卷式垂直連續電鍍銅線優化設計分析

李建中 吳志鵬 張 振

（昆山東威電鍍設備技術有限公司，蘇州 昆山 215300）

撓性印制電路板的生產有兩種方式：批量不大時用片狀生產，類似于剛性板的生產方式；如果是大批量生產，用卷對卷生產（RtR），包括電鍍、圖形轉移、蝕刻等。為了適合鍍銅層厚度更薄，鍍銅均勻性更高，基材漲縮更小的高標準鍍層質量要求，卷式垂直連續電鍍銅線采用獨特的結構設計滿足高標準鍍層質量生成要求。

1 卷式垂直連續電鍍銅線整體布局設計

1.1 卷式垂直連續電鍍銅線流程

生產線工藝流程如下：

卷式放板機→預純水洗→清潔（浸泡式）→熱水洗（浸泡式）→水洗1→水洗2→微蝕（浸泡式）→水洗3→水洗4→酸洗（浸泡式）→鍍銅前回流→鍍銅×12米→鍍銅后回流→水洗5→水洗6 →抗氧化→水洗7→水洗8→放流水洗→吹烘干→卷式收板機。

1.2 對影響鍍層質量因素考慮

卷式垂直連續電鍍銅線從整體規劃入手，對影響鍍層質量各個因素進行優化設計，針對不同的影響因素采用針對性的結構設計，盡可能的消除不利影響，以提高鍍層質量?？紤]影響鍍層質量因素有下列幾點。

1.2.1 溫度

溫度高低對鍍銅液性能影響顯著，溫度提高可以增大鍍銅液的電流密度，加快電極反應速度，但過高的溫度會加速整平劑、光澤劑等添加劑分解與消耗，同時使鍍層粗糙光亮度差，溫度過低則降低電鍍效率。綜合考慮各個因素電鍍銅合適溫度為10 ℃～35 ℃。

1.2.2 電流密度

在電鍍液成分、電鍍溫度、空氣攪拌、鍍槽結構一定時，鍍液的電流密度允許范圍隨之確定。電流密度與鍍層沉積速度呈正相關。電流密度決定電鍍效率、鍍層質量，而電流密度與鍍液種類、鍍液濃度分布、鍍液溫度分布、鍍液噴灑、鍍液循環等多方面因素有關。

1.2.3 攪拌與過濾

攪拌主要是使鍍槽內各個部分藥液均勻一致，消除濃度極差，進而保證盡量大電流密度以提高電鍍效率。過濾能起到濾去鍍液中顆粒狀雜質，同時進行攪拌作用。

1.2.4 陽極（不溶性陽極）

陽極鈦網與陰極導電板通過鍍液形成導電回路。由于電力線在板上下邊緣區域較中間區域密集，以致鍍銅厚度分布也出現較大差異，會對鍍層均勻性產生很大顯著影響。陰陽極面積、距離對電力線分布有決定性作用，決定電力線的分布形狀。

2 卷式垂直連續電鍍線鍍銅結構設計

綜合考慮影響鍍層質量的各個原因分析后，卷式垂直連續電鍍線通過各個方面結構優化設計以提高鍍層質量。

2.1 傳動設計優化

卷式垂直連續電鍍銅傳動前期采用鏈條設計。采用鏈條傳動時，鏈條在長時間運行過程中因為拉力的作用，使鏈條變長。由于每節鏈節受到的拉力不同，鏈條每節節距的不相同，造成鏈條上各處的瞬時速度不一致相同，使一同運動的電路板在不同時間的運行速度不同，最終造成電路板板面電鍍后電路板上下邊緣產生褶皺形成荷葉邊。鋼帶傳動是鋼帶一體成型，各個位置拉力引起的變形基本接近，傳動帶各處的瞬時速度均相同，使電路電鍍沒有傳動速度問題，上下邊緣無荷葉邊產生。

2.2 溫度控制優化設計

如圖1所示對鍍槽鍍銅液溫度采用一臺板式熱交換器（冷卻），加一臺板式熱交換器（加熱）雙向控制。冷卻循環泵通過抽奇數編號槽內藥液，然后經過過濾機過濾打回偶數編號槽；同時加熱循環泵通過抽偶數編號槽內藥液，然后經過過濾機過濾打回奇數編號槽，讓整體銅槽藥液處于整個大循環中，保證各個槽內溫度一致，消除溫度極差。各個銅槽循環泵通過回吸鍍銅槽電鍍槽藥液，經過過濾機過濾后打回自身銅槽儲存槽，保證各個鍍銅槽電鍍槽和在儲存槽形成槽體內部小循環，保證各個槽體內部各部分藥液溫度一致，消除各個鍍銅槽內部溫度極差。鍍液內使用PT100監測鍍銅槽鍍液溫度，保證鍍銅液溫度在23 ℃±2 ℃，溫度過高或過低通過PLC（可編程邏輯控制器）控制自動調節兩臺板式熱交換器配套泵流量，保證鍍銅槽鍍液溫度在要求范圍內。

2.3 電流密度控制優化設計

圖1 鍍銅液溫度控制結構

當設備生產時鍍液和設備條件一定，電流密度可通過整流機調整電流，以保證鍍銅槽陰陽極電流穩定，進而保證鍍液中電流密度穩定。電流波動可以通過整流機顯示器觀測與調整。如圖2所示，每個鍍銅槽通過4臺整流器分A/B面，分段控制電流，每段電流與A/B面電流均可根據需要設定電流大小。即可在待鍍板入槽時設點保護電流段，又可以保證各個段電流均勻性，可以為電鍍均勻性提供保證。通過整流器控制屏適時管控鍍銅的電流，保證鍍銅的電流密度在要求誤差范圍內（如圖2）。

2.4 鍍液濃度控制優化設計

如圖3所示，為保證鍍銅槽內各個部分溶液濃度一致，消除濃度極差，鍍銅槽采用三層循環對流結構：第一層溶銅槽供液泵抽各個銅槽藥液，然后通過溶銅5級過濾和溢流方式回流到各個銅槽，形成銅槽與溶銅槽之間的大循環回流；第二層銅槽噴灑泵抽取銅槽儲存槽藥液，通過噴灑泵到A面、B面。經過噴嘴噴灑到待鍍板兩面進入電鍍槽。同時各個銅槽循環泵通過回吸鍍銅槽電鍍槽溶液，經過過濾機過濾后打回自身銅槽儲存槽，保證各個鍍銅槽電鍍槽和在儲存槽形成槽體內部循環。噴灑回路+循環泵回路形成槽內次一級循環。

如圖4銅槽內噴灑使用文丘里噴嘴，工作時液體在泵壓力作用下進入混流噴嘴并達到高速運動，通過流體動量交換，在引導口周圍形成低壓區域，由于區域的壓力差以及液動量作用于被吸引液體，使之高速工作射流和被吸引流體共同以1:4流體輸量進入混合擴散段噴射出來，達到溶液無空氣混合攪拌。使待鍍板面藥液得到及時交換，保持待鍍板面與電鍍槽內其他部分藥液濃度一致，形成電鍍槽藥液與待鍍板面離子消耗區形成局部循環。避免待鍍板離子濃度過低影響電鍍效率，甚至燒板。

圖2 整流器控制鍍銅電流結構

圖3 鍍銅溶液循環

圖4 文丘里噴嘴

銅槽濃度使用銅離子在線分析儀，實時監測電鍍槽內銅離子濃度與硫酸溶液濃度，根據監測結果控制鍍銅槽定量，添加泵浦添加硫酸，控制溶銅槽銅粉定量，添加系統添加銅粉。保證電鍍槽銅離子濃度與硫酸溶液濃度保持在控制范圍內。

2.5 陽極結構優化設計

如圖5和圖6所示陽極鈦網均勻分布在待鍍板（陰極兩側）陰陽極間直線距離為90 mm，陰陽極上下高度方向尺寸一致（鈦網上端面與待鍍板上端面對齊，鈦網下端面與待鍍板端面下端對齊）。走板方向以3 m鍍銅槽為例單側采用8片陽極鈦網，鈦網寬度345 mm，陰陽極面積比=345 mm×8×2/3000 mm=1.84，大于鍍銅要求1.1，保證了鍍銅液中Cu2+濃度和溫度。同時電鍍夾50 mm間距均勻分布，在待鍍板上側夾持，待鍍板通過鋼帶均勻傳送，同時電鍍夾通過不銹鋼夾點給待鍍板導電。小間距大密度電鍍夾分布既保證導電均勻一致，又對待鍍板施加較小的外力，保證鍍液中電力線盡可能的均勻一致，同時又減小待鍍板因外力造成的漲縮。陰極擋條通過對待鍍板下部電流線的局部遮擋，減少了待鍍板下部電力線集中程度，改善了鍍板均勻性。同時陰極遮蔽板長度700 mm一支，可以根據無擋板時測試均勻性分布情況，然后確定遮蔽板的數量。通過陰極擋條加陰極遮蔽板調整配合可以將卷式垂直連續電鍍線的電鍍均勻性穩定在93%～95%之間。卷入/卷出機通過張力系統對拉膜和鍍板在走板方向上施加29.4 N～39.2 N張力，鋼帶通過夾具夾持電鍍板在走板方向上和卷入/卷出機收放料軸同線速度運轉，避免夾具在走板方向上對鍍板增加額外張力。同時通過小間距大密度電鍍夾分布，可以將鍍板漲縮控制在0.2%以內。

圖5 陰陽極在槽體結構

2.6 鍍液雜質控制優化設計

如圖1、圖3所示銅槽有三個層次循環，噴灑泵均采用泵+過濾機工作方式，對電鍍銅槽內溶液做到多級過濾，保證鍍液中的金屬雜質，有機雜質及脫脂累雜質保持在合理的范圍內。

3 卷式垂直連續電鍍線電鍍板鍍層質量參數

3.1 鍍層均勻性

結構優化設計后卷式垂直連續電鍍線鍍銅鍍層均勻有顯著提高。以下是某用戶測試均勻性數據。測試采用基材銅厚度35 μm，寬250 mm，長度100 m/卷基板，檢測取樣每隔1mm取長度250 mm、寬度250 mm板檢測。每次測試10 m，取十段測試。鍍銅厚度采用測銅厚儀測量，以鍍銅厚度12 μm為基準，測試實際鍍銅厚度數據如圖7,實測鍍銅均勻性可以達到95%以上（如圖7）。

圖6 電鍍線陰陽極布局

圖7 實測鍍銅厚度數據

3.2 鍍通孔TP值

結構優化設計后卷式垂直連續電鍍線鍍通孔TP值得到明顯提高。以下是某用戶測試TP值數據：測試采用厚度35 μm銅箔，板寬250 mm，長度100m/卷，每次測試10 m，取十段測試。采用孔徑100 μm縱橫比1∶6孔銅測試，TP值計算公式（如圖8）。

圖8 電鍍分散性(TP)計算公式

經過鍍板后切片實測（如圖9），根據具體測試數據計算TP值可以達到75%以上（圖10）。

圖9 孔鍍銅后切片實測

3.3 鍍銅板漲縮

結構優化設計后采用卷式垂直連續電鍍銅線，鍍銅板漲縮得到明顯降低。以下是某用戶測試數據：測試采用基材銅厚度35 μm，寬250 mm,長度100 m/卷基材，每次測試10米，取十段測試。測試板每隔1 m取260 mm長度和240 mm長度各一段，從上板邊到下板邊每隔50 mm取一個測試點。具體測試數據（如圖11）。

4 結語

卷式垂直連續電鍍銅線提高了電鍍均勻性、通孔TP值，降低了漲縮率。鍍銅均勻性有利于后續蝕刻，保證了阻抗要求和減少蝕刻去除銅數量，節約了銅資源。漲縮率對FPC板特別重要，低漲縮率是后續加工產品尺寸穩定的基本保證。高通孔TP值有利于多層板線路之間保證良好導電。

卷式垂直連續電鍍銅線相對傳統龍門電鍍線和VCP電鍍線結構進行重新設計和優化，進行了不少創新設計，已獲得授權發明專利5項，實用新型專利4項。

卷式垂直連續電鍍銅線2015年研發立項，2016年完成項目設計，2017年開始推向市場。經過兩年多的努力，公司已經為多家客戶提供了卷式垂直連續電鍍銅線。

圖10 實測數據的TP值

圖11 漲縮測試數據