談垂直連續電鍍銅線的設計

吳志鵬 李建中 江澤軍

（廣德東威電鍍設備技術有限公司，宣城 廣德 242200）

銅作為印制電路制造中的基本的導電金屬，已經得到廣泛的應用。電鍍銅層具有良好的導電性、導熱性和機械延展性等優點，是印制電路板（PCB）制造中不可缺少的關鍵電鍍技術之一。

1 垂直連續電鍍線組成和分類

垂直連續電鍍銅線（英文縮寫VCP）按照電鍍工藝過程分為：上料、鍍前處理、電鍍、鍍后處理、吹烘干、下料、夾具退鍍，配套設施有加熱與冷卻裝置、電氣控制系統、抽風系統、傳動系統等裝置。

VCP線通過電氣控制系統和傳動系統帶動電路板完成電鍍工序要求的全部過程，因其電鍍過程中無停頓，可機械手自動上下板，前后處理水洗可重復循環利用，因而電鍍生產效率高，產品質量穩定，勞動條件好，減排、節能。

VCP線按照其電鍍線路板制程分為全板電鍍線、圖形線路板鍍線和微孔制作電鍍線等。按照傳動系統的種類分為鏈條式垂直連續電鍍線、鋼帶式垂直連續電鍍線。按照鍍層類可分為：鍍銅線、鍍銅錫線。

2 VCP線的設計方法和步驟

本篇主要論述一次銅垂直連續電鍍線設計方法和步驟，并結合具體事例予以說明。以下將以一次銅VCP線為例進行論述。

2.1 VCP線設計要求

例如：客戶要求做一條垂直連續電鍍銅線，具體要求如下：

電鍍線路板最大尺寸635 mm×635 mm，鍍銅厚度25.4 μm，電流密度3.5 A/dm2，每月產能2.3萬平方米；工作時間：每天工作22 h，每月工作26天；傳動系統：鏈條傳動；場地長50 m，寬5 m。

鍍銅能力要求：

鍍層均勻度：鍍層厚度為25 μm時，其R值為5 μm；鍍通孔能力：(配合適藥水）；當縱橫比5：1時灌孔率通?？煽刂圃?0%；當縱橫比6：1時灌孔率通?？煽刂圃?5%，當縱橫比8：1時灌孔率通?？煽刂圃?5%。

根據客戶提供的電鍍條件、產能和電路板大小，確定電鍍工藝流程和設備的尺寸型號。

2.2 確定VCP線的工藝流程

工藝流程及參數是設計VCP垂直連續電鍍銅線的基礎和關鍵，根據垂直連續鍍銅線的工藝特點和參數，確定工藝流程，并制作簡易實驗槽，進行實驗并做出樣品，進行一系列的測試，以便確定工藝流程的正確性，然后并記錄在案，以備后期制作設備作為參考。

2.3 確定每段工藝流程規格和配置

2.3.1 根據客戶提供的每月產能計算鍍銅槽的長度（鍍銅槽3 m/段）

每分鐘的產能：

23000 m2/26天/22h/60 min≈0.67 m2/min

設備的最低傳動速度：由于產品高度為0.635 m，所以設備的速度為0.67 m2/0.635 m（板子高度）≈1.055 m/min（計算是按照1 m/min）。

電鍍時間的計算：電鍍時間min=鍍銅厚度μm/鍍銅系數/鍍銅效率%/電流密度A/dm2。

電鍍效率見圖1所示。

圖1 電流密度和電鍍效率的關系表

電鍍時間：

25.4 μm/0.217/0.92%/3.5 A/dm2≈36.35 min

電鍍銅槽長度的計算（傳動速度×時間）：

1.055 m/min×36.35 min≈38.35 m

按照3 m一段的銅槽計算，需要13個銅槽，也就是39 m（如圖2）。

圖2 電鍍銅槽規格

2.3.2 確定電鍍銅槽的尺寸和材質

根據常用板材的規格，設計3m/段的電鍍銅槽，根據電鍍銅溶液的成分選用PP板材

根據VCP垂直連續電鍍銅線性質，電鍍槽采用上下槽一體結構，上槽噴流電鍍，下槽儲備電鍍溶液、藥水循環過濾和為上槽提供電鍍溶液，整條線每段電鍍銅槽的上槽和下槽通過管件及閥門各自相互連通，且線的兩端銅槽設置回流段，方便上下料藥水自循環。

上槽規格設計：

上槽的高度：槽下105 mm為液位點，板面高度635 mm+陽極遮板165的浮動高度，上槽的寬度根據傳動鏈輪大小和各部分結構的配合關系，一般設計600 mm。

下槽的規格：將上槽容積填滿，下槽預留約215 mm循環液位高度確保泵吸入液位的正常狀態。

上槽容積計算：W600 mm×H810 mm×L3000 mm=1458000000 mm3

按照鍍銅槽溶液的密度1.1×103千克/m3，上槽換算容積則為1603.8L

下槽的容積：1458000000 mm3/1420 mm/1970 mm≈520 mm

下槽的高度為：520 mm+215 mm=735 mm

整條線設備的規格均按照圖3的規格來設計（如圖3）。

2.3.3 確定整流機大小，和陰陽極銅排截面大小

（1）整流機大小的確認：線路板分兩面，對于硬板而言設定一臺整流機控制一面的電流大小。

電壓：普通全板電鍍選擇整流機電壓5 V，圖形電鍍選擇5 V，填孔電鍍選擇8 V；

電流：線路板單面電流：L：30分米×H6.35分米×電流密度（A/dm2）3.5=666.75A；

整流機選擇偏大一點（還要對應供應商的型號），故選擇800 A，一個槽用2臺。

（2）陰陽極銅排截面大小的確認：陰陽極銅排截面大小的計算：一臺整流機從正負二極分別有兩根導線并聯輸出，1 mm2截面的陰陽極銅排一般按照2 A電流來計算，每根承受400A電流。

陽極兩根導線分別對接兩個銅排：分兩端輸出：400 A/2 A=200mm2按照銅排的規格選擇長度：40 mm寬度：5 mm兩支即可；驗證一下：40 mm×5 mm×2 A=200 mm2×2 A=400 A電流，

陰極兩根導線匯總到一個銅排：

800 A/2 A=400 mm2按照銅排的規格選擇長度：40 mm寬度：10 mm兩支即可；驗證一下：40 mm×10 mm×2 A=400 mm2×2 A=800 A電 流，

（3）根據整流機和銅排數量配置電纜線的規格，經過長時間的經驗積累，總結配置設計表格。

2.3.4 銅槽噴管的設計

（1）銅槽噴管布局的設計原理：左右噴管無相交、電鍍通孔時需求最大壓力，噴管無左右相交，可以做到最大壓力差，噴管加密，片面的噴管的壓力就會減少，藥水進入通孔的減少，電鍍效果就會變差。

（2）銅槽噴嘴排布設計原理：上下無死角，電鍍時線路板的每個地方都能噴到。

2.3.5 確定加熱冷卻方式及功率

如果工序工藝溫度要求需要恒溫，并且超過常溫，那么槽體內就需要配置加熱和冷卻裝置。一般VCP垂直連續電鍍銅線有三種加熱配置：電加熱、蒸汽加熱、電加熱與蒸汽加熱組合，具體計算參照《電鍍設計手冊》熱交換器盤管的材質根據按照工藝工序中槽內溶液的配置來配置和經濟條件來選擇。水洗槽加熱管采用SUS316材質（VCP垂直連續電鍍銅線）有一定帶出量，水洗槽中或多或少的含有一定藥水。藥水槽加熱管采用Ti材質，溫度超過40 ℃采用Ti+鐵氟龍材質。

2.3.6 確定泵型號及過濾機/過濾桶的規格

一般的電鍍都會需要過濾機/過濾桶以保持溶液的潔凈，過濾機/過濾桶一般采用PP或者PVC作為機身，過濾介質采用棉芯或者濾袋。過濾機/過濾桶每小時的流量相當于鍍槽容積的3-6倍。

本例中以電鍍銅槽為例，電鍍銅槽的尺寸L1970 mm×W1420 mm×H735 mm容積為2 m3，那么過濾機/過濾桶的流量應大于2 m3×3=6 m3/小時

泵一般采用防腐的磁力泵頭，鍍銅前后處理的流量在120 L/min（因為鍍銅前后處理為瀑布噴灑式，循環快）。

2.3.7 確定抽風機規格

銅槽抽風量的計算。在產生有害氣體的生產或工作地點，必須配備抽風，對于排風量一般的電鍍銅工藝槽可按照每平方米液面200 m3/h至270 m3/h左右的排風量計算,也就是3 m3/min至4.5 m3/min

銅槽液面面積：0.6×3=1.8 m2

抽風量：

1.8×4.5=8.1 m3/min約等于8 m3/min風管直徑的計算（風速取12～15 m/s，按15 m/s計算）

8 m3/min/15 m/s =0.53 m2

0.53 m2/3.14≈0.169 m2√0.169 m2=0.4 m=400 mm，選用475+315 mm直徑的風管較為合適，風機功率根據風量選擇。

2.3.8 其余規格配置

《垂直連續鍍銅線工藝流程及設備基本配置表》中的溢流、循環、排水根據流程工藝選擇，這里不在詳細論述。

2.3.9 確定電氣控制方面的設計

根據《垂直連續鍍銅線工藝流程及設備基本配置表》和圖紙設計VCP線智能監控操控系統，可實現對料號、泵、整流機、傳動、設備異常等監控。

2.3.10 主要藥水槽成分

根據設備的主要藥水槽成分，設置自動添加，見圖3所示。

圖3 藥水自動添加

2.3.11 鈦藍規格和浮板遮擋設計

如圖4，鈦籃有效區域上部距液面10 cm，通過實踐證明，此設計能有效緩解電鍍邊緣效應。底部放置浮板，此設計能遮擋部分電力線，有效改善線路板底部電鍍均勻性。

圖4 VCP電力線分布圖

2.4 確定設備和附屬設備布局圖及設備截面圖

根據《垂直連續鍍銅線工藝流程及設備基本配置表》和各部分的設計要求生成設備布局。

設備布局圖包含VCP垂直連續電鍍銅線的所有工藝槽、過濾桶/過濾機、配電柜、機架、副槽等工藝設備的布局和主要尺寸。根據設備布局圖的長度和線路板的尺寸計算傳動運轉需要多大的馬達力?，F在一般使用變頻器和馬達配合，采用此驅動設備時，傳動速度在（0.5～2）m/min可調。

根據機架結構和設備截面圖和設備布局圖以及《工藝流程和設備配置表》來繪制各個工藝流程的槽體圖紙；根據設備截面圖繪制出抽風系統、陽極遮板升降機構、進排水系統、整流機導電系統、藥水循環系統等圖紙；根據《工藝流程和設備配置表》和圖紙整理出物料清單并編寫BOM代碼輸入到 ERP系統中，采購根據物料清單和BOM代碼進行采購。

3 VCP線的技術優勢

3.1 VCP線鋼帶傳動

VCP線分鋼帶傳動和鏈條傳動。VCP垂直連續鍍銅線，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上下邊緣產生褶皺形成，鋼帶傳動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，使電路板板面電鍍后電路板面傳動速度問題，上下邊緣無褶皺產生。

3.2 VCP線設備獲得的專利

在2016年至2019年初期間，獲得國家授權專利7項。其中發明專利3項：一種電鍍槽內的液位保持裝置、陽極材料清洗篩選裝置、一種銅粉添加溶解系統；實用新型專利4項：一種電鍍板運送開夾裝置、一種濕板下板裝置、一種連續電鍍傳動系統及連續電鍍系統、一種雙邊鋼帶導電導線電鍍傳動系統。

4 結語

VCP線的設計還有很多問題需要考慮，除了上面講到的之外，還需要考慮客戶車間的整體規劃，供水供電方面的規劃，污水處理方面的規劃以及人員編制、成本控制等方面的需求。這里只是對VCP線的機械設備方面和控制方面做了概括性的論述。VCP線今后還會朝著更加智能化、更高效、更環保的方向發展。