碱性蚀刻线产能倍增方法的研究和实施

刘 东 罗红军 朱 拓（深圳崇达多层线路板有限公司，广东 深圳 518132）

碱性蚀刻线产能倍增方法的研究和实施

Paper Code: S-072

刘 东 罗红军 朱 拓
（深圳崇达多层线路板有限公司，广东 深圳 518132）

随着人工、物料等各方面成本的不断攀升，如何降低印制电路板的制造成本升级成为各工厂的头等大事。本文以碱性蚀刻线的产能提升为例，从原料、设备、参数、流程等方面的优化出发，寻求提高产量，降低人工、水、电、房租等固定成本分摊的方法，经过实施优化措施，使得碱性蚀刻线的产能提升一倍左右，综合运作成本大幅下降。

产能；成本；碱性蚀刻

1 前言

根据国家发展规划，工资每五年翻番，每年的工资涨幅会在10%～15%之间，从工资占销售收入10%计算，当工资翻番后，会达到20%的水平，如果不进行改革和提升，对于一些只有几个点的利润的工厂来说，将会面临亏损乃至破产的境地。进行产业升级，提高产品附加值，是一条比较可行的方案，但这需要大量的研发投入以及进行设备更新换代，需要花费大量的资金才能达成，这样的事情并不是每个工厂都可以实现的。而通过提升工作效率降低制造成本则是一种低投入高产出的途径，它可以相对轻松地解除人工上涨的负担，从而是为印制电路板制造工厂创造效益。

2 原理

只要将碱性蚀刻线的运行速度提高一倍，就可以实现产能的倍增，原来开两条生产线才能满足产能需求的，现在只需开一条生产线即可，人员配置可以少一半、水电费用均可节约，从而整体运作成本可以大幅下降。但是，要实现这个目标，并非容易。碱性蚀刻线通常是水平线，它包含褪膜、碱性蚀刻、除钯、褪锡等处理步骤，每个步骤的处理程度和强度必须足够才能保证产品的品质，我们从以下几个方面进行入手提升产能。

2.1 生产参数优化

温度、浓度与处理时间大概地成反比关系，提升温度和浓度，可以缩短处理时间，从而提升产能。生产参数优化，是最方便、成本最低的产能提升方法；

2.2 设备能力优化

设备本身的耐高温能力、喷射压力大小、烘干能力大小，也决定了蚀刻线的产能，需对这几个方面进行能力提升，才能配合好参数的优化进行产能提升；

2.3 原料配置优化

不同的原料的能力也各不相同，如褪膜液和除钯液，不同供应商的药水可以有一倍至数倍的差异，优选出最佳的原料一点也不会比设备能力优化对产能提升的贡献小，这需要一个工厂有很好的原料行业调查和鉴别能力，这需要耗费较长时间的评估测试。

3 分析内容

表1 目前碱性蚀刻线的最大处理速度

3.1 现状分析

要提升碱收蚀刻线的产能，就必须分析碱收蚀刻线的现状，从而知道瓶颈在哪里，这样才能够有的放矢地进行分析和提升。依据缸体的有效长度和药水最短处理时间，可以推算出各个缸体能跑的最大处理速度，从而推算出各段的月产能。此处以我公司的计算方法为例；不同工厂的计算不尽相同，在此不详细列举计算方法。具体如下表1所示。

从上面的现状分析可以得出，褪膜、除钯、褪锡均是蚀刻线的瓶颈段，需要进行大幅提升，蚀刻段也需要进行提升，才可以满足产能倍增的目标。

3.2 褪膜段的优化

3.2.1 优化原料配方提升褪膜速度

干膜嵌于二铜的线路之间，褪膜的好坏，直接影响蚀刻品质，从而导致褪膜不净或夹膜问题。褪膜药剂有很多种类，总体可以分为有机碱和无机碱两大类。

无机碱通常是烧碱，烧碱与干膜的反应过程如式（1）所示。

烧碱褪膜有成本低廉的优点，缺点也很明显，因为锡是两性物质，可以被烧碱溶解，对于多次褪膜返工、或者是孔壁粗糙位锡镀层比较薄，则很容易导致蚀刻时锡无法保护铜而导致孔无铜问题，在生产过程要严加管控。烧碱的褪膜过程是靠其对干膜的反应后溶涨从而导致其脱落的，所以其剥落下来的膜渣是成大片状的，很易过滤；但对于小于80微米的细小线间距位置的干膜，溶涨后的干膜却很容易卡在原来的位置，导致这些位置蚀刻不净。如在烧碱褪膜液中加入可破碎干膜渣的醇类物质，经测试，却会导致褪膜速度下降，说明这条路径无法走通。

有机碱褪膜液的成份相对要复杂些，它由醇胺类化学物质构成，与干膜的反应过程如式（2）的方程式所示。

有机碱褪膜液的褪膜速度与烧碱接近，而它可以将膜渣粉碎成较细小的颗粒，对于精细间距位置的褪膜也很有效。褪膜药水分解干膜后形成的膜渣大小，也会对最终品质造成影响，膜渣太大，易卡在两条线路之间不出来，蚀刻时和没有褪膜的效果是一样的，都是短路；膜渣太小，则膜渣在溶液中漂浮，不易过滤出来，膜渣会和褪膜药水继续反应，成倍地消耗褪膜药水，成本大幅上升，而且膜渣还会反粘在线路上，对蚀刻品质造成影响。通常情况下，膜渣宽度的大小控制与最小线间距有关，膜渣宽度控制在最小线间距的30%～80%为宜。并且，正片法生产时，还需考虑褪膜药水对锡面的攻击性，攻击力大的药水会导致锡面被腐蚀，从而导致孔无铜、铜面蚀穿等问题并且，有机碱褪膜液对锡的攻击只有烧碱的几份之一至几十份之一，使用的可靠性高。

图1 印制电路板图形电镀后各镀层及线间距示意图

对比烧碱和有机碱褪膜液在不同温度下的褪膜速度变化，可以发烧碱在通使用温度（45 ℃）时比有机碱的褪膜速度快约15%，但随着温度的不断升高，烧碱的褪膜速度上升没有有机碱快，当升至55 ℃时，有机碱褪膜液的褪膜速度已经比烧碱快5%了，二者的褪膜速度变化如图2。

图2 烧碱和有机碱褪膜液在不同温度下的褪膜速度变化示意图

另外，烧碱在提高温度和浓度的情况下，对锡面的攻击均会成倍地增加，所以采用烧碱提升褪膜速度的方案是不可行的。所以，我们对有机碱进行了深入的评估。

在实验室中评估褪膜液的能力，成本会比较低，无需使产品冒着不可控的品质风险，并且速度快，调整也快，具体实施过程如下：

（1）实验方法：测试不同配方的褪膜液在通常条件下的褪膜点

（2）实验步骤：分别配置要求浓度的褪膜液→加热至规定温度→将准备好的测试板浸入褪膜液中→开启磁力搅拌→当干膜彻底从板上脱落时，分别记下对应的反应时间

（3）实验结果：如表2所示。

现用褪膜液为D，相比之下，褪膜液A可以提升18%的速度，并且褪膜后形成的膜渣大小适中，适宜过滤；高速的褪膜液，可以降低夹膜报废的风险。故单从速度方面考虑，褪液A是最佳选择。

褪膜液的性能除了考虑褪膜速度，还需考虑溶锡量的高低，溶锡量的高低直接决定了对锡面的攻击力强弱，所以溶锡量越小越好，这样即使多次褪膜返工也可以将孔无铜的风险降到最小。褪膜液的溶锡量测试如下所示：

（1）实验方法：测试不同褪膜液在最佳条件下对锡面的攻击能力

（2）实验步骤：将测试板在132 ℃烘干10 min，称重→分别配置要求浓度的褪膜液→加热至规定温度→浸入褪膜液中10 min→浸泡完后用DI水清洗，并在132 ℃烘干10 min，称重

（3）实验结果：不同配方的褪膜液的溶锡量大小如表3所示。

综合考虑，褪膜液A是最佳的选择，它可以兼顾褪膜速度和溶锡量。

表2 不同配方的褪膜液在通常条件下的褪膜点

表3 不同配方的褪膜液在通常条件下的褪膜点

3.2.2 优化生产参数提升褪膜速度

生产参数的调整，和不同供应商的配方是密不可分的，所以，当我们锁定优选好的配方之后，再进行参数的最优化，就可以获得最大的产能提升幅度。以下从温度和浓度两个方面的因素进行研究如何提升褪膜速度。具体测试方法如下所示：

（1）实验方法：测试褪膜液在不同温度和浓度下的褪膜点

（2）实验步骤：分别配置要求浓度的褪膜液→加热至规定温度→将准备好的测试板浸入褪膜液中→开启磁力搅拌→当干膜彻底从板上脱落时，分别记下对应的反应时间

（3）实验结果如图3所示。

图3 不同温度和浓度下的褪膜时间

从测试结果中可以看出，8%的浓度、50 ℃时，褪膜时间为41 s，而20%的浓度、60 ℃时，褪膜时间为21 s，速度提升了近一倍。当然，浓度提升了一倍，物料的带出量也跟着倍增，消耗量也会相应增加一倍，这需要考虑综合成本的最低化。但从另一个角度看，单从参数入手，仍是有大量的空间可以优化的。

3.2.3 优化设备能力提升褪膜速度

温度的提升如超过设备的工作极限，可能会对设备造成致命的伤害。如行辘、管道采用PP材料时，其工作极限通常就是60 ℃，在此温度下，会发生变形，需要对设备进行改造设计，升级相关备件的材料，以提升其耐温性。这样就可以突破温度的限制，在60 ℃以上的工作温度运行。

喷射压力的大小与褪膜能力成正向关系，大的压力，可以冲脱附着在线路间的干膜，利于褪膜的进行。所以，高压喷射褪膜与浸泡方式褪膜相比，可以大幅提高褪膜速度。这种优化设计，在评估阶段很难把握采用多大的压力参数，因为一方面它无法采用模拟的方式模拟出喷射压力的大小与褪膜能力之关的关系；另一方面，也无法用方程式的方式计算出。可行的方式是根据实验的结果拿到所需的压力参数，而借用其他工厂的成功经验也是一方面考虑。为此，我们设计了一个小型的垂直喷射槽，模拟在生产线中的工作状态，测试在不同压力下的褪膜时间变化，具体如图4所示。

图4 不同喷射压力下的褪膜时间

从测试结果看，褪膜压力与褪膜时间之间为近似线性关系，但随着压力加大，褪膜时间稍呈减速的趋势。结合改造成本与运作成本，可以选择出褪膜压力的理想参数区域。

综上所述，为实现褪膜速度倍增的目标，可以采用以下的组合手段：

（1）优选褪膜液，提升18%的速度

（2）优化生产参数，提升50%～60%的速度

（3）优化喷射系统，提升30%～40%的速度

（4）总提升为：1×118%×150%×130%=2.3 倍

3.3 除钯段的优化

（1）优化原料配方来提升除钯速度

除钯过程，实际是对沉铜时沉积在无铜孔内的剩余钯的活性进行中毒处理，使得化镍金时这些无铜孔位置不会沉积上镍/金层。钯的活性，其实在自于一个个钯团的中心处的钯的活性，钯团的大小决定了除钯（钯中毒）的困难程度，要去除钯的活性，两个层面的问题需要考虑：一方面是“矛”的强度，即除钯药水的毒性强度和渗透力，决定了最终结果；另一方面是“盾”的强度，即钯团的大小，大的钯团，钯团中心处的钯原子不易被除钯药水中毒，部份活性被保留了下来，从而仍有催化镍反应的功能而导致无铜孔上镍金。钯团的结构如图5所示。

图5 钯团的结构示意图

除钯效果的评估，则不像褪膜那样直接和直观，除钯效果并不能经称量出来或者从外观判断而得；并且除钯还只是一个中间过程工序，最终走到化镍金流程前，还有好几个工序要完成才可，用生产板进行不同配方的评估，也是十分冒险的行动，一不谨慎就会导致大量的返工或报废。比较可行的方法，是用测试模块来模拟，在测试模块上制造出大量孔壁比较粗糙的孔，沉铜后蚀掉这些铜模拟成无铜孔，用不同配方的除钯药水、以及不同的除钯时间进行，分别观测每组测试模块的化镍金后的无铜孔上金情况来判断除钯药水的除钯能力。这种评估方法，与上述的褪膜液的评估相似，在此不再叙述了。经测试，只用硫脲的配方除钯时间为50 s；配方C除钯液需除钯时间30 s；配方H除钯液只需除钯时间20 s，从而得出优选的配方。故，我们优选了配方H的除钯液，相比配方C，产能提升33%

钯团的大小的评估，其实每个PCB工厂在引入沉铜药水时就需考虑的课题之一，多数工厂会根据最终生产板在化镍金后无铜孔上金的问题大小来考量沉铜药水的性能。这个评估过程，通常更趋向于综合考量沉铜药水的整体性能表现，而不会侧重在无铜孔上金的问题上。另外，随着药水的使用，钯团之间也会聚集从而形成复合钯团，使得除钯变得困难，所以沉铜钯液的稳定性，是药水性能的一个重要指标。配方R钯液的最短除钯时间为20秒，而配方A钯液的最短除钯时间5秒钟就足够，这种差异是十分大的。而同样配方R的钯液，新缸时所需的除钯时间也比即将换缸时要短30%。

（2）优化生产参数提升除钯速度

除钯液由相对稳定的物质构成，这些物质并不会在较高温度下分解，所以，提升工作温度是相对经济可行的方案，故将工作温度提升了10 ℃～ 15 ℃；另外，将除钯液的开缸浓度也提高了20%。在这种条件下，经测试，除钯速度最少可以满足提升45%（即1.45倍）的需求。

（3）优化设备能力提升除钯速度

除钯提速，光靠上面两个方案是不能满足需求的。正好，在除钯段前，有一个长度约1米的酸洗段（蚀刻后，经过水洗，再到这个酸洗缸）， 可以延长除钯时间1.8倍，将它改造成除钯缸、与现有的除钯缸整合成一个整体，所有的问题就全部迎刃而解了，而且还可以修正前面的生产参数优化的结果，以达到综合成本最优的水平。

（4）综上所述，为实现除钯速度倍增的目标，可以采用以下的组合手段

①优选褪膜液，提升33%的速度

②优化生产参数，提升30%的速度

③优化设备能力，提升80%的速度

④总提升为：1×133%×130%×180%＝3.1 （倍）

3.4 蚀刻段的优化

蚀刻缸中的主要成份有NH3H2O、NH4Cl、Cu(NH3)4Cl2，蚀刻过程和再生过程均在不断地发生，其中蚀刻的反应方程式如下所示：

再生过程的反应方程式如下所示：

根据反应原理可知，影响蚀刻速度的因素有以下：

（1）铜离子浓度（通过比重控制）：铜离子浓度低（即比重小时），则蚀刻速度快，但对线路的侧蚀也加大；反之，则慢，对侧蚀也变小。最佳值控制在90 g/L ～ 125 g/L之间。

（2）氯化铵浓度（通过氯离子控制）：高氯离子含量时，蚀刻速度变快，但超过一定的量，会有锡面被侵蚀的风险；低于140 g/L时，蚀刻速度会很慢。故氯离子常控制在160 g/L ～ 175 g/L之间。

（3）氨水的浓度（通过pH值控制）：pH值高，则蚀刻速度变快；pH值低，则蚀刻速度变慢。pH值8.9时与8.3时相比，蚀刻速度相差达一倍。太高的pH值，一方面需控制蚀刻液中氨水的浓度在很高的水平，则氨水挥发大大加快，运行成本变高；另一方面，过高的pH值会导致线路的侧蚀量变大，不利于精细线路的制作，所以pH值常控制在8.3～9.0之间，可以兼顾速度和品质两方面的要求。

（4）温度：通常控制在45 ℃ ～ 50 ℃，当温度升至60 ℃时，蚀刻速度会升高50%以上，且因蚀刻时间变短，故侧蚀量也会变小，但氨水的挥发也增加，需补充大量的氨水才能保持药水成份的稳定，运行成本明显升高。

（5）喷淋压力：高的喷淋压力，代表着蚀刻溶液在印制电路板上进行物质交换的速度也在加快，故蚀刻速度也在变快，而且带来的好处是侧蚀量也变小，利于精细线路的制作。真空蚀刻和垂直蚀刻技术的出现及应用就是基于这样的背景。

事实上，不仅仅是喷淋压力，保养质量、保养频率、喷嘴设计、喷淋高度、喷淋角度，均会对蚀刻品质和速度造成很大的影响，需要进行综合优化，才能得到最佳的结果。

我公司的碱性蚀刻线原是一条厚铜板的生产线，蚀刻段的产能相对较大，蚀刻段的产能离整体产能倍增的目标只有5%的差距，相对较容易实现。我们采用的组合方式如下：

（1）提高蚀刻设定温度2 ℃；

（2）将喷淋压力调整至设备能力上限值；

（3）pH值控制收窄至偏上限，在8.6～9.0之间。

3.5 褪锡段的优化

因为褪锡段在蚀刻线的尾端，可以很方便地进行改造，直接增加一个褪锡段，将烘干段也一并改造并整体向后延长，从而就可以满足整体的产能倍增需求了。

4 实际运行效果

经过这一系列的调整，我公司的碱性蚀刻线单线产能得到倍增，原来需要开两条生产线、两套作业人员，现在只需开一条生产线、一套作业人员即可，生产线的单线产能修正如表4所示。

表4 提升后碱性蚀刻线的最大处理速度

总体而言，整改后的碱性蚀刻线的效果如下：

（1）生产线的能力和品质表现：经过整改，能力反而提高，如褪膜能力、除钯能力，均按超过100%的能力提升，夹膜、褪膜不净等品质问题风险反而变小；

（2）成本节约：每年可获得收益57万元。

①一条蚀刻线每班需3个作业人员，两班则6个人，每年可以节约人工费用32万元；②原来开两条生产线，则均处理半饱和状态，现在只需单线作业，产能正好处于饱和，可以节约水电费用25万/年；③物料费用节约：原来开两条生产线，则均处理半饱和状态，蚀刻机的物料消耗会比单线饱和运作要大，各药水缸的开缸成本也要多。为计算简便起见，忽略这部份费用节约；④品质提升的收益未计；⑤生产线的改造需要一些资金投入，但相比上述的收益，经济效益是相当可观的。

[1] 王跃峰. 碱性蚀刻液影响PCB蚀刻速率的因素研究[J]. 印制电路信息,2013,02.

[2] 廖军. 碱性蚀刻的过程控制[J]. 印制电路信息, 2005,06.

[3] 莫凌. 碱性蚀刻液影响因素的研究[J]. 印制电路信息, 2009,01.

[4] 刘东. 基于逻辑运算与能力评价的电镀FA工艺研究[J]. 印制电路信息,2013,S1.

刘东，国家高级工程师，中国印制电路行业高级工程师，现任深圳崇达多层线路板有限公司技术中心副主任兼技术总监，从事16年线路板工艺技术和研发工作，在国内、外最著名印制线路板企业从事技术和研发工作十多年，有丰富的线路板研发和技术管理经验。

Study on the method of double capacity of alkaline etching line

LIU Dong LUO Hong-jun ZHU Tuo

It's the top important thing of how to reduce the manufacturing cost of the PCB as the labor and material cost are increasing. In this article, we take capacity increasing of the alkaline etching line as the sample, which seeking some way to reduce the fixed costs from multi-angle such as raw material optimizing, equipment optimizing, parameter optimizing, process optimizing. The fixed costs include in labor cost, water consuming, e-power consuming, rent, and so on. By these ways, we increase the output of the alkaline etching line two times; as a result, the running cost decrease greatly.

Capacity; Cost; Alkaline Etching

TN41

A

1009-0096（2014）04-0231-06