吳天信 王興群

（廣州廣合科技股份有限公司，廣東 廣州 510730）

0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）是實現(xiàn)電子元器件之間電氣連接的載體，當前電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展拉動了PCB 的市場需求量。PCB 產(chǎn)業(yè)能耗較大，在生產(chǎn)制造過程中，幾乎每個生產(chǎn)流程都會用到大量的去離子（deionized water，DI）水或城市自來水，主要用于濕法流程中。因此，水平清洗線上對用水的管控尤其重要，必須改良優(yōu)化用水設(shè)備。另外，在制程中用于清潔后的溢流水也都直接排到污水管流向污水處理站，大量的污水排放無疑增加了污水處理站的負荷。工廠清潔生產(chǎn)要求廢水達標排放，從源頭治理污染，提高水資源利用率，深入節(jié)約用水、循環(huán)利用的環(huán)保理念。

開展PCB 有機可焊性保護劑（organic solderanility preservative，OSP）的水平生產(chǎn)線節(jié)水研究，可有效節(jié)約自來水或DI 水的消耗量，減少廢水排放量，節(jié)約綜合成本。本研究具有社會意義和經(jīng)濟效益。

1 OSP生產(chǎn)制程

1.1 OSP工藝特點

OSP 生產(chǎn)線的工藝是在銅面上以化學的方式形成1 層有機焊膜，這層保護薄膜能起到耐熱沖擊、耐濕、抗氧化的作用，避免銅板面暴露在空氣中發(fā)生質(zhì)變生銹，保持良好的可焊性。在后續(xù)表面貼裝技術(shù)（surface mount technology，SMT）工序中，結(jié)合高溫條件，這層有機薄膜又極易被助焊劑迅速清除，使銅面在短時間內(nèi)與融化的焊錫結(jié)合在一起。

1.2 OSP流程

OSP水平生產(chǎn)線工序流程如圖1所示。

圖1 OSP生產(chǎn)流程

主要流程為脫脂→微蝕→酸洗→DI 水洗→有機覆膜→清洗烘干。

1.3 OSP工序說明

（1）除油。目的是去除銅面的輕微氧化物和污質(zhì)，降低液體表面張力，讓銅面擴張潤濕，除油不良直接影響成膜厚度不均勻。

（2）微蝕。藥水主要包括硫酸和過硫酸鈉，溶液呈酸性，使板面形成粗糙的銅面，能與后續(xù)需要進行OSP覆膜的銅面介質(zhì)保持良好的密著性。

（3）酸洗水洗。以去除銅面的微氧化物和污物為目的，清洗時使用酸性除油劑，酸洗后溢流水洗可去除板面殘留的酸性藥水和異物。該酸洗后溢流水洗槽在傳統(tǒng)設(shè)計中有一個排水管口，含酸廢水即由這個溢流口直接排入污水管，流向污水處理站。

（4）除油后的3道水洗。

（5）預(yù)浸。廠內(nèi)生產(chǎn)藥水主要成分為異丙醇和添加劑，目的是在銅面外層添加一層保護膜，溶液中含有銅離子，能促進膜厚快速形成，還能有效預(yù)防氯離子等有害離子污染OSP 主槽體。主要分析項目為pH 值，范圍為8.5～9.5。當pH 值偏低時，則加氨水；當pH偏高時，則適當加水。

（6）DI水洗。清潔板面。

（7）OSP 形成有機膜，一般控制在0.2～0.5 μm，溶液呈酸性，pH 管控為3.0～3.6，有機酸值控制在160～190。

（8）DI水洗。成膜后的水洗預(yù)防有機膜層溶解破壞。

2 節(jié)水方案

對生產(chǎn)線上原有的給水系統(tǒng)進行多方面調(diào)查評估，以佐證新技術(shù)的可行性。新技術(shù)的成功應(yīng)用關(guān)乎到水平線體的節(jié)水效果是否達標。調(diào)查內(nèi)容為車間現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備與設(shè)置，即供給水和排水設(shè)備、生產(chǎn)線管道布局、生產(chǎn)線供給水補水模式和計量方式、水洗槽內(nèi)噴淋循環(huán)模式、生產(chǎn)線開車程式。

2.1 源頭節(jié)水

2.1.1 傳統(tǒng)給水

現(xiàn)有生產(chǎn)線在供給水、排污水的管道布局上還有較大的改良空間。在傳統(tǒng)設(shè)計中，這幾個溢流水洗槽采用傳統(tǒng)的流量計浮標，憑經(jīng)驗手動調(diào)節(jié)球閥控制補水量的模式。生產(chǎn)人員并無統(tǒng)一標準，以肉眼判定浮標處于兩道紅杠上下限范圍內(nèi)波動，將在細節(jié)上造成大量浪費。因此，有必要引進智能節(jié)水的先進技術(shù)，深入微觀控制，精準控水，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)補水模式

2.1.2 智能節(jié)水器

智能節(jié)水器有兩個核心配套元件（探頭），分別是pH 傳感器和電導(dǎo)率傳感器。其內(nèi)部集成了運算模塊、通信模塊、計量模塊及控制模塊。

根據(jù)實際要求設(shè)定pH、電導(dǎo)率的范圍，并將其上限值和下限值作為一個標準參考值。如OSP水平護銅線水槽中液體的pH、電導(dǎo)率不在預(yù)設(shè)范圍時，智能節(jié)水器則會立即觸發(fā)注水球閥，補償水流量。同時，還會針對標槽中溶液參數(shù)值的變化同步調(diào)整進水管的注水速度，直到液體的pH 或電導(dǎo)率穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，再自動將控制球閥復(fù)位到原先恒定的注水速度，形成一個“數(shù)據(jù)采樣-反饋-比較-放大（縮?。?執(zhí)行”的集成電路閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 智能控水原理

2.1.3 實例落地

OSP 水平線體總共安裝了6 臺智能節(jié)水器，分別安裝在進板酸性水洗段、除油后水洗段、微蝕后溢流水洗段、預(yù)浸前微蝕后加壓水洗段、預(yù)浸后水洗段、OSP 后水洗段。其中，進板酸性水洗段是通過監(jiān)控水槽溶液pH 高低控制注水量，余下各段則通過監(jiān)控水槽溶液電導(dǎo)率大小實現(xiàn)控水效果。通過精準到微觀粒子分析，以pH 控水，在酸洗槽通過加水或酸藥水來調(diào)整溶液pH 大小，達到生產(chǎn)標準；以電導(dǎo)率控制水，在水槽濃度升高時則增加進水量，在水槽濃度偏低時則表明水質(zhì)走向純水趨勢節(jié)約進水量，水質(zhì)達標，適用于清潔生產(chǎn)。

護銅線前段的3 臺智能節(jié)水器分別安裝在進板酸性水洗段、除油后水洗段和微蝕后溢流水洗段。其中，進板酸性水洗段通過監(jiān)控pH 高低來控制注水量。另外3 臺智能節(jié)水器分別安裝在微蝕后加壓溢流水洗段、預(yù)浸后水洗段和OSP 后溢流水洗段，其中OSP 后水洗段根據(jù)電導(dǎo)率大小進行水流量調(diào)整。如圖4所示。

圖4 源頭節(jié)水實施場景

2.1.4 數(shù)據(jù)采集

（1）交換界面。智能節(jié)水器屏幕實時顯示累計用水和當前流量，可根據(jù)實際需要同步切換手動/自動模式，可視化的人機操作界面便捷高效，數(shù)據(jù)真實反映微觀動態(tài)變化，如圖5所示。

圖5 智能節(jié)水口人機交換界面

（2）數(shù)據(jù)上云。①智能節(jié)水器控制模塊由超聲波流量計、無級變速球閥、顯示屏和主控模塊組成，內(nèi)部集成多種傳感器，具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能。同時，電腦、平板、手機等客戶端都實現(xiàn)了同步現(xiàn)場水系統(tǒng)所有動態(tài)數(shù)據(jù)的功能。此外，兼具數(shù)字化擴展功能，預(yù)留數(shù)字化信息與制造執(zhí)行系統(tǒng)（manufacturing execution system，MES）或企業(yè)資源計劃（enterprise resource planning，ERP）系統(tǒng)對接，最終實現(xiàn)組網(wǎng)工廠智能化控水/用水。②集成多傳感器技術(shù)，全面采集水管理數(shù)據(jù)，通過4G 互聯(lián)網(wǎng)將采集到的監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳至云端運算，根據(jù)云端運算結(jié)果下達指令，遠程控制智能節(jié)水器在不同區(qū)域、不同流程使用下的水流流速動態(tài)調(diào)整。③摘取12 月份最新7 d 的數(shù)據(jù)分析，28 日白天截至計數(shù)時起算用水量9.29 m3。手機App 端使用柱狀圖清晰記錄反映當天生產(chǎn)開車全線用水情況，用水量會結(jié)合實際產(chǎn)能情況呈現(xiàn)正相關(guān)走勢，總體用水量控制在30 m3以內(nèi)，以26 m3為基準平均值，平均省水25%，如圖6所示。

圖6 智能節(jié)水口云端界面

2.2 末端回收節(jié)水

在槽體排水的設(shè)計中，發(fā)現(xiàn)含酸（離子）廢水經(jīng)過溢流口直接排入污水管流向污水處理站，造成了大量的浪費。在原水平線系統(tǒng)水洗段溢流口排水管口處，通過技術(shù)改良安裝一個球閥旁通，將溢流水統(tǒng)一接駁匯入指定回收槽，經(jīng)砂濾、濾棉、活性炭初級過濾等滲透系統(tǒng)處理后，再輸入到生產(chǎn)設(shè)備重新使用。簡單改造卻十分實用，節(jié)水做到極致深挖，節(jié)水效果也更加明顯。

改造設(shè)計準備材料：220 V 開關(guān)電源；2 000 W 電動機；3 mm2輸電線；220 V 接觸器；24 V 繼電器KA；220 V 繼電器KA1；管狀液位開關(guān)，浮球液位開關(guān)；聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）管道；回收槽；過濾棉；流量計；用水表等。

一級回收槽安裝高、低液位開關(guān)，采用串聯(lián)接線模式，同時高液位開關(guān)并聯(lián)接入繼電器常開觸點自鎖控制開關(guān)信號，一級槽內(nèi)高液位開關(guān)通路觸發(fā)接觸器帶動抽水馬達往二級回收槽抽水，二級回收槽安裝高液位開關(guān)，水滿溢出即切斷一級抽水馬達控制電源。

整個電路設(shè)計還需要具備能分別反映一、二級回收槽內(nèi)長時間低液位無集水抽水馬達空轉(zhuǎn)、高液位水滿溢出的報警功能，再輔以電子眼監(jiān)控，方便人工直觀觀察回收槽水位情況，增加一道安全防線，提高安全可靠性，其主電路控制如圖7所示。

圖7 智能節(jié)水口主電路控制

3 水回收利用

回收水經(jīng)過一級過濾匯集到殺菌池生化處理后，水中大部分有機物質(zhì)和有害物質(zhì)已被去除，回集水清澈透明和一般市水對比色差不大，但仍含有大量金屬銅離子，主要來源于微蝕段和OSP主槽段。經(jīng)過二級電解精煉銅回收銅粉后，濾液再經(jīng)過三級過濾反滲透工藝（reverse osmosis process，RO）反滲透系統(tǒng)深度處理制得純水。待水質(zhì)達標后，輸入生產(chǎn)設(shè)備二次使用。

3.1 初級過濾

3.1.1 測定銅含量

測定含酸回收水中Cu2+的含量采用分光光度法。廢水的排放需要滿足3 個基本指標：pH、Cu2+含量、化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）。尤其是Cu2+含量，標準要求廢液中含量為 0.5 mg/L。

（1）制作標準液繪制標準曲線。①采用醋酸-醋酸鈉緩沖液控制pH；②用乙二胺四乙酸鈉鹽（EDTA）作為顯色劑；③氯化銅固體溶解制作銅標準液，混合后移入2 cm 比色皿，先用蒸餾水校正零，再通過實驗選擇最佳波長490 nm，在490 nm 波長的條件下測量8 份不同濃度標準液吸光度，并用試劑空白吸光對比，兩者吸光度差繪制直角坐標系下的標準曲線，以吸光度為縱坐標，溶液濃度為橫坐標。

（2）試樣測定。直接取回收槽內(nèi)的酸化水樣于比色管中，按照繪制標準曲線的方法進行同樣操作，以空白對比，操作方法同理。

（3）銅離子濃度計算。試樣的吸光度減去空白吸光度，查標準曲線得出銅離子的含量，表達式為

式中：X為水樣中銅離子的質(zhì)量濃度；Y為酸性試樣的吸光度；b為標準曲線常數(shù)；a為標準曲線系數(shù)。

3.1.2 回收銅單質(zhì)

對需要二次回流使用的回收水，采用電解工法回收銅單質(zhì)，以降低溶液中的離子濃度，降低下一級RO反滲透系統(tǒng)的運行負荷，同時降低昂貴的反滲透離子膜遭到損堵的風險。取純銅棒作為陰極，粗銅棒作為陽極，如圖8所示。

圖8 回收銅單質(zhì)

3.2 回用生產(chǎn)設(shè)備

濕制程是全廠的用水大戶，約占全廠用水量的70%。因此，通過對廢水設(shè)備的改良，通過串用水、回收水的技術(shù)改良，能夠?qū)崿F(xiàn)回集水利用率最大化。

（1）廠內(nèi)多高層服務(wù)器板產(chǎn)品都要經(jīng)過噴砂工藝流程處理，再轉(zhuǎn)到OSP 生產(chǎn)流程。噴砂線酸洗段第一道水洗可直接將OSP 水平護銅線的DI溢流水洗段的最后1 道溢流水作引流重復(fù)使用。即將下游達標的回收水（含銅離子，酸根），輸送到上游清潔板子，再轉(zhuǎn)運下游的一個圍繞回收水的循環(huán)流程，節(jié)水效果十分明顯。

（2）OSP 水平護銅線除油、微蝕、酸洗后水洗三者之間屬于共體設(shè)備的情況，因此可采用最后一級溢流水串聯(lián)逆流水洗的方式循環(huán)使用。

（3）內(nèi)層前處理、內(nèi)層蝕刻線、外層前處理、外層蝕刻線、防焊前處理、防焊顯影等均可借鑒回收水的經(jīng)驗，采用相同的設(shè)計方案進行節(jié)水，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期收益。

3.3 回用環(huán)保設(shè)施

PCB 工廠在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的廢氣，通常歸結(jié)為4 大類：①酸性廢氣，主要成分為氯化氫、硫酸霧；②有機溶劑廢氣，主要成分為樹脂、有機溶劑、墨水、松麻油等；③堿性廢氣，主要成分為氨；④含有氰化物的廢氣，主要成分是氰化物。電鍍車間產(chǎn)生的氨氣處理過程如下。

（1）含氨廢氣處理。含氨廢氣主要由氨和水汽組成，因此對含氨廢氣的處理其實就是對氨的處理。氨氣易溶于稀酸，因此可用稀硫酸吸附。

（2）廠房樓頂連接電鍍車間安裝的廢氣塔收集堿性混合氣體。根據(jù)酸堿中和反應(yīng)化學原理，可利用OSP 水平護銅線酸性回收水和堿性氣體進行中和反應(yīng)。

（3）廢液處理系統(tǒng)包括抽風機、噴淋裝置、填料網(wǎng)板托架、循環(huán)泵、水-氣分離裝置等。將含酸的回收水引到廢氣塔邊上的3 個噴淋處往下噴灑，塔底的堿性氣體經(jīng)過網(wǎng)板填料增大了表面接觸面積，充分吸收反應(yīng)，達到廢氣排放標準。

4 效益分析

根據(jù)2021—2022 年度項目落地前后兩個季度水表生產(chǎn)計量的數(shù)據(jù)進行對比（單線產(chǎn)能飽和），按照PCB行業(yè)生產(chǎn)用水單價計費標準約20元/t計，節(jié)水效果如下。

（1）通過源頭智能節(jié)水方案，2021 年實施節(jié)水前兩季內(nèi)總共用水量5 821 t，2022 年項目落地后，兩季度總用水量4 661 t，總用水量節(jié)省5 821-4 661=1 160 t，折合金額節(jié)省1 160×20=23 200元。

（2）通過末端節(jié)水方案，兩個季度內(nèi)節(jié)水578 t，折合金額節(jié)省578×20=11 560元。改造前后節(jié)水效果如圖9所示。

圖9 改造前后節(jié)水效果

5 結(jié)語

在PCB 行業(yè)向綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型升級的過程中，節(jié)水無疑是能耗控制的有效方式。水資源是制約PCB 企業(yè)持續(xù)發(fā)展的影響因素之一，必須要求企業(yè)通過節(jié)約成本達到擴產(chǎn)目的。改變僅靠末端治理的傳統(tǒng)思維，從源頭上應(yīng)用新技術(shù)大幅度降低用水，是降低用水成本技術(shù)發(fā)展的重要途徑。因此本文引入智能節(jié)水器技術(shù)作為從源頭解決問題的新思路，在實踐中取得了顯著的成效，開創(chuàng)了PCB 行業(yè)增效降污的新路子。此外，廢水回收利用與傳統(tǒng)廢水直接處理技術(shù)相比，兼顧傳統(tǒng)技術(shù)通過轉(zhuǎn)變節(jié)水思維，直接有效地實現(xiàn)廢水減量，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上引入創(chuàng)新改進措施，節(jié)水效果進一步提升。在獲得良好的環(huán)境效益的同時，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益，為PCB 的不斷發(fā)展和降污增效打下堅實的基礎(chǔ)。