壓延銅箔發展現狀及市場分析

張專利

(中國瑞林工程技術有限公司,江西南昌 330031)

壓延銅箔發展現狀及市場分析

張專利

(中國瑞林工程技術有限公司,江西南昌 330031)

介紹了壓延銅箔的生產工藝及關鍵生產技術,國內外高精壓延電子壓延銅箔產業發展現狀,并從FPC、鋰電池、高端PBC等壓延銅箔的應用領域出發,分析了其市場需求及發展趨勢。

壓延銅箔；撓性印刷線路板(FPC)；關鍵技術；市場需求

根據規范GB 50962-2014,廣義的銅箔指橫斷面呈矩形,厚度均一并等于或小于0.15 mm的軋制(壓延)或電沉積產品。按其生產方式的不同,以壓延(軋制)方法生產的箔材稱為壓延(軋制)銅箔(Rolled Copper Foil)；采用電沉積方法生產的箔材為電解銅箔(Electrolytic Copper Foil),常用為0.008～0.07 mm。電解銅箔最主要的應用市場是覆銅板(CCL)及印刷電路板(PCB),是制造CCL及PCB的重要基礎原材料。壓延銅箔是電子信息產業的核心基礎材料,被廣泛用于制造柔性線路印刷線路板、透明導電薄膜載體、汽車動力與通訊設備用鋰電池、節能產品LED、電子設備的散熱與屏蔽等產品。

1　壓延銅箔生產工藝及關鍵技術

1.1壓延銅箔技術特性

1.2壓延銅箔生產工藝

壓延銅箔與電解銅箔在生產工藝上有很大的差異性。電解銅箔是以硫酸銅溶液為原料,采用電解法制成原箔,然后進行表面處理。其主要是通過提高電解電流密度、使用不同的電解添加劑等電解工藝條件的變化來縮小電解晶密度,降低銅箔表面粗糙度,以提高電解銅箔的力學性能。而壓延銅箔是以電解銅為主要原料,在1 200°C下熔化、保溫后,采用立式半連續工藝鑄造成鑄錠,在鋸切掉頭尾后加熱,使鑄錠在800°C以上高溫下反復多次熱軋、銑面后在常溫下冷軋壓延變薄,經清洗和退火后,獲得壓延銅箔生產所需的帶坯。經加工后形成的帶坯采用圖1所示的生產工藝獲得光箔和經過表面處理的銅箔。

圖1　壓延銅箔工藝流程

從圖1可以看出生產壓延銅箔工藝流程長,生產技術上難度較大,生產的工藝控制及生產環境設置等難度高,因此目前世界范圍內壓延銅箔的生產廠商不多,技術也掌握在少部分廠商手中,個別生產企業掌握著多項技術專利和關鍵技術。因此盡管壓延銅箔與電解銅箔相比具有很大的優勢,但產量集中在國外少數企業,國內僅有一兩家壓延銅箔生產企業建立,且尚無企業能批量生產經過表面處理的壓延銅箔。

1.3壓延銅箔關鍵生產技術

生產滿足現代電子技術所需要的壓延銅箔,彌補電解銅箔在高頻信息傳輸與精細線路及撓性印制電路領域的不足,在生產技術上面遇到的主要關鍵問題主要包括如下幾個方面：

1)軋制速度與軋制張力控制。銅箔軋制屬于極限軋制,在銅箔厚度〈0.035 mm以下時,其壓下量與軋制壓力大小已無絕對關系,此時軋制過程完全是由張力控制和軋制速度配合來完成。軋制過程中,軋輥轉動速度越高,軋輥與帶箔之間油膜形成的壓力越大,油膜厚度越厚；提高軋制速度,軋輥上由于瞬時產生的靜壓力使油膜加厚,帶材變薄；同時帶材軋制的變形熱集聚,瞬時溫度升高,使變形抗力有所降低。銅合金的熱容小,變形抗力大,軋制過程中產生的變形溫升高,高速、高溫軋制時易使軋制油揮發或焦化；因此銅箔軋制時只能用閃點達140℃的機油做基礎油。這種機油粘度大,銅箔高速軋制時帶面除油相當困難,卷曲機卷曲時因帶面有軋制油張力不易穩定。因此,一般不宜用過高速度軋機軋制銅箔。軋制張力控制是銅箔厚度控制的另一重要手段,根據K=1.155(R-q)的關系,張力愈大,K值愈小,最小可軋厚度也減小,愈能軋制較薄帶材[2]。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,也有利于消除軋制缺陷、獲得良好的板型。

2)銅箔內部結構組織精確控制技術。根據晶體內部組織分析可知,要進一步地保證壓延銅箔的撓曲性能、加工性能、表面處理及表面粗糙度的要求,就要求板坯軋制、熱處理過程中對組織進行精確控制。壓延加工工序后,銅箔結構組織呈薄層狀,再經熱處理,產生了成為等方的再結晶組織變化。在其內部的晶粒及其組織組成上,晶粒大些強度就會下降,有利于材料的壓力加工及獲得優越的撓曲性：晶粒尺寸增大,晶界減少,在撓曲時由晶界帶來的位錯及裂紋產生及擴展會減少；同時晶粒增大,在熱處理過程中由于表面的晶界氧化腐蝕也會減少,不會傳播粒子界面內的裂紋,從而在耐撓曲性上表現得特別的高。因此,如何在生產的過程中保證其組織的基本性能即精確控制是一項重要的技術。

3)壓延銅箔表面處理技術。壓延銅箔表面處理技術主要指的就是針對銅箔使用后期的抗氧化腐蝕處理、粗化處理等工序,即為使壓延銅箔符合在PBC、PFC領域應用的要求,對其結合面進行的表面處理,包括表面粗化處理和表面鍍層處理。雖然壓延銅箔的結構和用途與電解銅箔不同,但兩者的粗化處理原理是一樣的,即都是在銅箔需與其他材料結合的結合面上進行粗銅瘤化,增加結合面的表面粗糙度,提高與其他材料的結合能力。壓延銅箔表面粗化處理是在其銅箔需結合面上進行表面鍍銅,精鍍固化,以增大結合面的表面粗糙度,增大與印制板基板的結合能力；鍍層處理的基本思路就是在粗化基礎上鍍上一層其他金屬或者合金(如鍍鋅及當前技術靠前的鍍鋅-鎳合金),增大其與印制基板的結合能力的同時增大其耐熱性與耐蝕性及可焊性,其主要技術指標是與印制基板結合的抗剝離強度。壓延銅箔的阻擋層一般采用兩種處理方式,即黑化處理(銅—鈷—鎳或銅—鎳鍍層)和紅化處理(純銅鍍層),近年來還有開發出來的鋅—鎳鍍層[3]。

HBO治療是指在高于一個大氣壓的環境中吸氧,增加血中物理溶解氧，改善機體對氧的攝取和利用，使血氧含量增加，血氧分壓增高，氧彌散到組織的能力增強，從而改善組織的微循環和有氧代謝的一種物理治療方法。在顱腦損傷的治療中HBO治療是一種療程短、見效快、并發癥少的治療方式。

4)銅箔表面在生產過程中的保護性問題。銅箔表面在生產過程中的保護性問題主要涉及到表面脫脂清洗、酸洗、軋制過程中的軋制油與乳化液的配制、熱處理過程中的保護性防護等。主要是因為銅箔在其厚度上的變化使其長和寬所帶來的表面積的增大,使其更多地與外界接觸,對其表面的保護非常重要；其次,銅箔表面的粗糙度及其后的鍍層粗化在電子信息技術的應用上也尤其重要；而且在相同的氧化腐蝕深度下,相對于更薄的銅箔,其表面質量顯得尤其的重要；最后,在工藝上存在問題或者處理不當時都有可能出現銅箔的整體性尺寸偏小、銅箔厚度的局部性尺寸偏差、穿孔、撕裂,或者內部出現蝕坑及裂紋,這些都對電流的傳導造成很大的影響。

5)生產車間環境。壓延銅箔生產主要包括熔鑄工序、壓延工序和表面處理工序。壓延銅箔屬于非常精密的生產加工,對生產車間環境的要求非常高。其中,壓延工序一般要求車間密封、微正壓,以防止沙塵和蚊蟲等進入,車間內潔凈不起灰不積灰,局部密封銅箔軋制區,從而防止在生產過程中異物壓入銅箔中,形成針眼缺陷；表面處理工序對環境的要求也非常高,特別是環境溫度的穩定、空氣的潔凈度,國內外大部分企業對表面處理車間的潔凈度要求不低于10萬級,溫度要求保持在20～25°C,且成品剪切工序要求不低于1萬級。對于最薄6 μm及以下的銅箔,潔凈度的要求更高,要嚴格控制塵埃顆粒粘附在銅帶上的數量,盡量減少銅箔上的針孔率。

2　國內外高精壓延電子銅箔產業發展現狀

2.1國外壓延銅箔的發展現狀

目前,全球生產高精壓延銅箔的廠家數量很少,主要集中在日本和美國的幾個企業,以美國奧林黃銅公司(Olinbrass)、日本日礦金屬株式會社(Nippon Mining)、日本福田金屬 (Fukuda)和日本日立電線(Hitachi Cable)等美、日商為代表。2012年壓延銅箔的主要供應商還是以日礦和日立為代表的日資企業為主,其供應量占全球壓延銅箔產量的90%以上,壓延銅箔行業屬于絕對壟斷行業[4]。

2008年經濟危機爆發后,對整個壓延銅箔產業產生了非常大的影響,如圖2所示,但從日系企業壓延銅箔2005年到2012年的產量變化可知,全球壓延銅箔的需求量仍處于穩定增長趨勢。

圖2　日系企業壓延銅箔產量統計

2.2國內壓延銅箔發展現狀

隨著我國下游產業如電子信息、汽車等行業的迅猛發展,對壓延電子銅箔的需求量日益增大,而與之形成反差的是本土化的壓延電子銅箔產業尚處于起步階段,國內的生產企業很少,僅一兩家左右。如表1所示,中鋁上海銅業有限公司(年產2 500 t)壓延銅箔生產線在2013年開始投產運行,菏澤廣源銅業股份公司2014年也調試生產出12 μm的光箔,但其質量同國外產品相比有一定的差距。

表1　2013年我國高精壓延銅箔產能一覽　t/a

由于日本企業對壓延銅箔市場的壟斷,致使壓延銅箔價格居高不下,具有豐厚的加工利潤；因此,最近國內不少企業開始爭相建廠,河南靈寶金源銅業有限公司、山東中色奧伯特科技股份有限公司、蘇州福田金屬等都正在緊鑼密鼓地投資建設壓延銅箔項目。然而,壓延銅箔生產設備要求高,基本依靠進口,投資巨大；并且其關鍵生產工藝技術和生產環境要求對于我國企業來講難度很大,僅靠單純的引進設備無法打破技術專利和關鍵技術的壟斷。

3　壓延銅箔產品市場分析

因壓延銅箔的生產成本較高,目前僅僅主要用于對箔材撓曲性及表面粗糙度要求較高的撓性覆銅板(FCCL)制造業、柔性線路印刷線路板、透明導電薄膜載體、汽車動力與通訊設備用高新能鋰電池以及部分需進行高頻信號傳輸的PCB行業中,其市場需求量變化與這幾個行業息息相關。

3.1FPC用壓延銅箔

FPC是一種利用撓性基材制成的具有圖形的印刷電路板,由絕緣基材和導電層構成,絕緣基材和導電層之間可以有粘結劑,使用的主要原材料為高精壓延電子銅箔。在壓延銅箔中,經過特殊工藝加工后具有特殊組織性能和高尺寸精度的高精壓延電子銅箔(厚度尺寸一般在20 μm以下)的耐撓曲性可以達到數萬次甚至上億次,這與電解沉積銅箔相比具有明顯的優勢,被廣泛應用在撓性覆銅板的制造中。據不完全統計,壓延銅箔有80%以上應用在此領域。

由于FPC適應了電子裝置和設備的輕、薄、短小化和高性能化的要求,隨著近年來電子信息技術的飛速發展,FPC市場將持續地成長壯大。2013年我國手機產量達到14.6億部,對比2012年增長23.2%,我國產量占全球出貨量份額的81.1%,比2012年提高10%以上；2013年全球平板電腦銷售量達到1.95億臺,2014年全球平板電腦的產銷量為3.15億臺,占移動電腦出貨量的65%以上,到2017年,平板電腦將攀升至4.55億臺,占所有移動電腦出貨近75%的市場份額[5]。隨著智能手機、平板電腦等智能移動終端市場份額的持續擴大,對電子元器件、電路板質量要求的不斷提升,FPC需求將更加旺盛,壓延銅箔需求量將持續上升。

3.2鋰電池用壓延銅箔

鋰電池主要用于筆記本等小型消費品、汽車和充電。特別是近兩年來,隨著民眾的環保意識的提高,全球氣候變暖,特別是對于PM2.5指數的敏感度提升以及全國范圍內的霧霾天氣出現,新能源汽車成為今后很長一段時間內關注的焦點和發展趨勢。鋰電池具有能量密度高,無記憶效應、循環壽命長、無污染、體積小以及重量輕等優點,不僅成為便攜電子產品用電源的首選對象,而且已經應用在很多全新的領域。隨著電動汽車市場的到來,鋰電池需求將迅速增長,日本富士經濟發表的調查報告顯示2017年全球鋰電池市場規模將比2012年擴大50%,將達到1.7萬億日元。而海通證劵研究所根據模型測算, 2015年、2020年中國鋰電池材料市場規模分別為43億元、125億元,2012～2015年復合增速 38%, 2015～2020年復合增速25%[5]。

壓延銅箔生產成本高,市場緊缺,目前國內鋰離子電池用銅箔的市場絕大多數被電解銅箔所占領。壓延銅箔的抗電化學腐蝕性和抗震動性能遠高于電解銅箔,在有特殊需要的高性能鋰離子電池上,宜采用壓延銅箔充當其負極材料的載體。近年來我國鋰離子電池用銅箔市場規模在逐年增大。其負極載體領域的壓延銅箔占壓延銅箔產銷量的7%左右,且隨著鋰電池市場的持續擴大,今后一段時期內壓延銅箔在這一領域的市場比例有望得到進一步提高。日本壓延銅箔在鋰離子電池上的應用已逐步增長。隨著汽車工業對鋰電池的要求日益增高,以及未來壓延銅箔生產成本的降低,壓延銅箔在鋰離子電池中的應用將快速增長。

3.3PCB用壓延銅箔

壓延銅箔也有小部分直接供給PCB廠家,用于制造多層FPC和剛性PCB等,且在高頻電路的PCB、音頻性要求高的PCB、需要特殊銅合金導電層的PCB等在今后的應用也將擴大。目前,多層FPC和剛性PCB用壓延銅箔的應用約占銅箔市場的10%左右[6]。見圖3。

圖3　壓延銅箔應用市場構成

4　結論

1)壓延銅箔生產對設備要求高,技術復雜,體現在軋制工藝技術、表面處理技術、結晶組織精確控制技術以及銅箔表面保護技術,并且對車間生產環境要求特別高；

2)全球生產高精壓延電子銅箔的廠商只有國外少數幾家,從而導致高精壓延銅箔生產技術、市場和價格均掌握這幾家廠商手中,迫使我國部分企業在某些情況下使用電解沉積銅箔替代高精壓延電子銅箔。國內FPC用高精壓延電子銅箔主要依賴國外進口,且進口產品價格較高；國內不少企業開始爭相建廠,將逐漸形成壓延銅箔產業。

3)電子裝置和設備的輕、薄、短小化和高性能化、高頻信號傳輸的發展和應用以及鋰電池行業的迅速增長決定了壓延銅箔的需求量將穩步提高,在高端應用領域,將成為電解銅箔的有力競爭對手。

[1]蔡積慶.FPC用壓延銅箔[J].印刷電路信息,2008(5)：29-33.

[2]金榮濤.壓延銅箔制備技術分析[J].上海有色金屬,2013,35(2):86-91.

[3]王 斌.壓延銅箔表面處理工藝的初步研究[J].銅業工程,2013,122 (4):16-18.

[4]朱航飛.壓延銅箔生產現狀介紹與分析[J].有色金屬加工,2014,43 (4):4-6.

[5]冷大光.PCB用銅箔及其在我國的發展[C]//第二屆中國(銅陵)銅基新材料產業發展論壇論文集.銅陵：銅陵出版社,2014：283-298.

[6]趙京松.壓延銅箔的現狀及發展趨勢[J].有色金屬加工,2012,33 (2):96-99.

Development Status and Market Analysis on Rolled Copper Foil

ZHANG Zhuanli
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

This paper introduces the production process and the key production technology of rolled copper foil,development present situation of domestic and foreign high precision rolling electronic rolled copper foil industry,and analyzes the market demand and development trend from the aspects of application fields of FPC,lithium battery,PBC and other high-end rolled copper foil.

rolled copper foil;flexible printed circuit board(FPC);key technology;market demand

TG306

B

1004-4345(2015)04-0036-04

2014－11－20

張專利(1982—),男,工程師,主要從事有色金屬加工工程設計工作。