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

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

        朱愛明 劉建波 江澤軍 李陽照

        (昆山東威電鍍設(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 我國不是富銅國

        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)資源儲量約為70 000萬噸(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%)等國家,我國不是富銅國,約占有世界總量4.3%,位居全球第六位。我國確實缺銅,現(xiàn)在消耗的銅大部分依靠國外進口,而銅的生產(chǎn)成本遠遠高于世界平均水平。

        1.2 銅礦的開采、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,但無論哪種形式的電鍍,都離不開高品質(zhì)的銅。為使我司研發(fā)人員能深刻了解到所研發(fā)的新型電鍍設(shè)備對社會的重大意義,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,深刻體會到磷銅球的來之不易。

        銅礦的開采: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%就具有一定的開采利用價值。

        銅礦的分揀:開采得到的銅礦石要經(jīng)過多道粉碎工序,如分別采用顎式粉碎機、圓錐粉碎機、球磨機等。經(jīng)過反復(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)能將金屬從石料中提取分離出來。之后,經(jīng)過多道分級溢流水洗,利用金屬顆粒與石料的比重不同,分級沉淀洗滌礦石粉。經(jīng)過前面多道洗滌留下的礦石粉,最后再經(jīng)過真空脫水和干燥處理。當?shù)V石粉料中銅含量達7.0%以上時,就可以售賣給冶煉廠提煉制取粗銅。

        銅精礦冶煉:經(jīng)過選礦成為含銅品位較高的銅精礦或者說是銅礦砂,再經(jīng)過冶煉提成才能成為精銅及銅制品。因銅的熔點為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:(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)精銅僅能使用于對純度要求不高的場合;(2)電解精煉:粗銅先經(jīng)過火法精煉除去部分雜質(zhì),鑄成陽極,再進行電解精煉,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極加工、始極片制作、電解、凈液及陽極淤泥處理等工序。精銅再經(jīng)過電解處理,在陰極即可獲得銅含量高達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,在高于銅熔點的溫度下將銅熔化,再加入適量的三氯化磷,充分攪拌熔解混合均勻,冷卻凝固結(jié)晶后先制作成一定直徑的磷銅棒,再盤成卷狀,沖斷、研磨成磷銅球。

        綜上可見,要最終制作成磷銅球或磷銅材,除了要耗費大量的礦產(chǎn)資源和人力成本外,還要耗費大量的能源,同時各生產(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

        在電鍍行業(yè)中,傳統(tǒng)的手動式或龍門式電鍍銅生產(chǎn)線對銅球的耗用量是相當驚人的,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“龍門式”電鍍線,雖然經(jīng)過不斷的改良: 比如提高極化能力,增加陰陽極檔板,使用兩臺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,使得許多寶貴的銅資源被白白浪費掉了。而且鍍層厚度不均勻就不能滿足PCB的高密度、高精度、細導(dǎo)線、窄間距及微孔化、阻抗、容抗等的需要。電鍍銅作為實現(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的電鍍設(shè)備以順應(yīng)其發(fā)展之需。但是工藝再先進,最終都必須通過性能優(yōu)異的電鍍設(shè)備和電鍍藥水來實現(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)線進行了改進與提高,通過設(shè)備陰陽極面積和距離、適當?shù)母叨?、陰陽極遮板、陰極浮板的合理形式和適當高度,以及銅槽藥液噴流循環(huán)方式和陰極導(dǎo)電方式等的有機組合,來實現(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蝕刻異常有了極大的改善,對制造有阻抗要求的PCB產(chǎn)品也減少了阻抗值誤差。

        我們對新型VCP鍍銅線進行電鍍均勻性試驗,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固定位置的50個點(量測點距板邊10 mm之內(nèi)均布),獲得量測銅厚數(shù)據(jù)。

        每一片基板鍍完銅后厚度量測數(shù)據(jù)從略,匯總分析5片板的厚度數(shù)據(jù),差異值見表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,5片板500個數(shù)據(jù),無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 新型撓性板卷對卷鍍銅線

        我司最新研發(fā)的撓性板卷對卷鍍銅線,由于采用陰極特殊的夾膜和垂直穩(wěn)定移動方式,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,傳動速度1.5 m/min,電鍍時間16 min。正反兩面分別量測兩組各34個點銅厚數(shù)據(jù),每組銅厚度量測數(shù)據(jù)從略,四組數(shù)據(jù)匯總見表2。

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

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

        3.1 在鍍銅方面經(jīng)濟社會性的比較

        傳統(tǒng)龍門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到12 μm了。

        若以單面少鍍6 μm厚的銅計,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,則每年至少可以少開采礦石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 卷對卷鍍銅線銅厚度量測數(shù)據(jù)分析(單位:μm)

        據(jù)不完全統(tǒng)計,目前我國年產(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)濟效益、社會效益不可估量!

        3.2 貴金屬鎳、金的VCP線優(yōu)勢

        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)濟和社會效益,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)濟價值將更高。

        我國印制電路板的年產(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)見表3(客戶要求鍍金層厚度0.787 μm~0.965 μm)。

        對用戶而言,既能少鍍(0.933364—0.839894)=0.0935 μm的金,又能達到客戶的要求,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)定移動技術(shù)的撓性板卷對卷電鍍線,節(jié)約銅、節(jié)約貴重金屬的效果相當明顯,對節(jié)能的貢獻很大。我們PCB行業(yè)有許多線路板產(chǎn)品是外銷的,當然這一方面是各企業(yè)努力的結(jié)果,占領(lǐng)了國際市場;但從另一個角度來解讀,就是國外企業(yè)在使用我國有限寶貴的金屬資源。不要說我國不是富銅資源國家,即使是富銅國,也應(yīng)該合理的節(jié)約使用才對。

        表3 兩種鍍金線金厚數(shù)據(jù)(單位: μm)

        用經(jīng)濟合理的耗材,獲得符合質(zhì)量標準的產(chǎn)品,這是新型VCP線和卷對卷線的最大優(yōu)勢。對用戶而言,是降低了材料成本,對社會的貢獻是節(jié)約了大量寶貴的很難以再生的資源。大自然饋贈給我們的資源是用一點就少一點,若要再生長出來,不知又要經(jīng)過多少個世紀滄海桑田的演變呢!

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