付 藝

（珠海方正科技多層電路板有限公司-F7，廣東 珠海 519175）

0 前言

隨著國內(nèi)大型高端印制電路板（PCB）工廠的不斷建設(shè)，越來越多的高線速的垂直連續(xù)電鍍（Vertical Continuous Plating,VCP）生產(chǎn)線被應(yīng)用。根據(jù)不完全統(tǒng)計，目前主要PCB制造商中VCP線的裝機數(shù)量已超過500臺。并且隨著新建廠房空間的不斷發(fā)展，VCP線的長度越來越長（目前最長超過90 m）（如圖1所示），這使得電鍍線的陽極維護問題日益突出。為了解決陽極維護保養(yǎng)問題，不溶性陽極開始應(yīng)用于常規(guī)通孔VCP電鍍線以替代傳統(tǒng)的磷銅陽極。本文基于智能化工廠的流程規(guī)劃和生產(chǎn)實踐，從工藝能力、設(shè)備成本、運營成本、電鍍品質(zhì)和生產(chǎn)效率等維度對可溶性陽極和不溶性陽極VCP線進行綜合評估，論證不溶性陽極用于VCP整板電鍍線的可行性。

圖1 高線速的VCP電鍍線圖

1 不溶性陽極與可溶性陽極VCP線的主要差異

1.1 不溶性陽極與可溶性陽極VCP線的設(shè)備差異

目前，常用PCB鍍銅不溶性陽極為 MMOs 結(jié)構(gòu)混合金屬氧化物鈦網(wǎng)（典型如：銥鉭氧化物鈦網(wǎng)），其免更換保養(yǎng)周期一般可達二至三年，如果配合中性隔離技術(shù)，可得到五年以上使用壽命[1]。鈦網(wǎng)作為不溶性陽極，工作時陽極反應(yīng)過程與可溶性陽極（磷銅球）有顯著區(qū)別，以通常的析氧反應(yīng)例，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下[2]。

可溶性陽極見式（1）。

不溶性陽極見式（2）。

可溶性陽極的陽極反應(yīng)，是一個簡單的金屬失去電子發(fā)生溶解的化學(xué)反應(yīng)過程；而不溶性陽極的陽極反應(yīng)，本質(zhì)上是一個電解水的反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物是氧氣和氫離子。不溶性陽極和可溶性陽極的陽極化學(xué)反應(yīng)區(qū)別，可以概括三點：反應(yīng)產(chǎn)物不同、反應(yīng)過程不同和反應(yīng)電勢不同。

1.1.1 反應(yīng)產(chǎn)物不同

不溶性陽極的陽極區(qū)不僅沒有產(chǎn)生相應(yīng)的金屬離子，還額外生成了氫離子。因此，對于不溶性陽極，在補充銅離子的同時也要消耗多余的氫離子，使整個電鍍體系維持平衡，目前最主要的解決方案是使用氧化銅粉。因此，使用鈦網(wǎng)陽極，通常需要搭配氧化銅粉添加系統(tǒng)，這是與磷銅陽極體系最大的不同點。

1.1.2 反應(yīng)過程不同

不溶性陽極的陽極反應(yīng)是通過鈦陽極表面的貴金屬氧化物涂層參與的一個電催化反應(yīng)過程，其基本反應(yīng)是電解水的陽極反應(yīng)，最終產(chǎn)物是氧氣和氫離子。在此過程中，不僅涂層會導(dǎo)致鍍液中的添加劑通過接觸造成大量分解，同時反應(yīng)會產(chǎn)生包括氧原子、羥基自由基等具有強氧化性的中間產(chǎn)物，也會造成添加劑的額外分解。相比可溶性陽極，不溶性陽極會造成額外的添加劑消耗，使PCB鍍銅制程運營成本顯著上升（專用添加劑除外）。

1.1.3 反應(yīng)電勢不同

不溶性陽極在電鍍過程中陽極區(qū)發(fā)生了電解水反應(yīng)，這個反應(yīng)的標準電極電勢明是顯高于可溶性陽極的。同時，由于鈦材電阻率大于銅材的電阻率；而且，一般情況下，使用鈦陽極會采用更高的電流密度。這就導(dǎo)致了使用鈦陽極時，整個電鍍系統(tǒng)的電壓會明顯高于可溶性陽極。相比于適用于磷銅陽極的電源，針對不溶性陽極的電源需要適當加大電壓設(shè)計，因而電源的成本也會有相應(yīng)增加。

由于存在上述陽極化學(xué)反應(yīng)的區(qū)別，不溶性陽極VCP電鍍線在設(shè)備構(gòu)造方面與可溶性陽極有著較明顯的差異，導(dǎo)致了設(shè)備成本明顯高于傳統(tǒng)的磷銅陽極VCP線。以某設(shè)備商的單列VCP線為例（下文皆以此為例），銅槽數(shù)量為21個，單槽長度為3 m，單槽體積1800 L，生產(chǎn)板標準尺寸622 mm×724 mm，設(shè)備差異比較如表1所示。

表1 可溶性和不溶性陽極VCP線的設(shè)備差異表

1.2 不溶性陽極與可溶性陽極VCP線的工藝差異

VCP設(shè)備使用陰極移動和高速射流的方法，采用固定陽極面積的不溶性陽極可獲得更理想的一級和二級電流密度分布，同時采用專用鍍銅添加劑改善三級電流密度分布，從而獲得均勻的鍍銅層[1]。穩(wěn)定且均勻性較好的鍍銅層對于有阻抗控制和精細線路設(shè)計的產(chǎn)品的線路加工品質(zhì)，相較于可溶性陽極的鍍銅層有明顯改善；同時，由于氧化銅粉的充分溶解而沒有陽極泥產(chǎn)生，無需對陽極進行周期性的清洗保養(yǎng)，因而使用不溶性陽極大大節(jié)省了陽極維護保養(yǎng)的時間和人力，也就是不溶性陽極VCP線的使用效率明顯要高于磷銅陽極VCP線，兩者的工藝能力差異對比如表2所示。

表2 可溶性和不溶性陽極VCP線的工藝能力差異表

2 不溶性陽極與可溶性陽極VCP線的運營成本

電鍍生產(chǎn)線的運營成本包括人工、水電氣、廢物處理、設(shè)備折舊、設(shè)備維護、開缸物料、生產(chǎn)物料消耗、工藝維護（陽極保養(yǎng)、碳處理）和品質(zhì)成本等各項綜合成本。對于可溶性和不溶性陽極VCP線，在相同銅槽數(shù)量與規(guī)格的前提下，綜合運營成本中的人工、水電氣、廢物處理、主體設(shè)備的折舊和維護等成本是一致的；差別之處在于陽極、溶銅槽和電源等設(shè)備成本，開缸所需藥水和磷銅球成本，生產(chǎn)物料消耗成本，陽極維護成本，工藝維護成本以及品質(zhì)成本。在電鍍添加劑方面，使用國內(nèi)B品牌的不溶性陽極VCP線專用配方的添加劑，其消耗量穩(wěn)定且與可溶性陽極基本一致，并且添加劑的成本一般按電量計算，因此不溶性陽極的添加劑成本與可溶性陽極一致。

另外，在生產(chǎn)效率方面，不溶性陽極的電流密度在相同板件條件下比可溶性陽極要高10%～20%，即以21個銅槽的VCP線為例，可溶性陽極的平均線速度為1.0 m/min，不溶性陽極的平均線速度為1.1～1.2 m/min，產(chǎn)能提升10%～20%。

2.1 不溶性陽極與可溶性陽極VCP線的運營成本差異

基于表1中設(shè)備配置差異和表2中的工藝能力差異數(shù)據(jù)，核算滿產(chǎn)狀態(tài)下的成本差別項目的單位運營成本（元/m2）如圖2和圖3所示（說明：設(shè)備折舊按10年計算，物料單價參照當前市場價，陽極和電源價格參考設(shè)備商報價）。

圖2 可溶性陽極VCP線運營成本（差異項目）圖

圖3 不溶性陽極VCP線運營成本（差異項目）圖

從表3、表4所示的各項成本數(shù)據(jù)可知，可溶性陽極VCP線的差異項目的綜合運營成本為49.01元，不溶性陽極VCP線的差異項目的綜合運營成本為61.77元/m2，其中兩者最大差異項目為物料消耗成本（達到10.5元/m2），是因為不溶性陽極使用氧化銅粉，其銅含量為80%，但是物料單價與磷銅球接近；第二大差異項目為品質(zhì)改善，采用不溶性陽極預(yù)估會帶來4.83元/m2的品質(zhì)改善收益。兩種陽極VCP線的綜合運營成本差異計算如下。

C不溶性－C可溶性＝61.77元/m2－49.01元/m2－4.83元/m2＝7.92元/m2

按照PCB平均單價2000元/m2計算，使用不溶性陽極增加的成本占單價的比例為0.4%。

2.2 不溶性陽極應(yīng)用于VCP整板電鍍線的可行性

經(jīng)核算得知不溶性陽極比可溶性陽極VCP線的綜合運營成本高7.92元/m2，差異主要來源于氧化銅粉的物料成本，而設(shè)備和維護保養(yǎng)成本所占比例較低。但是相比可溶性陽極，不溶性陽極因維護保養(yǎng)導(dǎo)致的產(chǎn)能損失要小得多，也就是每年因維護保養(yǎng)時間較少而增加了產(chǎn)出11 313 m2/年。對于普通PCB板，工廠可以通過電鍍外協(xié)代工的方式彌補可溶性陽極VCP線的產(chǎn)能損失，按照電鍍代工費100元/m2計算，則每年預(yù)計產(chǎn)生外協(xié)費用113.13萬元，也就是說不溶性陽極VCP線可以減少外協(xié)費用113.13萬元/年。

對于高端精細線路的PCB板，外協(xié)電鍍難以滿足品質(zhì)需求，此時不溶性陽極的優(yōu)勢凸顯出來。按每年增產(chǎn)11 313 m2、產(chǎn)品合格率90%、拼版利用率80%、成品單價2000元/m2、凈利率15%計算，則可增加收益=11 313 m2/年×90%×80%×2000元/m2×15% =244萬元/年

基于以上分析，雖然不溶性陽極VCP線的綜合運營成本比可溶性陽極高7.92元/m2，但是考慮到不溶性陽極的維護保養(yǎng)時間較少而增加產(chǎn)出，對于高端產(chǎn)品，特別是高附加值PCB所帶來的收益，可以對沖增加的運營成本。因此，不溶性陽極應(yīng)用于VCP整板電鍍線，在運營成本方面是可行的。

3 不溶性陽極VCP線的發(fā)展趨勢預(yù)測

目前PCB行業(yè)的電鍍設(shè)備商和藥水商對于不溶性陽極應(yīng)用于VCP電鍍線的技術(shù)方案和PCB鍍銅可靠性皆有研究和論述，本文不再探討，而從生產(chǎn)實踐總結(jié)其電鍍能力。

3.1 不溶性陽極VCP電鍍線的深鍍能力

以本公司21銅槽鋼帶式VCP線為例，陽極為馬赫內(nèi)托氧化銥鈦網(wǎng)，搭配國產(chǎn)B品牌828系列不溶性陽極專用添加劑（測試時藥水壽命4個月），在1.2 m/min線速下，分別以2.3 ASD（22 ASF）和3.2 ASD（30 ASF）的生產(chǎn)條件進行測試，深鍍能力分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 不溶性陽極VCP電鍍線的深鍍能力趨勢圖

從圖4深鍍能力趨勢圖來看，在22 ASF條件下AR10:1，0.15 mm小通孔的最小TP達到83.68%; 而在30 ASF條件下，AR10:1的小孔最小TP也能達到70.8%，可以滿足高精密度PCB的電鍍需求。并且從該圖可以看出，對于AR比（2.5:1）～（10:1）區(qū)間，深鍍能力波動較小，說明該不溶性陽極電鍍體系的深鍍能力比較穩(wěn)定。

3.2 不溶性陽極VCP電鍍線的適用性分析

VCP電鍍線的設(shè)計與傳統(tǒng)龍門線不同，其掛板厚度因夾頭和傳動系統(tǒng)影響而受限，一般掛板能力最大4.5 mm；并且受噴淋系統(tǒng)和添加劑能力限制，深鍍能力一般可滿足AR≤10:1的PCB電鍍。因此，PCB行業(yè)在選擇VCP電鍍線時，需要考慮訂單結(jié)構(gòu)即板厚和AR比，與設(shè)備能力的匹配性問題。以某公司C客戶近半年的通訊PCB板訂單為例進行分析[3]，板厚≤4.0 mm的面積占比96.45%，AR≤10:1的面積占比74.8%。綜合板厚、AR比結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和不溶性陽極VCP線的能力數(shù)據(jù)，不溶性陽極VCP線可以滿足該客戶約75%的訂單，對于另外25%的AR＞10:1的訂單，可以使用脈沖VCP電鍍或傳統(tǒng)龍門電鍍線生產(chǎn)。

4 總結(jié)

（1）由于陽極區(qū)的化學(xué)反應(yīng)不同于可溶性陽極，不溶性陽極VCP電鍍線在陽極材料、溶銅設(shè)備和電源設(shè)計等方面與可溶性陽極VCP線不同，因此導(dǎo)致了其在電鍍能力、維護保養(yǎng)便利性和生產(chǎn)效率等工藝方面的優(yōu)勢。

（2）通過測算，不溶性陽極VCP線的綜合運營成本比可溶性陽極高7.92元/平方米，考慮生產(chǎn)效率的提升所帶來的收益，可以對沖高出部分的運營成本，因此，不溶性陽極應(yīng)用于VCP線是可行的。

（3）基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)研數(shù)據(jù)和生產(chǎn)能力數(shù)據(jù)，不溶性陽極VCP線可以滿足約75%的通訊類PCB訂單。綜合設(shè)備能力、成本、效率和環(huán)保等各方面因素分析，隨著PCB行業(yè)的快速發(fā)展，不溶性陽極VCP線將會得到更廣泛的應(yīng)用。