印制電路板垂直線節(jié)水技術(shù)的分析與研究

Paper Code: A-091

孟凡義 貝俊濤

汕頭超聲印制板公司

印制電路板垂直線節(jié)水技術(shù)的分析與研究

Paper Code: A-091

孟凡義 貝俊濤

汕頭超聲印制板公司

印制電路板制造流程中，存在大量的水清洗單元，產(chǎn)生一定量的廢水。文章利用微積分理論，對垂直線水清洗單元進(jìn)行分析，得出理論公式并通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。該公式可量化評估清洗效果的各影響因子的貢獻(xiàn)度，如水流量、供水時(shí)間、帶出量、水洗級數(shù)、缸體積等，從而針對性優(yōu)化，達(dá)到清洗和節(jié)水的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)生產(chǎn)線特點(diǎn)，獲得合理流量值，大大節(jié)約了清洗水耗用。

垂直線；清洗公式；清洗效果；節(jié)水技術(shù)

“清潔生產(chǎn)，節(jié)能減排”是國家“十二五”規(guī)劃的重要內(nèi)容，是各行各業(yè)永恒不變的主題。2012年7月11日，國務(wù)院常務(wù)會議討論通過的《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》明確提出，要通過抑制高耗能、高排放行業(yè)過快增長，提高能效水平，強(qiáng)化主要污染物減排等措施實(shí)現(xiàn)既定的減排目標(biāo)。該《規(guī)劃》要求，形成加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的倒逼機(jī)制，建立健全有效的激勵(lì)和約束機(jī)制，大幅度提高能源利用效率，顯著減少污染物排放，確保到2015年實(shí)現(xiàn)單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2010年下降16%，化學(xué)需氧量、二氧化硫排放總量減少8%，氨氮、氮氧化物排放總量減少10%的約束性目標(biāo)。

本文通過理論分析，利用微積分原理，推算出印制電路板制造流程中垂直生產(chǎn)線水缸浸泡式清洗的理論模型公式，并加以驗(yàn)證。利用所得理論模型公式可量化評估清洗效果的各影響因子的貢獻(xiàn)度，如水流量、供水時(shí)間、帶出量、水洗級數(shù)、缸體積等，從而針對性優(yōu)化，達(dá)到清洗和節(jié)水的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)生產(chǎn)線特點(diǎn)，獲得合理流量值，大大節(jié)約了清洗水耗用。

1 水清洗技術(shù)

1.1 水清洗定義與方法

水清洗是濕法清洗技術(shù)的一種，即用水作為清洗介質(zhì)從工件表面清除液體污染物和固體污染物，使工件表面達(dá)到一定的潔凈程度。在印制電路板制造流程中，清洗所用水一般為市水、去離子水、高純水或回用水；“工件”則是指印制電路板及其夾持工具，如掛籃、飛巴夾具等；“液體污染物”一般是流程中上一級藥水的帶出，“固體污染物”一般是火山灰、板粉、干膜碎、水藻等。印制電路板水清洗的基本過程屬于水、污染物與電路板三者之間多相界面的相互作用，是一種復(fù)雜的物理、化學(xué)和機(jī)械作用的過程。

在印制電路板加工業(yè)中，水清洗的方法主要有浸洗、超聲波清洗、噴淋清洗以及各種強(qiáng)化清洗方法如擦洗、刷洗等。其中，浸洗是垂直電鍍、化學(xué)鎳金、化學(xué)鍍銅等垂直線最為常見的清洗方法，而噴淋清洗則在干膜前后處理、酸性蝕刻、堿性蝕刻、感光阻焊前處理及其顯影等水平生產(chǎn)線中較為常見。

1.2 水清洗能力

水清洗能力是指在一定條件下，除去粘附于印制電路板表面污染物的能力。其一，是指污染物出去的數(shù)量或者污染物允許殘留的程度；其二，是指除去一定數(shù)量污染物所需的時(shí)間。

水清洗結(jié)果，即印制電路板表面潔凈度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)：（1）必須滿足下道工序（或者下一級處理）的要求；（2）必須保證印制電路板具有足夠好的性能、使用壽命和可靠性。

2 水清洗理論模型公式

2.1 理論模型公式的推導(dǎo)

印制電路板流程中，垂直生產(chǎn)線采用較多是“水浸洗”，偶有“水噴淋清洗”，本文重點(diǎn)介紹垂直線“水浸洗”技術(shù)，以下描述“水清洗”若無特指，則是指垂直線水浸洗方法。

在印制電路板垂直生產(chǎn)線的水清洗流程，其主要目的是去除掉電路板和掛籃自上一級藥缸中帶出的藥水，防止交叉污染。其原理是水的稀釋作用，即利用流體擴(kuò)散、分散作用，使?jié)舛冉档偷倪^程。 擴(kuò)散現(xiàn)象是指物質(zhì)分子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域轉(zhuǎn)移直到均勻分布的現(xiàn)象，速率與物質(zhì)的濃度梯度成正比。擴(kuò)散是由于分子熱運(yùn)動而產(chǎn)生的質(zhì)量遷移現(xiàn)象，主要是由于密度差引起的。

當(dāng)然，印制電路板的清洗不會像試驗(yàn)所示的擴(kuò)散如此之慢，垂直線水清洗缸體一般配有循環(huán)、打氣等，大大促進(jìn)了擴(kuò)散作用，使得清洗過程在短短幾分鐘內(nèi)完成。以垂直線微蝕后二級溢流水清洗作為研究對象，進(jìn)行理論分析，并推算理論公式。

圖1 垂直線微蝕后二級水洗示意圖

對于二級溢流水洗，首先，電路板及掛籃或夾具將微蝕藥水帶入一級水洗缸，一級水洗缸內(nèi)的水在打氣、循環(huán)等支持下，迅速地帶出微蝕液稀釋。二級水洗不斷補(bǔ)充新鮮水，并溢流至一級水洗，將溶有微蝕藥水的“臟水”稀釋干凈；然后，電路板及夾具又將一級水洗缸內(nèi)含有微蝕藥水的“臟水”帶入二級水洗進(jìn)一步稀釋、擴(kuò)散，從而將電路板帶出的微蝕藥水清洗干凈，避免將過多的微蝕液帶入下一級藥缸。經(jīng)過時(shí)間t后，水缸內(nèi)微蝕藥水組分濃度為C，則C是關(guān)于t的函數(shù)，C=C（t），以微積分方式對一級水洗進(jìn)行分析：

dt時(shí)間內(nèi)出水口溢出的溶質(zhì)為：-C×k0×dt

dt時(shí)間內(nèi)進(jìn)水口進(jìn)入的溶質(zhì)為：C0′×k0×dt

總體溶質(zhì)變化量為：d（V0×C）

則：d（V0×C）= -C×k0×dt+ C0′×k0×dt

分離變量后：d(C- C0′)/(C- C0′)=-k0/V0×dt，積分求解后得到如下公式：

C：水洗缸內(nèi)的溶質(zhì)濃度；

k0：進(jìn)水流量，l/m；

V0：缸體積，l；

t：進(jìn)水時(shí)間，一般對每掛板進(jìn)行分析，所以t在0-T范圍內(nèi)；

C0：每個(gè)周期初始時(shí)水洗缸濃度，C0=C初+ CE* V1/ V0，其中C初為板件即將進(jìn)入水缸前的濃度，V1為板件帶入量，CE為板件帶入該水洗缸的溶質(zhì)濃度；

C0′：即進(jìn)水濃度，或溢流入該缸水的濃度。

2.2 理論模型公式的驗(yàn)證

利用垂直線的一組水清洗缸，對推導(dǎo)公式（1）進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證方法：通過實(shí)際監(jiān)測獲得水質(zhì)初始電導(dǎo)率，然后利用理論模型公式得出后續(xù)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電導(dǎo)率，該理論電導(dǎo)率-時(shí)間曲線與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果所得電導(dǎo)率-時(shí)間曲線進(jìn)行回歸對比如下：

圖2 理論電導(dǎo)率取對數(shù)值-時(shí)間 擬合線圖

圖3 實(shí)測電導(dǎo)率取對數(shù)值-時(shí)間 擬合線圖

利用公式所得理論電導(dǎo)率與實(shí)際電導(dǎo)率分別取對數(shù)后對時(shí)間t回歸分析，兩者方程極為接近。通過相關(guān)性檢驗(yàn)：理論電導(dǎo)率和實(shí)際電導(dǎo)率的 Pearson 相關(guān)系數(shù)=0.991，P值=0.000，即驗(yàn)證了理論模型公式與實(shí)際垂直線水清洗狀況一致，公式具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 水清洗影響因子的量化分析

在印制電路板垂直線水清洗過程中，隨著生產(chǎn)線生產(chǎn)時(shí)間的延長，水缸內(nèi)殘留的其上一級藥缸組分越來越多，并趨于穩(wěn)定。利用以上所得垂直線水清洗的理論模型公式（1）并結(jié)合生產(chǎn)線的工藝參數(shù)控制與設(shè)備特點(diǎn)，即可得出水缸內(nèi)雜質(zhì)變化曲線。對比不同參數(shù)下所回歸曲線，即可量化分析影響水清洗效果的各影響因子，水流量、供水時(shí)間、帶出量、水洗級數(shù)、缸體積等。

在以下各影響因子分析中，由于一級水洗前藥缸為強(qiáng)電解質(zhì)組分，如微蝕藥水、鍍銅藥水等，所以可采用電導(dǎo)率代替組分濃度，弱電解質(zhì)（如除油藥水、有機(jī)退膜藥水等）由于存在電解平衡、二級電解等，則不可用電導(dǎo)率替換。水洗缸內(nèi)電導(dǎo)率不斷升高，即意味著該水缸內(nèi)“污染物”含量不斷增加，板件自該水洗缸進(jìn)入下一級水洗或藥缸時(shí)，帶入的“污染物”也越多。水洗前藥缸組分進(jìn)入水缸，未得到有效清洗，則進(jìn)一步帶入水洗后藥缸，兩種藥水組分可能會發(fā)生反應(yīng)，并導(dǎo)致藥水變性，影響藥缸處理電路板的效果，導(dǎo)致板件發(fā)生品質(zhì)異常。

3.1 水流量與供水時(shí)間對水清洗的影響

如圖4，是特定缸體積和每掛板生產(chǎn)周期，一定帶出量下，在不同供水流量（4lL/min、8L/min、12L/min、16L/min、100L/min）下，一級水洗缸內(nèi)電導(dǎo)率隨生產(chǎn)板件制作數(shù)量增多的變化情況。

圖4 不同流量下，掛數(shù)（類似板件數(shù)量）與一級水洗電導(dǎo)率關(guān)系曲線

由該曲線可以看出，采用一級水洗，隨著供水流量的不斷降低，水缸中清洗水電導(dǎo)率不斷升高，并趨于穩(wěn)定；水流量越小，電導(dǎo)率穩(wěn)定值越大，即意味著板件帶入水洗后藥缸的污染物越多。

供水時(shí)間同水流量類似，供水時(shí)間越長，則供水越多，則在帶出物量一定的情況下，“污染物”可被足夠的水有效稀釋，缸體內(nèi)清洗水電導(dǎo)率自然會降低。

3.2 帶出量

如下圖，是特定供水流量、缸體積和每掛板生產(chǎn)周期，水清洗為一級水洗，在不同帶出量下（0.3 L/掛、0.4 L/掛、0.5 L/掛），一級水洗缸內(nèi)電導(dǎo)率隨生產(chǎn)板件制作數(shù)量增多的變化情況。

圖5 不同帶出量下，掛數(shù)（板件數(shù)量）與一級水洗電導(dǎo)率關(guān)系曲線

由該曲線可以看出，采用一級水洗，隨著電路板與掛籃或夾具的帶出量不斷增加，水缸中清洗水電導(dǎo)率不斷升高，并趨于穩(wěn)定；帶出量越多，電導(dǎo)率穩(wěn)定值越大，即意味著板件帶入水洗后藥缸的污染物越多。

3.3 水洗級數(shù)

如圖6，是特定帶出量、缸體積和每掛板生產(chǎn)周期，水清洗為二級溢流水洗，在不同供水流量下，第二級水洗缸內(nèi)電導(dǎo)率隨生產(chǎn)板件制作數(shù)量增多的變化情況。

圖6 不同水流量下，掛數(shù)（板件數(shù)量）與二級水洗電導(dǎo)率關(guān)系曲線

由圖4和圖6曲線對比可以看出，二級溢流水洗的6 L/min與一級水洗的100 L/min，清洗效果接近；若采用三級水洗，利用該理論模型公式推算所需水流量為0.5 L/min。所以，水清洗級數(shù)越多，則達(dá)到相同清洗效果，所需水量越小，即利于節(jié)水。由此同樣可知，供水流量一定的情況下，溢流水洗級數(shù)越少，則最后一級水洗到電導(dǎo)率越高，即意味著板件帶入水洗后藥缸的污染物越多。

3.4 缸體積

如圖7，是特定供水流量、一定帶出量和每掛板生產(chǎn)周期，水清洗為一級水洗，在不同缸體積（60 L、120 L、180 L、240 L、300 L）下，一級水洗缸內(nèi)電導(dǎo)率隨生產(chǎn)板件制作數(shù)量增多的變化情況。

圖7 不同水清洗缸體積下，掛數(shù)（板件數(shù)量）與一級水洗電導(dǎo)率關(guān)系曲線

由該曲線可以看出，采用一級水洗，隨著缸體積不斷增大，水缸中清洗水電導(dǎo)率不斷升高，并趨于穩(wěn)定；缸體積越大，電導(dǎo)率穩(wěn)定值越大，即意味著板件帶入水洗后藥缸的污染物越多。

4 理論模型公式的應(yīng)用

垂直線水清洗的主要目的是清洗板件及掛籃或夾具的藥水帶出，防止水缸前后藥缸交叉污染。當(dāng)然，從理論上推算，當(dāng)水流量趨于無窮大時(shí)，可以將帶出物完全稀釋干凈，但同時(shí)意味著大量的用水量與廢水產(chǎn)生量。

合理的水清洗流量，確保達(dá)到前文所述的印制電路板表面潔凈度標(biāo)準(zhǔn)（必須滿足下道工序或者下一級處理的要求；必須保證印制電路板具有足夠好的性能、使用壽命和可靠性）即可。例如有些藥水供應(yīng)商規(guī)定，每組水洗的最后一級水洗中，含有的“清洗水前藥缸組分”濃度需低于藥缸內(nèi)組分濃度的1/10000。

結(jié)合不同工藝流程水清洗標(biāo)準(zhǔn)與垂直線水清洗理論模型公式，即可推算對應(yīng)生產(chǎn)線的各組水清洗缸的供水流量，從而得出理論用水量。對比當(dāng)前生產(chǎn)線實(shí)際用水流量與理論流量，并根據(jù)生產(chǎn)線特點(diǎn)、所加工電路板板件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與清洗效果保障性預(yù)留空間，即可得出節(jié)水空間，制定用水目標(biāo)，采用循序漸進(jìn)方式，逐步節(jié)約用水，從而達(dá)到用水目標(biāo)。如下是垂直線水清洗理論模型公式在實(shí)際生產(chǎn)線的應(yīng)用效果，用水量均降低50%以上。

圖8 圖形電鍍線周日均用水推移圖

圖9 沉金線周日均用水推移圖

5 結(jié)語

《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》明確要求，形成加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的倒逼機(jī)制，建立健全有效的激勵(lì)和約束機(jī)制，大幅度提高能源利用效率，顯著減少污染物排放。在印制電路板制造業(yè)中，追求“清潔生產(chǎn)，節(jié)能減排”，既利國利民，又利用降低企業(yè)用水與廢水處理成本。本文利用所得理論模型公式并結(jié)合具體生產(chǎn)線狀況，有效節(jié)約用水，取得較好成果，供廣大同行參考，避免盲目節(jié)水，無度參考，進(jìn)而因小失大。

[1] 蘇培濤. 印制板濕法加工中的綠色生產(chǎn)和成本節(jié)約[C]. 2010秋季國際PCB技術(shù)/信息論壇論文集, 2010.

[2] 金杏林. 精密洗凈技術(shù)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社.

貝俊濤，設(shè)備主任工程師，對PLC、自動化控制等擁有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)。

Analysis and research of water savings technology in PCB vertical process

MENG Fan-yi BEI Jun-tao

During printed circuit board manufacture processes, there are lots of washing plants to clean PCBs, which can also produce waste water. This article used calculus theory to analyze washing plant of vertical process, and got a formula which was proved in application. The formula can evaluate each factor ’s effect to washing results quantitatively, such as water fl ow, water-supply time, drag-out, magnitude, tank volume, and so on.These factors can be optimized to improve cleaning result and save water. It can get optimal fl ow rate according to the characters of different manufacturing lines, which has made outstanding accomplishments during applications.

Vertical Process; Cleaning Formula; Cleaning Result; Water-saving Technology

TN41 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：

1009-0096（2012）增刊-0516-06

孟凡義，工藝工程師，Tel：0754-88245666-4223，E-mail：fymeng@cctc-pcb.com。