1187000g(1.187噸),一年就可節(jié)省銅(1.187×12)=14.244噸。

        若按照銅礦石含銅量為0.3%計(jì),則每年至少可以少開(kāi)采礦石14.244/0.3%=4748噸。

        表1 VCP鍍銅線銅厚度數(shù)據(jù)分析(單位μm)

        表2 卷對(duì)卷鍍銅線銅厚度量測(cè)數(shù)據(jù)分析(單位:μm)

        據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)年產(chǎn)印制電路板共約2億平方米,假設(shè)雙面、多層板均是1億平方米,如果用VCP線鍍銅每平方米就可節(jié)約100 g銅,則一年可節(jié)約用銅10 000噸,其經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益不可估量!

        3.2 貴金屬鎳、金的VCP線優(yōu)勢(shì)

        我司的VCP線不僅在鍍銅方面被大量應(yīng)用,已經(jīng)獲得可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,在VCP鍍鎳金線上節(jié)省貴金屬鎳、金的效果也很明顯。今后若在PCB業(yè)界推廣使用,所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值將更高。

        我國(guó)印制電路板的年產(chǎn)2億平方米中約有45%~50%的產(chǎn)品后處理為板面鍍金(包括化學(xué)鍍、電鍍金、金手指鍍金等),一年消耗金鹽量就約為63~100噸。

        分別以目前PCB業(yè)界常用的電鎳金線和我司新開(kāi)發(fā)的VCP電鍍鎳金線,生產(chǎn)同樣的電鍍鎳金產(chǎn)品做比較,收集數(shù)據(jù)見(jiàn)表3(客戶要求鍍金層厚度0.787 μm~0.965 μm)。

        對(duì)用戶而言,既能少鍍(0.933364—0.839894)=0.0935 μm的金,又能達(dá)到客戶的要求,其所節(jié)約的成本是極為可觀的。

        1 m2可節(jié)省的用金量就是:

        100×100÷0.9×(0.0935/10000×2)×19.32=4.01427 g(其中0.9是材料利用率等)

        假若每月鍍金面積1萬(wàn)平方米就能節(jié)約用金40142.7 g(40.1427 kg),一年就可省金(40.1427×12)=481.7124 kg。

        4 結(jié)論

        以上所述新型基于陰極垂直穩(wěn)定移動(dòng)技術(shù)的VCP線,以及基于陰極特殊的夾膜和垂直穩(wěn)定移動(dòng)技術(shù)的撓性板卷對(duì)卷電鍍線,節(jié)約銅、節(jié)約貴重金屬的效果相當(dāng)明顯,對(duì)節(jié)能的貢獻(xiàn)很大。我們PCB行業(yè)有許多線路板產(chǎn)品是外銷(xiāo)的,當(dāng)然這一方面是各企業(yè)努力的結(jié)果,占領(lǐng)了國(guó)際市場(chǎng);但從另一個(gè)角度來(lái)解讀,就是國(guó)外企業(yè)在使用我國(guó)有限寶貴的金屬資源。不要說(shuō)我國(guó)不是富銅資源國(guó)家,即使是富銅國(guó),也應(yīng)該合理的節(jié)約使用才對(duì)。

        表3 兩種鍍金線金厚數(shù)據(jù)(單位: μm)

        用經(jīng)濟(jì)合理的耗材,獲得符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品,這是新型VCP線和卷對(duì)卷線的最大優(yōu)勢(shì)。對(duì)用戶而言,是降低了材料成本,對(duì)社會(huì)的貢獻(xiàn)是節(jié)約了大量寶貴的很難以再生的資源。大自然饋贈(zèng)給我們的資源是用一點(diǎn)就少一點(diǎn),若要再生長(zhǎng)出來(lái),不知又要經(jīng)過(guò)多少個(gè)世紀(jì)滄海桑田的演變呢!

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