DSA涂层钛阳极在PCB行业中应用的可行性探讨

1、DSA涂层钛阳极在PCB行业中应用的可行性探讨一CAM&CADDSA涂层钛阳极在PCB行业中应用的可行性探讨(中南林学院资源与环境学院410004)石慧李科林侯颖杰摘要简要介绍了DsA涂层钛阳极及应用的领域,同时简述了PCB#t._IkZL.T_-流程,从PcB的生产过程和清洁生产两个角度探讨了DSA应用的可行性,并预测了DSA在PCB行业的应用前景.关键词DSA涂层钛阳极PCB电镀工艺可行性应用DSACoatingTitaniumAnodeinPCBProfessionApplication1n11tIeaSlDleJ一,lSCUSSl0nShiHuiLiKelinHouYi

2、n由ieAbstractThisarticlebrieflyintroducestheDSAcoatingtitaniumanodeanditsapplicationdomain,atthesametimehassummarizedthePCBprofessionandthetechnical,fromtwoanglesthePCBproductionprocessandcleanlyproductiontodiscusstheDSAapplicationfeasibility,hasforecastDSAinthePCBprofessionapplicationprospectprocess

3、.KeywordsDSAPCBgalvanizationcraftfeasibilityapplication1前言DSA(DimensionallyStableAnode,尺寸稳定阳极)即涂层钛阳极,被视为20世纪电化学领域中最重要的发明之一,它是一种以金属钛(Ti)作为基体,在表面涂覆以铂族金属氧化物为主要组分的活性涂层的新型不溶性电极.它以具有耐腐蚀性,极距变化小,催化活性高,使用寿命长等突出优点而取代了传统的不溶性石墨阳极,大量投入工业化生产,并广泛应用于化工,冶金,电镀,水处理,环保,海洋,阴极保护等领域中【2】.印制电路板(PrintedCircuitBoard,简称PCB)是电子

4、产品的基本零组件,也是现代电子构装技术的重要环节【31.全世界2002年PCB总产值为3l6亿:.PrintedCircuitInformation印制电路信息2005No.11美元,2003年为345亿美元,同比增长9.18%.印制电路板中的电镀是以孔金属化为中心的综合了前处理,化学镀,电镀,退镀等技术的工艺.PCB是J-世纪六十年代开始应用于电子产品的【5】,随着电子元件的高密度化和集成化,单面和双面线路板已经不能满足高密度和微型化的需求,因此多层印制线路板技术应运而生.现在,对电镀技术要求更加高的多层板的孔化及图形电镀技术,代表着一个国家电子工业的水平.另一方面,随着PCB行业的发展,它

5、对环境产生的污染也是必然的.PCB生产过程对环境产生的污染主要是废水,废液,废气以及废品(渣)等,由于国内的种种原凶,这些污染是存在的,而且还会;0互与0口;一_.CAM&CAD?越来越严重.在这种情况下,清洁生产也被提上了日程.目前采用电化学处理方法来处理PCB行业的废水,废液不会对环境产生二次污染,得到业内人士的青睐.而DSA涂层钛阳极作为电解环节中的电极,以其镀件质量高,电能消耗小,尺寸稳定,电极不溶解等优势在PCB电镀工艺和清洁生产中必然会有广阔的应用前景.2DSA在PCB生产中应用的可行性2.1技术成熟方面2.1.1DSA在电解行业中的技术成熟性DSA作为不溶性电极,

6、目前应用最广泛的行业是氯碱工业【.电解食盐水溶液制取氯气和烧碱时,阳极上主反应为析氯反应,副反应为析氧反应,RuTi涂层电极的使用,具有损耗量极小,析氯电位大幅度降低,尺寸形状稳定,产生的氯气气泡容易脱离,在电解液中不滞留等优点,到20世纪80年代末氯碱工业用钛电极在日本已有1×10smz以上,全世界有1×106m2以上【61.可以说全世界应用DSA作为不溶性阳极进行电化学反应的技术已经很成熟.2.1.2DSA在PCB生产流程中的技术可行性首先介绍一下PCB的生产工艺流程,见图1(以双面板为例)【71.基材准图1PCB生产工艺流程图其中电镀的工艺主要有酸性光亮铜电镀,电镀镍

7、/金,电镀锡.电镀工艺是PCB的工艺流程中不可缺少的一个环节,占有很重要的地位,这就为涂层钛阳极的使用提供了可能性.对于电镀工艺来说,目前在PCB行业中绝大部分都是采用可溶性阳极(溶解型阳极)的电镀方法,以镀铜来举例说明,镀铜中的阳极是由阳极网篮和篮内的磷铜球以及包裹在篮外的阳极袋组成,阴极则是需要镀上铜的镀件一线路板,在酸性镀铜槽内,阳极篮内的铜球不断溶解成Cu2+,当Cu2+均匀扩散到阴极后,吸收电子,还原成金属铜,沉积在线路板上,形成均匀,光亮的镀层.阴阳两极发生的主要反应如下:阳极:CuC1.12+2e一阴极:Cu2+2e一一Cu这种可溶性阳极的使用有它的优点,如可以方便连续地稳定镀液

8、中铜离子含量,减少劳力资源,但也有很大的缺陷:(1)对电流密度的要求很高,高密度会容易引起阳极钝化和氧化膜的生成,从而使阳极溶解太慢或停止,形成不溶解阳极,产生氧气,过多的消耗电镀液铜离子和其它光亮剂;(2)可溶性阳极一般要含0.03%加.06%的磷,目的是防止高电流密度电极的钝化和极化,但是磷的加入,增加了生产成本;(3)使用这种可溶性的阳极,不可避免的会有一些阳极泥的产生,对电解液造成一定程度的污染,从而影响镀件的质量:(4)铜球没有完全装满或铜球之间发生”桥接”,则篮内表面保护性的钛氧化层会受到损坏,缩短了钛篮的使用寿命.在PCB电镀中使用不溶解性阳极的新工艺,一般都要求提供一个Cu2+

9、补充系统,用来维持Cuz+浓度的稳定.用HDI(高密度互连板)的电镀铜来说,比较典型的是在不溶性阳极系统之外再添加一个装有铜球的铜再生槽,由再生槽将铜溶解再通过泵输送到电镀槽中去,典型的系统如图2所示Is1.电镀槽阳极IIr在阳极氧化阴极I恤I在阴极还原铜再生槽在铜表面的反应是:2Fe>+Cu=2Fe2Cu2图2带有不溶性阳极的酸性铜电镀系统左边为电镀槽,右边为铜再生槽,通过电泵将两个体系连接,使用的Fe,+/Fe2+氧化还原体系,帮助铜的溶解,还可以阻止氧气的生成,对铜的补充简单,目前在国内外该技术已经应用于HDI的电路板生产中【91.2.2提高产品质量方面使用不溶的涂层钛阳极

10、后,是从以下三个方面来提高产品质量的:(1)对于镀件表面分布来说,很大程度上取决于阳极条件,当阳极得到很好的维护时,其结果是可以接受的,但是溶解型阳极容易钝化,随着每小时电镀的进行,钝化越来越明显,使得镀层的分布变差,不溶性电极就不存在这个问题,镀件的表面分布不会受电镀时间的延长而变差,即提高了镀件PrintedCircuitInformation印制电路信息2005No,II43一:o互与o口;.?CAM&CAD:的质量.(2)阳极不溶解,不会有阳极污泥的生成,进互而就不会污染电镀溶液,再加上对循环的电解液进.J行了过滤循环,镀件质量更高.(3)DSA涂层钛阳极尺寸稳定,在电

11、解过程中;电极间距离不变化,可保证电解操作在槽电压稳定;情况下进行,对两极提供了一个稳定的反应体系,:有利于提高镀件的质量.:2.3增加经济效益方面:(1)采用DSA涂层钛阳极的电镀系统以后,不:需要使用磷铜球,而改为使用造价低的铜球,同时:也可以利用生产中再生的铜,减少了生产成本,也:就增加了经济效益.;(2)把硫酸亚铁加入到镀电解液中去,阳极的:反应变为Fe2+氧化生成Fe¨,从而消灭了阳极表面:处任何氧气的逸出,并减少了电镀液铜离子和其它:添加剂的消耗,节约了成本.:(3)DSA阳极的工作电压低,因此电能消耗小,:可节省电能的消耗,减少生产成本.:2.4加强生产管理方面采用新的

12、系统之后,有以下几个管理方面的优点:(1)采用独立的两个系统,对电流密度的要求:大大降低,高密度的电流密度不存在对铜球表面造:成钝化和形成氧化膜,减去了定期清洗磷铜球的工;作.:(2)两个独立的系统,电镀系统中没有电解污:泥产生,电解液管理更加方便.(3)目前使用阳极袋,要经常清洗并检查(大:约每周一次)其是否破损,操作比较繁琐,阳极袋:一旦破损,对生产造成的损失也是很大的,同时也:给生产的管理带来很大的不便,新系统中无阳极:袋,省去了一些管理上的麻烦.:3DSA在PCB行业清洁生产中应用的可:行性;3.1PCB行业的污染情况极其危害:随着现代信息产业及电子工业的高速发展,我国的电路板工业的发

13、展迅猛,仅我国大陆东南沿海l地区PCB生产企业已达1600多家【4】.而此类生产一厂家又都是污染比较严重的企业,因此线路板企业:所造成严重的环境污染和资源浪费问题提上了日:程.PCB行业的废液见表1to,其中蚀刻废液是PCB;.PrintedCircuitInformation印制电路信息2005No.,厂里废液量最大,但又最有回用价值的资源,按印制电路板铜箔的利用率为30%0%,生产10000m双面板计算,则蚀刻废液中的含铜量就有4500kg左右,并含有不少其它的重金属和贵金属.这些含有大量金属的废液,废水如果不经处理而任意排放,不仅浪费了大量的资源,增加后续污水处理的成本及难度,而且会造成

14、地下输送管道的腐蚀,更为严重的是造成水体的污染.表1PCB行业废液分类表3.2DSA在PCB清洁生产中的可行性3,2.1技术成熟方面就目前来说,按对PCB工艺过程中产生的污染物的控制来分,处理工艺主要有可分为两类:其一是废水的处理,包括冲洗,冷却水的处理回用工艺和显影,去膜等废水处理后达标排放工艺;其二是废液的处理,主要是指对蚀刻废液,退锡水,化镀及电镀废液的再生处理并回收铜等重金属.在这些处理工艺中,采用的方法有化学沉淀法,离子交换与萃取法,液膜法,电解法等.传统上多采用化学沉淀法,向废液中投加一定的化学药品,对于金属离子的沉淀大多采用氢氧化物或硫化物,水中的重金属离子易与氢氧根离子作用产生

15、溶度积小的沉淀,达到去除的目的.然后再对沉淀进行加酸的溶解处理,得到重金属或其化合物.这种方法操作比较简单,但是化学药品的浪费严重,再加上产生的污泥量很大,而且污泥中含有的重金属也严重超标,目前对于污泥大多都采用填埋处理,这就等于给环境埋下了一个定时炸弹,渗滤液随时会对环境造成二次污染.按照清洁生产的要求,这肯定是不太合适的,因而在这个基础上,采用电化学的处理方法得到了肯定.PCB行业中废液量最大并且最有回用价值的就是蚀刻废液,蚀刻废液中主要含有铜,而在用电?CAM&CAD.化学法来处理含有重金属铜的废液这方面前人已经做了不少的研究,王雅琼Ill等采用电化学沉积方法进行处理含C

16、uz量为1O00mg/L以下的酸性含铜废水,使处理后的废水达到排放标准.高瑞华【l2】等用电解法氧化CU,Fez+可以使蚀刻废液达到回用要求,并且以能铜粉的形式回收废液中多余的铜.该工艺无论是电解,还是再生,整个过程不消耗化学原料,成品液浓度与原蚀刻液浓度基本相同,只要电解过程控制适当,完全可以实现清洁生产.典型的电解装置(以CuSO溶液为例)如图3所示.阴阳极分别发生了氧化还原反应如下:阳极:40H.4e一0+H,0阴极:Cu2+2eCu或2H+2eHf采用这种电解系统来处理蚀刻等废液的优点就在于它操作管理方便,设备也比较简单,而且整个过程比较容易实现自动控制.图3电解CuSO溶液示意图3.

17、2.2加强环境保护方面国内PCB企业一般仅将回收价值较高的碱性(或酸性)蚀刻液卖给专业回收公司或私企进行处理,其它废液则通过废水车间进行综合处理,私企在回收废蚀刻液时,往往只回收其中有用的铜,而剩余物则直接倾倒,形成了对环境的二次污染.而采用电解法来处理蚀刻等废液,不会产生大量的含重金属的污泥,也就不会对环境造成二次污染,而且只要电解的条件控制适当,可以实现废水的”零”排放,这使环境保护压力大大减轻.3.2.3提高经济效益方面仅仅从蚀刻液中回收铜这一部分的清洁生产来看,其产生的经济效益也是相当可观的.采用电解方法来处理蚀刻液,按回收率为90%来算,对于一个年产200O00m双面板和多层板(按6

18、层和每层18艴铜厚度来计算)各占50%的PCB企业,每年仅从蚀刻溶液处理后的电镀铜回收就可达135吨以上,价值在360万元,因此每个PCB企业可以从这里得到一笔十分可观的经济收入.4结语在PCB生产过程中,电镀工艺采用DSA涂层钛阳极,不仅可以提高镀件的质量,而且可以减低生产成本,提高经济效益,方便生产管理.同时,在PCB清洁生产过程中,采用DSA的电解方法来处理蚀刻废液,回收铜并且实现蚀刻废液的再生同样可行,这种做法不仅可以减少对环境的污染,同时也可以给企业带来很大一部分的经济效益.DSA涂层钛阳极至发明以来,在世界各个工业的电解行业中得到了广泛的应用,而作为电子行业主要产品的PCB,几乎在所有的电子产品中使用,其发展的速度也是非常快速的,近十几年来,我国PCB工业每年以15%以上的高速度发展,已跨进世界PCB大国之列1,两者的有机结合必然会带来极大的效益.圆参考文献【1】潘会波.稀有金属材料与工程【J】.1999,28(6):50【2】张招贤.钛电极工艺学【M】.冶金工业出版社,2003:315316【3】麦久翔,许贵银.世界印制电路板近况【J】