工艺控制很少被行业关注，但对于成功运营PCB工厂却至关重要。其中涉及控制众多PCB工艺中的化学品浓度，特别是那些快速发展的自动化工艺。

我擅长分析，故对“控制”项目都很着迷。我的第二学位就是EE控制理论，而且我本人对行业的了解都是从反馈环和黑匣子这两个方面入手。刚进行入这个行业时，我自愿参加了加州电路协会（California Circuits Association ，简称CCA）的技术项目组，这个协会的创建者正是我的导师Clyde Coombs。在和工艺工程师们讨论时，能明显看出，小型PCB工厂无法负担类似惠普公司使用的化学工艺控制方法，也不能为像我这样的技术人员提供支持。 

自我成为一名印制电路工艺工程师后，这就是我最感兴趣的主题。幸运的是，我在本科时参加过一位化学工程教授的仪器分析化学课程。在该课程的学习中，我们用类似于乐高的模型分析系统（包括电子部分）制造了40多个分析仪、光谱仪和滴定仪。为此我意识到这个问题有解决之道。

对于尖端工艺而言，化学实验室是工艺控制的重要一环。这一过程中当然可以购买复杂的测量工具和实验室设备来完成，但现有的工具和方法也可以让解决方案变得更简单。

因此我发明了成本低、工艺分析简便的方案，不仅能让电镀装置自主控制原本需要由化学工程师操作的仪器，同时分析测试的效率更高。由CCA组织的每月例会上，我们把设备摆在几张桌子上展示，所有人都能审核项目成本及使用方法。

有些方法用到的材料很好找，比如给婴儿检验苯酮尿症（PKU）的Clinistix（尿糖试纸）就能从任何一家药房买到。这种塑料指示剂20个10美元，可以用不到1分钟的时间测量出温和蚀刻剂中过氧化氢的浓度。另一个例子是用成本为18美元的液体比重计来控制蚀刻、清洁剂、酸性和电镀。用这些简单的测量方法节省了成本，较低的化学浓度也可测出（图1）。 

图1：频繁或连续监控化学品可以降低成本、提高良率

此项目非常成功，为此过去40年我把这个想法付诸于实践。2009年时，我完善了一个小型循环溶出伏安法（CVS）装置，成本仅200美元就替代了实验室价值20000美元的装置，关键是每个镀铜槽都可持续CVS测量。当时将此方法应用于中国的工厂里68个2000L镀铜单元/槽，结果大幅提高了性能和良率。

化学工艺受关键化学品浓度控制。生产管理和技术人员将这两种低成本的方法应用化学工艺监控，涉及PWB制造、化学涂层、传感器制造和电镀/电铸等应用领域。通过离子专用电极和简单的色轮比较器，仅几百美元就可以运行的大量化学氯分析或电池供电的分光光度计，某些技术的成本仅为20美元。

生产人员经培训后可使用所有这些方法。项目不需要正式的实验室，但实验室可以使用这些技术来提高生产力、增加可以控制的化学品数量。对于关键镀铜工艺而言，这点尤为重要，例如HDI导通孔填充和SAP金属化。如图2所示，铜镀层有5个非常重要的指标。

• 均镀性；

• 整平性；

• 抗裂性；

• 最大电流密度；

• 外观。

图2：电镀参数的影响以及浓度升高后发生的变化，可以自动分析和控制前5个参数

这5个性质受6个参数控制，其中5个参数是化学品浓度：

• 增亮剂；

• 整平剂；

• 铜离子浓度 ；

• 硫酸；

• 氯离子浓度；

• 温度。

尽管很多参数都会影响电镀层的分布，但化学品浓度是最重要且影响最大的参数之一，其变化速度要快于任何其他参数。更好地控制化学品的原因包括：

• 鉴别工艺问题；

• 减少人为错误；

• 提升加工可靠性；

• 收窄工艺窗口；

• 降低化学品运营成本。

最常用的化学传感器

PCB制造中最常用的化学传感器：

• 电化学；

• 比重；

• 比色（光谱仪）；

• 电子比色；

• 电分析技术（伏安法）。

1.电化学传感器

像酸碱度这样的电化学传感器是分析中最常用的，但氧化还原电势（ORP）、离子选择电极、电容和电导率传感器也同样重要（表1）。

表1：5种主要的电化学传感器功能

电导率 

电导率传感器可以测量电解质中固体总量。需要确定已知成分的盐、碱和酸的浓度时，通常会用这类传感器。这些溶液的浓度会改变溶液电阻或电导率。

较低的电导率范围为0.01-100000微欧/厘米，用于表示水（锅炉水、冷却器水或去离子水）的纯度。浓度更高的电解质（50毫欧/厘米至1000毫欧/厘米）使用化学探针以避免电解的极化效应。业内常用测量电导率（溶解离子浓度）和酸碱度（氢离子浓度）的传感器。

特定离子

特定应用需要测量溶液中的离子活性，可设计对需要测量浓度的特定离子非常敏感的电极来实现。这些电极在外观上和测量酸碱度的电极相似，但实际由玻璃膜电极、固态膜电极、液态离子交换膜电极以及硅胶浸透电极构成。基准电极和测量酸碱度使用的电极相同。在与酸碱度电极使用的高阻抗电压表相似的电压表上读取电极输出。

使用离子选择技术以后，可以实现许多种应用。在印制电路领域，可以测量酸性硫酸盐电镀液中的铜和氯化物，锡铅氟硼酸盐电镀液中的铅和氟硼酸盐，化学镀铜溶液中测量的氰化物（延展性促进剂），去钻污/凹蚀溶液中的高锰酸盐，还可测量金手指电镀用硫酸镍电镀液中的硫酸盐。

特定离子电极专为特定离子而制成，例如铜、氯、硫酸盐等， 敏感度范围以ppm和首选pH值为单位。很多时候，特定离子电极与酸碱度电极使用的测量仪器相同。

ORP/氧化反应

ORP或氧化还原反应确定了化学反应的氧化特性或还原特性。还原和氧化的过程正相反。如果没有还原，就不会有氧化。例如，如果二价铜离子还原为一价铜离子，那么亚铁离子同时会失去一个电子成为三价铁离子（获得正电荷）。

ORP或氧化反应作为化学溶液自动控制技术（ACSC）使用的传感器，用于控制氯化铁、氯化铜和过氧化氢/硫酸蚀刻中的氧化剂，还可用于测量金手指电镀溶液中的Au（III）至Au（I）以及化学镀铜液中的铜活性。

2.比重传感器

还有一类常用的是比重传感器（SG）。尽管不用化学分析，但也可测量溶液中溶解的固体浓度。业内常用的方法有6种：

• 液体比重计；

• 浮筒；

• 静水压头；

• 辐射；

• 固定体积重量；

• 振动U型管。

测量SG最经济的方式就是使用液体比重计（图3）。这类仪器价格非常便宜，有多种量程，但都需要手动放入烧杯中。

图3：48种不同量程的商用液体比重计

比重计属于浮筒型SG传感器。另一种浮筒比重计是完全浸入式。图4所示的SG传感器使用GEM级开关制成。在CPVC塑料轴中钻取特定深度（Dd）的孔，再将两个CPVC塑料螺母调整到对应的特定直径（Nd）。通过把螺杆拧进或者拧出，SG的设定点范围可以变动的范围在1倍至50倍内。图5为校准曲线。横轴为SG操作设定点，纵轴为量程范围。这样一来就确定了传感器的钻孔深度（Dd）和螺母直径（Nd）。

图4：用GEM级开关、中间带有螺纹的中空螺杆和两个有螺纹的螺母，就可以制造出极其敏感和精准的浸入式SG传感器

图5：图4中SG传感器的校准曲线和操作曲线，选取传感器的操作点和跨距，就能确定外侧螺母直径和塑料杆的钻孔深度

为了确定操作曲线，要根据阿基米德定律确定操作准则，根据螺母的位置，螺杆和螺母的固定重量受到重心（CoG）作用。为了能让传感器漂浮起来并且关掉开关，不论螺母处于什么位置，浮筒的体积和重心都不会改变，只有液体的SG（浮力）能和CoG形成对抗。SG传感器的敏感度是任何市面在售传感器的25倍，价格却是这些传感器的千分之一，最小量程为0.02，精度比0.8-1.5个单位水溶液高0.04%。

比如过氧化硫微蚀刻剂中硫酸铜浓度的分析，首先测量温度然后再测量出比重。这两个点的交汇就是硫酸浓度和硫酸铜浓度。

3.比色传感器（光谱仪）

第三种常见的工具是颜色指示器。在溶液中加入传感器条带或化学添加剂，用形成的颜色和标准色带比对，但这种方式需要操作人员肉眼来判断颜色是否一致。这种方法本身没有问题，但工作人员如果是色盲就无法应用（图6）。

图6：简单的颜色比对可以非常准确，例如家中游泳池的酸碱度测试和含氯浓度测试

至于光谱测定传感器，或者用更恰当的名字来表示——电磁辐射能量传感器，其中可见光色度计、紫外可见光分光光度计和红外分光光度计是最常用的。只有前两个会在PCB工艺中使用。分光光度计用来分析化学镀铜、硫酸电镀、过氧化氢硫酸蚀刻溶液中的铜，以及镍、钴、钯和铬在相应镀液中的浓度。

之所以应用紫外可见光分光光度计是因为其微处理器控制单元，通过选择性扫描波长并使用吸光度曲线的第一和第二个衍生曲线，这些光谱与存储的光谱对比，可自动计算浓度。很多单元都能直接控制镀液补充和取样。

能用此方式分析镀金溶液中Au(I)和Au(III)的浓度，也能确定镀金用的镀镍溶液中专利添加剂、镍和杂质的含量，以及各类不同的铜浓度分析。整个过程中去除了人工操作，波长也随着常用 UV-VIS分光光度计得到了扩展。以下是6种常用UV-VIS分光光度计，光敏范围是340 nm至1000 nm（图7）。

图7：实验室供应商提供的6款常用UV-VIS分光光度计及其波长，其中有些仪器已经问世60年了（如Spectronic 20）

近期，随着手机摄像装置的推陈出新，许多DIY分光光度计也相继面世。所有的工作都是基于LED的光有特定波长，并且不需要再使用昂贵的光学滤波片或单色光镜光栅。图8所示是12个不同LED的波长，以及初高中学校里常用的DIY光谱仪。

图8：DIY分光光度计在网上很常见，而且初高中的学生就可以制作出。使用特定波长的LED或任何CD的光栅就可以制作出简单的色度计。检测器可以是常用的手机摄像头，也可以是为Raspberry Pi或Arduino购买的特定摄像头。此处展示的是常见的乐高分光光度计。

一种叫做乐高分光光度计的特定DIY分光光度计就是用儿童乐高以及CD切下来的波长光栅。Raspberry Pi或Arduino的摄像头模块的波敏范围从400nm到900nm不等。设计和零件可以从网上查看。如果中学生都能制作并使用这些分光光度计，那工厂也可以。

IR和UV/VIS分光光度计这种设计使用了白钨灯、细直光栅，以及光电探测器。1980年，惠普（HP）研发了一种不带有移动零件的全新IR/UV/VIS分光光度计，使用了固定的全息光栅和2000像素的二极管阵列检测器（DAS）。可以在不到1毫秒的时间内快速完成光谱扫描，之后，就能安排波长浓度计算，并能确定反应动力学会受到哪种程度的基准线抑制。

第一代DAS HP 8450A有5个样品槽、1个光束指示器以及实现自动收集/分析数据的软件组成。第二代8452A的价格降低了38%，并且使用了彩色显示器。第三代Agilent 8453E虽然成本只有初始DAS的68%，但波敏范围却扩大了25%。Agilent DAS是PCB化学实验室中的理想仪器，可以轻松测试波长、校准浓度，还能实现自动化化学分析。

由于篇幅有限，本文节选刊登，更多内容可点击此处，本文发表于《PCB007中国线上杂志》12月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。

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