壓延銅箔生產工藝概述

田軍濤

(中國瑞林工程技術有限公司, 江西 南昌 330032)

壓延銅箔生產工藝概述

田軍濤

(中國瑞林工程技術有限公司, 江西 南昌330032)

綜述了國內外壓延銅箔的生產現狀,分析了壓延銅箔的生產工藝和關鍵技術,指出厚度控制、表面質量和表面處理是銅箔生產的關鍵環節,全面、全過程和全員參與的質量管理制度是壓延銅箔生產的保證;介紹了電子銅箔的種類、應用領域和工業標準;綜合對比了電解銅箔與壓延銅箔的性能,與電解銅箔相比,壓延銅箔具有更好的延伸性和耐折性,更高的軟化溫度和強度,更低的表面粗糙度,指出壓延銅箔是制造撓性印刷線路板基板的關鍵材料.

壓延銅箔; 撓性印刷線路板; 電解銅箔; 生產工藝; 關鍵技術

0 前 言

國民經濟的快速發展以及生活水平的迅速提高,帶動了通訊、消費性電子產業的飛速發展.便攜式電子產品已經成為人們生活的必需品,如數碼相機、液晶電視、汽車導航儀、移動電話、筆記本電腦、CD唱機和游戲機等.消費者對電子產品輕、薄、短、小的性能追求永無止境,從而要求其核心部件之一——印制電路板更薄、更輕,配線密度更高,性能更穩定.而銅箔是制造印制電路板的關鍵材料之一,在印制電路板中主要起導通電路、互聯元器件的重要作用,被稱為電子產品信號與電能傳輸、溝通的“神經網絡”.微電子技術的飛速發展對銅箔提出了更高的要求,主要表現在高(物理性能和高可靠性)、低(低表面粗糙度)、薄(9 μm及以下)、無(無外觀缺陷)4個方面.壓延銅箔因其強度、延展性、抗彎曲性、導電性和致密度均優于電解銅箔,能很好地滿足高端撓性印制電路板的性能要求,因此被廣泛用于制造高頻、高速傳送和精細線路的印刷電路板.

1 銅箔的用途

銅箔是將高純度的銅材,經過壓延加工或電化學等方法制成的一種箔狀制品.銅箔根據生產工藝的不同可分為壓延銅箔和電解銅箔,其在電子工業中的應用如圖1所示.

圖1 銅箔在電子工業中的應用Fig.1 Application of copper foil in electronics industry

2 我國電子銅箔的生產情況

與國外銅箔企業相比,國內生產的電子銅箔產品在檔次和技術水平上仍有不小的差距[1].表1為國內18家主要銅箔企業填報至電子銅箔分會的各種規格、類型銅箔的產量及比例.從表1中可以看出,國內電子銅箔占比最大的品種是35 μm銅箔,占整個銅箔產量的42.3%;其次是18 μm銅箔,占比為28.8%.18 μm以下及35 μm以上銅箔的占比遠低于日本電子銅箔業產品結構中的同類產品.

3 印制線路用金屬箔的分類和標準

3.1 印制線路用金屬箔的質量分級

印制線路用金屬箔按特性的質量保證水平差異分為3個等級.3級:適用于要求保證等級最高的應用場合;2級:適用于電路設計、工藝及規范一致性要求允許局部區域不一致的應用場合;1級:適用于要求電路功能完整、力學性能和外觀缺陷不重要的應用場合[2].

3.2 銅箔的行業標準

世界上權威銅箔標準見表2.國內銅加工箔材指厚度≤0.05 mm的帶材;國外指厚度≤0.1 mm的帶材.

表1 2009、2010年填報問卷調查企業各種規格、類型銅箔的產量及比例[1]Tab.1 Proportion and production of various specifications and types of copper foil for the investigation of main companies in 2009 and 2010

表2 世界上權威銅箔標準Tab.2 Authoritative copper foil standard in the world

3.3 PIC-4562《印制線路用金屬箔》金屬箔

近年來IPC標準在國際社會得到廣泛的使用及認可.最新PIC-4562《印制線路用金屬箔》標準涉及的金屬箔共9種,其型號及詳細規范見表3[2].

3.4 印制線路用金屬箔的技術要求

IPC-4562印制線路對金屬箔標準的主要技術要求,包括外觀、尺寸、物理性能、工藝、工藝質量、金屬箔純度和質量電阻率等,見表4.

表3 PIC-4562金屬箔的分類Tab.3 Classification of PIC-4562 metal foil

4 電解銅箔與壓延銅箔的性能對比

壓延銅箔是將銅錠經過不斷碾軋制成,其結晶形態呈片狀結構,與電解銅箔相比,具有更好的延展性、柔軟性、抗彎曲性和更高的強度,故壓延銅箔常用于撓性覆銅板中;同時由于表面粗糙度較低,致密度較高,有利于高頻信號的傳輸,極大地減少了信號的損失.因此,在精細線路,高頻、高速傳送的PCB等高端產品中必不可少.電解銅箔與壓延銅箔的主要性能比較見表5[3].

表4 IPC-4562印制線路對金屬箔的主要技術要求Tab.4 Main technical requirements of printed circuit for metal foil in IPC-4562

表5 電解銅箔與壓延銅箔的主要性能比較Tab.5 Comparison on main performance between electrolytic copper foil and rolled copper foil

注: (1) 數據來源:GB/T5230-XXXX《印制板用銅箔》(報批稿)、IPC-4562A-2008;

(2) 退火條件為177 ℃,15 min;

(3) 測量長度為50 mm,溫度為23 ℃,試驗速度為50 mm/min.

5 壓延銅箔的品種和規格

5.1 壓延銅箔的品種

目前,除了一般壓延銅箔品種之外,還有高撓曲性壓延銅箔、高強度(壓延銅合金箔)壓延銅箔和薄型化壓延銅箔等品種.壓延銅箔采用不同的耐熱層表面處理,可根據耐熱層表面處理方式不同,劃分為多個壓延銅箔品種[4].目前常用的有3個不同表面處理的壓延銅箔品種,即BHN、BHC和BHY,見表6.

5.2 壓延銅箔的規格

根據IPC-4562,壓延銅箔的總厚度包括所有處理層,最小厚度不應小于表7中標稱值的95%,最大厚度不應超過最大箔輪廓,表7中標稱厚度的110%.沒有規定標準輪廓箔的最大厚度要求.

表6 壓延銅箔按不同耐熱層的表面處理劃分的品種Tab.6 Classification of rolled copper foil by surface treatment for heat resistant layer

表7 壓延銅箔代號對照表Tab.7 Rolled copper foil symbols

6 國內外壓延銅箔的生產現狀

世界上壓延銅箔的生產集中度較高,其核心生產技術被日本和美國少數幾個生產商掌握,并且占據了壓延銅箔的大部分市場份額.全球主要的壓延銅箔生產廠家有日礦金屬、福田金屬、奧林黃銅和日立電線等.

國內壓延銅箔的生產起步較晚,工藝比較陳舊,如使用成卷真空爐退火、小4輥慢速軋制等.產品寬度<200 mm,厚度>50 μm,生產效率和成品率低,力學性能的均勻性、穩定性差,產品尺寸精度較差,存放時間短,容易氧化變色等,不能滿足國內電子銅箔市場的需求.經表面處理的壓延銅箔,國內還不能生產,一些覆銅板廠家只能以電解銅箔為原料生產檔次較低的柔性印刷線路板.由于市場需求巨大,使得壓延銅箔項目成為銅加工領域新的投資熱點,國內新建的壓延銅箔生產線見表8[5].

表8 國內新建的壓延銅箔生產線Tab.8 New construction production line of rolled copper foil

7 壓延銅箔的生產工藝和關鍵技術

7.1 壓延銅箔的生產工藝

壓延銅箔的生產工藝如圖2所示.

圖2 壓延銅箔的生產工藝流程Fig.2 Production process of rolled copper foil

壓延銅箔的生產難度大,設備精度要求高,國內高精度壓延銅箔生產尚處于起步階段,相關研究剛剛開始.銅箔生產線一般以厚度為0.1～0.4 mm銅帶為坯料.

7.2 壓延銅箔軋機的選型

壓延銅箔生產方式的主要區別在于軋機的選型.箔材軋制的特點是對軋機的厚控系統、張力、速度和冷卻潤滑的控制要求嚴格.因此,要求軋機的剛度大、結構精密,要盡量減小軋輥的輥徑.目前歐、美國家箔材軋制采用20輥或18輥軋機,而日本箔材的軋制通常采用X型6輥軋機.在實際生產中,對于超薄產品(厚度<0.05 mm),業界趨向采用X型6輥或18輥軋機生產[6].圖3為18輥軋機的輥系示意圖.

7.3 壓延銅箔生產的關鍵技術

7.3.1 銅箔軋制

壓延銅箔要求比銅帶具有更小的厚度偏差、更好的平整度和更小的殘余應力.在線路板高速蝕刻線上,銅箔偏厚或偏薄,都會導致線路出現蝕刻殘留或過蝕刻現象.銅箔軋制為壓延銅箔生產的關鍵工序,而銅箔軋制過程中的厚度、速度、張力和表面質量控制尤為重要.

圖3 18輥軋機的輥系示意圖Fig.3 Schematic diagram of 18 high rolling mill

(1) 厚度控制

根據最小軋制厚度公式:

(1)

式中:Hmin為最小軋件厚度;D為工作輥直徑;E為軋輥材料彈性模量;μ為摩擦因數;Rp為軋件材料的屈服強度;q為平均張應力.

銅箔軋制屬于極限壓延,在0.035 mm以下厚度軋制時使用無(負)輥縫為主體的AGC控制方式.在無(負)輥縫狀態下,軋輥的變形已是一個非圓輪廓,接觸弧長等于軋輥壓扁,輥縫已全部壓靠,其壓下量與軋制壓力大小已無絕對關系,即軋制力的增強變化對箔材厚度的變化影響已經很小,軋制過程完全由控制張力和軋制速度的大小來完成.銅箔軋機的厚度控制主要通過張力控制環和速度控制環來實現.

根據斯通方程,軋制箔材厚度越薄,則要求軋機的工作輥輥徑越小.最小可軋厚度與工作輥直徑成正比關系.如果采用的工作輥直徑太小,則不宜獲取更高的軋制速度用于減薄;并且不宜獲取更高的軋制扭矩.因此,對于銅箔軋制,應當綜合考慮最小可軋厚度、軋制扭矩及軋制速度,來獲得合適的工作輥徑.

(2) 軋制速度及除油效果

軋制速度是銅箔軋制的一個重要參數,其大小直接決定軋機的生產效率;是衡量軋制技術水平高低的重要指標;也是實現箔材軋制厚度減薄的重要因素.軋制速度越高,進入變形區的油膜厚度越厚,有利于減薄.隨軋制速度的增加,摩擦因數則降低,減少了變形阻力,降低了能量消耗.

由于銅箔厚度極薄,單卷銅箔的長度極長,所以銅箔軋機高速穩定軋制是實現高效率生產的前提.以質量為4 t、寬度為650 mm、厚度為18 μm銅箔為例,采用400 m/min的速度高速軋制,軋制單道次仍需要1.5～2 h.因此如何實現銅箔高速穩定軋制是銅箔生產的關鍵技術之一.

軋機除油效果對軋機的軋制速度和相關生產影響很大.主要表現在以下幾個方面:增加帶材表面的殘油含量,導致增加生產成本;降低軋機的軋制速度,降低生產效率;軋機除油效果不好,導致銅箔表面殘油量過高,卷曲容易打滑,進而影響卷取質量;軋機除油效果不好,會降低軋機排煙系統抽吸效果,導致軋制油霧逸散至整個車間,因而會惡化車間環境.

鋁箔軋機一般為4輥軋機,雙合軋制6.5 μm厚度時,速度可達到2 400 m/min,其原因是鋁的變形抗力較銅小,比熱為銅的2.3倍,所以冷軋時產生的變形熱使鋁產生的溫升不太明顯,鋁合金軋制時可以采用閃點不太高的煤油作為基礎油.銅合金的熱容比鋁合金小得多,變形抗力又大,變形熱較大,軋制過程中產生的變形溫升比軋制鋁箔大得多,高速、高溫軋制時易使軋制油揮發或焦化,帶面易發烏,因此軋制銅合金只能用閃點達140 ℃的機油做基礎油.其黏度遠比銅箔用軋制油大.由于軋制油黏度大,軋制銅箔時采用高速軋制帶面除油相當困難.

銅帶冷軋機常見的除油手段有:壓縮空氣吹掃除油、擠干輥除油、5輥除油、刮油條除油、小輥除油、真空抽吸除油和3M輥除油等,但僅僅靠上述某一種手段很難達到除油效果.所以,現在的軋機除油通常采用上述兩種或多種手段進行組合除油.過多的除油方式配置不但增加軋機機組的長度,還為生產維護增加了困難,降低了生產效率.通常軋機除油采用的除油手段及組合方式主要根據生產帶材表面質量要求、機組速度、生產成本及維護難度等方面綜合決定[7].

(3) 軋制張力

軋制張力是銅箔軋制厚度控制的重要手段,同時也是消除軋制缺陷、獲得良好板型、實現穩定軋制的重要途徑.銅箔軋制時選取更大的張力值,可以實現穩定軋制,有利于板型控制,能有效降低軋制壓力,減少能耗,防止帶材打滑.通常后張力則對防止咬入“跑偏”和降低軋制力更為有效,而前張力對消除“波浪”和“壓皺”等缺陷明顯有效.在軋制銅箔過程中,軋件很容易出現“波浪”、“壓皺”和“跑偏”等現象,因此應采用較大的張力加以消除.相比“跑偏”的概率,“波浪”和“壓皺”對寬幅銅箔軋制更容易出現,所以軋制時前張力應比后張力更大[8].通常單位張力q的取值范圍為(0.2～0.4)σ0.2.

軋制張力對厚度的調節功能與軋制時的摩擦因數有關.摩擦因數越小,張力的厚度調節功效越大,潤滑油膜厚度與軋輥粗糙度決定了軋制摩擦,速度越高則進入軋輥間的潤滑油量越多.但是隨著軋制過程的進行,熱力學條件發生變化,軋制摩擦力會隨著溫度升高而升高,在生產時還需要考慮潤滑油的黏度變化對潤滑條件的影響,找到合適的速度—油量—黏度—張力的組合關系.

(4) 銅箔軋制的表面質量

表面質量是壓延銅箔的重要指標之一.外觀要求包括:清潔度、針孔、氣隙度、麻點、壓痕、缺口、撕裂、皺折和劃痕等.銅箔軋制時的工藝潤滑、軋輥的表面粗糙度、軋制油過濾精度和外部環境是影響銅箔表面質量的3個重要因素.

① 軋制變形區的潤滑狀態

工藝潤滑對壓延銅箔軋制過程具有重要的作用.油膜厚度不同及不同潤滑狀態,對板型控制、銅箔的最小可軋厚度將有重要影響,尤其影響退火后的表面清凈性和軋后表面質量.因此控制軋制變形區的潤滑狀態是壓延銅箔生產的關鍵技術之一,而軋制油運動黏度和道次壓下率是影響軋制變形區的潤滑狀態的關鍵因素[9].

② 軋輥表面質量

軋輥是實現銅箔變形的直接工具.軋制時,冷軋輥的受力狀態和工作環境極其復雜,其表面物理性能,如硬度、粗糙度、表面抗剝離性和耐腐蝕性等,直接決定軋材的表面質量.因此,對磨削精度、硬度和材質都有非常嚴格的要求.銅箔專用冷軋輥通常為調質硬質合金鋼,工作輥表面硬度(HS)高達95以上,使用時表面粗糙度要求控制在0.05 μm以下,因此工作輥表面必須在專用磨床上超細精磨.

③ 軋制油過濾精度和車間環境

銅箔針孔產生的原因較多,潤滑油、空氣中的顆粒在壓延過程中都有可能被壓到箔面而產生針孔,所以外部環境及軋制油過濾精度都需要有較高的要求.銅箔軋機的軋制油過濾系統其過濾精度要求<2 μm.銅箔軋制工作環境潔凈度要求較高,潔凈度應該在10萬級以上.由于我國空氣質量較差,惡劣的空氣污染事件時有發生,尤其在北方,冬天風沙較大,因此要求銅箔生產車間的通風設計應該綜合考慮通風換氣、凈化、夏天散熱和運行能耗等方面因素.

7.3.2 銅箔的表面處理

PCB用銅箔可分為電解銅箔和壓延銅箔,兩種“制箔”工藝相差甚遠,而“后處理工程”一般分為粗化和固化、耐熱與防蝕抗變色3個主要步驟.具體工藝流程[10]如圖4所示.

圖4 壓延銅箔表面處理工藝流程Fig.4 Surface treatment process of rolled copper foil

(1) 粗化和固化處理

需要對壓延銅箔表面進行粗化處理主要是由于壓延銅箔表面非常光滑,表面粗糙度一般只有1 μm左右,未經過處理的銅箔表面基本無法與樹脂壓合.因此為了提高銅箔與基板的黏結力,在銅箔表面電鍍一層瘤狀結晶顆粒,以增加銅箔的表面粗糙度.

(2) 耐熱層處理

耐熱層處理的主要作用是在毛面形成一層隔離層,使銅箔與基板隔離.經過耐熱層處理后的銅箔與樹脂絕緣基板結合時,能抑制銅離子向樹脂層擴散,防止膠在后續熟化工序中,銅箔與樹脂反應,而產生色斑和剝離問題.

(3) 防氧化處理

銅箔在空氣中很容易氧化變色,防銹層主要功能是防止銅箔在存儲、運輸及壓合制程中氧化變色.目前防銹處理多采用ZnNi及NiCr合金層電鍍,再浸泡被覆一層有機硅烷.

8 影響銅箔軋制的質量因素

影響銅箔軋制質量的主要因素如圖5所示.在生產過程中,設備、坯料、工藝、人員和環境5大因素基本均為銅箔生產的關鍵質量因素.

圖5 影響銅箔軋制質量的因素Fig.5 Influencing factors on the quality of the copper foil rolling

產品質量實現過程就是對產品質量發生綜合作用的過程.在生產中只有全員參與、全面和全過程的質量管理,才能把5大因素切實有效地控制起來,使之處于受控狀態.壓延銅箔生產過程必須借助先進的質量管理理念和手段,實行精益管理,才能保證產品的一致性.

9 結論和建議

(1) 隨著電子信息產品向小型化、輕量化、薄型化、多功能和高可靠性方向發展,給撓性印制電路板用銅箔提供了廣闊的市場需求,同時也要求銅箔具有更好的延伸性、強度、耐折性,更高的軟化溫度,更低的表面粗糙度,壓延銅箔能很好地滿足這些性能需求.

(2) 相比電解銅箔生產,壓延銅箔提高性能及開發新產品的手段靈活,可以通過帶坯材料的微合金化、控制軋制加工率、調整退火工藝、調整軋制速度和前后張力等多手段配合.

(3) 我國有色金屬加工產量已經位居世界第一,但是壓延銅箔的產能和生產技術主要集中在日本和美國,每年不得不大量進口高性能銅箔.根據我國有色金屬加工發展歷程,可以預見,壓延銅箔將成為我國有色金屬加工新的投資熱點.

(4) 生產工藝流程長、技術復雜、生產成本高、生產環境要求高、產能集中度過高以及投資大是限制壓延銅箔發展的主要因素;提高成品率、降低生產成本、打破產業壟斷是提升壓延銅箔市場競爭力的關鍵手段.

(5) 銅箔生產的關鍵技術包括銅箔軋制過程中的厚度控制、板形控制、表面質量以及銅箔的表面處理,現有的技術都掌握在少數的外國公司手中,技術封鎖十分嚴重,國內相關的文獻資料很少,因此國內銅箔行業需要加強合作,消化吸收已引進的生產設備和工藝,打破壟斷.

(6) 設備、坯料、工藝、人員和環境是影響銅箔軋制質量的關鍵因素,它們對產品質量綜合作用過程,就是產品質量的實現過程.銅箔生產可以借鑒鋁箔生產的技術和管理經驗,有利于快速提升銅箔的生產管理水平.

(7) 銅箔的生產對環境的潔凈度和溫度均有較高的要求,生產工藝復雜,設備精度極高,因此選擇專業的工程設計單位可以減小新建壓延銅箔生產線的投資風險.

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OverviewoftheProductionProcessonRolledCopperFoil

TIANJun-tao

(ChinaNERINEngineeringCo.,Ltd.,Nanchang330032,China)

Following an introduction of the production of rolled copper foil worldwide,the production process and key technology of the rolled copper have been analyzed,in which the thickness control,surface quality and surface treatment are the essential processes.The all-round quality management guarantees the production of rolled copper foil.In addition,based on the applications and industrial standards of electronic foil,a comprehensive comparison has been made on various properties between the electrolytic copper foil and rolled copper foil.Comparatively,rolled copper foil has better extensibility and folding resistance,higher softening temperature and strength,lower surface roughness,which is one of the key materials in manufacturing flexible printed circuit board substrate.

rolled copper foil; flexible printed circuit board; electrolytic copper foil; production process; key techniques

2014-05-09

田軍濤(1983-),男,工程師,主要從事有色金屬加工工藝的研究和工程設計.E-mail:tianjuntao@nerin.com

TG339

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