壓延銅箔板形控制實用技術研究

趙天勝,陳 賓,賀玲慧

(中色奧博特銅鋁業有限公司，山東 臨清 252600)

1 前 言

隨著航空航天、計算機與通信、汽車電子和和高端電子產品等領域的快速發展，銅箔作為電子互聯的基礎材料，需求量也在日益增加。相比電解銅箔，壓延銅箔因其高延展、高撓曲性及超低輪廓而廣泛應用于撓性覆銅板(flexible copper clad laminate,FCCL)、印制電路板(printed circuit board,PCB)及鋰電池行業[1-3]。隨著生產技術的不斷進步以及對產品質量要求越來越高，用戶對壓延銅箔的表面質量和板形要求日益嚴格，銅箔板形(即平直度)的好壞已經成為評價銅箔質量的一項重要指標，不良板形會造成銅箔與基板的結合不良，導致開裂、褶皺等問題。板形控制是銅箔軋制的核心技術，國內壓延銅箔板形控制研究仍處于開發試制階段，板形控制能力較差，客戶投訴板形問題較多，主要問題是嚴重的1/4浪以及寬幅板形起伏較大。本文從銅箔板形缺陷產生的原因和特點進行分析，結合X型軋機的調控手段，針對不同類型的板形缺陷提出改善措施。

2 銅箔板形缺陷產生的原因

板形是指板帶材的平直度，即板帶材是否產生波形、翹曲、側彎，板形的好壞取決于板帶沿寬度方向各部分的延伸是否相等。波形是指板帶材縱向呈起伏的波浪，有雙邊波浪、單邊波浪、中間波浪等。影響銅箔板形的因素有內因和外因兩個方面，內因是指金屬本身的物理性能，直接影響了軋制壓力的大小；外因是指摩擦條件、軋輥直徑、輥形、張力、軋制速度、彎輥力、軋制工藝、磨損、銅箔母材的來料公差與板形等，這些都會影響銅箔最終板形[4,5]。實際的板形控制非常復雜，需要根據來料的規格選擇合適的軋制工藝，根據帶材的實際情況預設軋制力、彎輥力及張力。

銅箔越薄，板形越難以控制。板形控制的實質是軋件內部的殘余應力分布，當不均勻變形時，軋件內的殘余應力也呈不均勻分布，當附加的應力超過一定臨界值時，就會形成不同形式的彎曲，形成諸如雙邊波浪、單邊波浪、中間波浪、二肋浪等板形缺陷。在實際生產中由于變形的復雜性，要想從原來就有厚差的母材坯料獲得優良銅箔板形，同時保證橫向厚差是不可能實現的，或多或少都存在一定的不平度。

銅箔軋制時軋輥橫向壓下一致是保持板帶平整的必要條件。壓下橫向不一致的結果是：微觀地、微小地產生內應力，宏觀地、嚴重地產生板形不平整。假設一段帶材由許多細長條并排連接而成，帶材的軋制變薄即意味著細長條被拉長。當帶材沿寬度方向各部分的延伸不一致時，即意味著細長條的拉長程度是不一致的。由于細長條之間彼此是相互連接的，因此延伸較長的細長條會受到壓應力，而延伸較短的細長條會受到拉應力，這些應力構成了整個帶材寬度上的內應力分布。當細長條所受的應力達到一定的程度時，會產生彎曲變形，這些變形就構成了整個帶材寬度上的“波浪”缺陷。

3 銅箔軋制的特點

銅箔與板帶的區分主要是厚度，國內是以0.05 mm區分，美、日等國以0.1 mm區分。由于銅箔很薄，所以對厚度的不均勻非常敏感，一般來說，在 0.035 mm以下厚度軋制時使用負輥縫為主體的AGC控制方式。在負輥縫狀態下，軋輥的變形已是一個非圓輪廓，壓下量與軋制壓力的大小已無絕對關系，軋制過程已完全由張力和軋制速度的大小來控制。不能通過軋制力的改變去補償這個變形，故需采用速度和張力來減薄箔材的厚度。根據最小軋制厚度公式[6]：

Hmin=3.58DμK/E

(1)

式中，Hmin為最小可軋厚度；D為工作輥輥徑；μ為銅箔與軋輥間的摩擦系數；K為金屬平面變形抗力；E為彈性模量。

為了軋制出更薄的板帶材，必須減小工作輥輥徑，并采用高效的工藝潤滑劑，減小金屬的變形抗力，增加軋輥的彈性模量，有效地減小軋輥的彈性壓扁。

4 銅箔實際板形案例分析

目前國內4家壓延銅箔廠家，3家使用的箔軋機均為日本IHI六輥X型軋機，1家采用米諾六輥UC軋機。與傳統軋機相比，X型軋機采用雙支撐輥支撐，軋制過程中軋輥不易變形，因此板形控制的穩定性好。X軋機的板形測量方式為16個轉子分段測量，板形測量更精確，控制模式有輥縫控制、速度AGC、張力AGC，軋制過程更穩定。X型軋機基于設備本身的設計，板形的控制最突出特點為分段冷卻與分段加熱控制。下面以X型軋機實際軋制過程中出現的銅箔板形問題為例，探討具體板形問題的解決方法。

4.1 雙肋浪

肋浪是銅箔軋制過程中最難解決的板形問題，其形成原因比較復雜，為了消除肋浪，需協調控制軋制道次、道次加工率、前后張力等工藝參數。

4.1.1 軋制道次對雙肋浪的影響

針對X型軋機實際生產中出現的雙肋波浪情況，根據實際情況通過調整軋制道次、張力以及支撐輥輥型，取得了良好的板形。以寬度為630 mm、厚度為18 μm的銅箔軋制為例(母材厚度為0.15 mm)，對比了不同軋制工藝對板形的影響，軋制工藝參數如表1所示。

3種軋制工藝的總加工率相同，分別采取4道次、5道次、6道次軋制，保持成品的加工率、張力等參數設置一致，觀察軋制道次對雙肋浪的影響。圖1為采用不同軋制工藝軋制后的板形情況，可以看出，4道次軋制后(方案A)銅箔表面有微小的肋浪；當軋制道次為5道次時(方案B)，銅箔表面肋浪數目增加；當軋制道次為6道次時(方案C)，銅箔表面的肋浪更加明顯且寬大。由此可見，軋制道次越少，銅箔的板形越好，原因主要為首道次及第二道次的加工率大，產生的變形熱多，有利于殘余應力的釋放，減小了變形抗力，有利于板形調節。實踐表明，銅箔軋制時，變形抗力越大，銅箔的厚度公差越難以控制，為了保證出口厚度公差，系統會自動增大軋制力，會出現厚度公差為負公差，此時系統又會減小軋制力，既而可能導致厚度公差為正公差，如此循環往復，導致出口銅箔板形隨著軋制力的波動發生變化，不利于保持板形穩定性。

表1 18 μm厚銅箔的不同軋制方案及其工藝參數Table 1 Rolling programs and its process parameters for rolled copper foil with thickness of 18 μm

圖1 采用不同總軋制道次軋制后的板形情況：(a)4道次，(b)5道次,(c)6道次Fig.1 Plate shapes under different total rolling passes:(a)4 rolling passes，(b)5 rolling passes and (c)6 rolling passes

4.1.2 張力對雙肋浪的影響

使用4.1.1節第一套軋制工藝，改變張力(具體方案列于表2)，探討張力對板形的影響。實際板形對比發現，張力大且入口張力等于出口張力時板形最好，如圖2所示，其中紅色圓圈標記處為產生浪形。在箔軋機上是以改變入口張力來進行厚度控制。如圖2d所示，當來料厚度H有一個正偏差ΔH時，軋后帶材厚度h將產生正偏差Δh。在輥縫不變的情況下，通過加大入口張力，使塑性曲線的斜率減小，由 “曲線B(小張力)”變為“曲線B(大張力)”，曲線A與“曲線B(大張力)”交點的橫坐標為h，從而消除厚度偏差Δh使軋后帶材的厚度h保持不變。對比圖2板形可看出，張力對板形影響是明顯的，隨著前張力的增加，板凸度呈下降趨勢，即板形趨于良好；當前張力不變，后張力增加時，板形改善更加明顯。可見無論增大前張力還是后張力對板形改善都是有益的，這是因為張力增加會使軋輥撓度變小，板凸度也隨之變小。另外張力的增加可減小金屬的變形抗力，有利于金屬流動，使箔材沿著板形改善的方向發展，這種現象也被稱之為前張力對板形的均化作用。而前張力與后張力相等時板形最好，是因為無論前張力大于后張力還是后張力大于前張力，軋輥都會因箔材前后張力不同的作用產生向前或向后的變形，而軋輥凸度的變化即會引起板凸度的不良變化，導致板形變差。

表2 張力控制方案Table 2 Tension control plan

圖2 不同張力下軋制后板形：(a)方案1，(b)方案2，(c)方案3。張力調節P-H圖(d)Fig.2 Plate shapes after rolling with different tensions:(a)No.1 program,(b)No.2 program,(c)No.3 program.P-H diagram for tension regulation (d)

4.1.3 支撐輥輥型對雙肋浪的影響

為更好地解決雙肋浪問題，我們在實際生產中采取了二級輥型方式，通過模擬米諾六輥UC軋機的中間輥錐輥抽輥調節方式,有效地解決了肋浪問題。

4.2 雙邊波浪和中間波浪

生產初期支撐輥凸度為微凸，總凸度值0.1 mm，軋制過程中出現嚴重雙邊浪，邊部壓折嚴重，如圖3a所示；增大總凸度至0.3 mm時，板形趨于良好，如圖3b所示；繼續增大支撐輥總凸度至0.4 mm，銅箔出現了嚴重的中間浪，如圖3c所示。分析主要原因為,支撐輥凸度過小，推上缸沽塞作用于支撐輥兩端，當軋制力增大時，軋輥兩端變形程度大于中間的變形程度，導致箔材邊部的受力大，中部受力小，最終使得箔材邊部延伸較心部延伸大，產生不均勻變形，形成“雙邊浪”。調整支撐輥總凸度為0.3 mm后，雙邊浪消失，板形趨于良好，主要是因為增大凸度后，補償了軋輥兩端的變形，使得箔材橫向受力更加均勻，進而獲得良好的板形。然而，當繼續增大支撐輥凸度時，軋制過程中，軋輥兩端變形程度不足以補償凸度值，造成箔材中間受力較邊部受力大，使得其變形不均勻，最終形成中間浪。由此可見，支撐輥總凸度值大小是控制銅箔板形的重要參數，合理控制軋制過程中的總凸度值有利于銅箔板形的改善。

圖3 不同支撐輥凸度值下板形情況：(a)0.1 mm，(b)0.3 mm，(c)0.4 mmFig.3 Plate shape under different crown value of back-up roll:(a)0.1 mm,(b)0.3 mm，(c)0.4 mm

4.3 單邊浪

圖4是典型的單邊浪板形照片。出現單邊浪的主要原因有以下幾個：一是銅箔母材存在較嚴重單邊浪，經正常軋制后無法完全消除；二是軋件對中存在偏差，板形調整時出現一邊壓力過大；三是軋輥偏心或是錐度過大。消除單邊浪可通過調整偏調、保證軋件對中與軋輥精度改善。

5 結 論

(1)減少加工道次、磨削二級支撐輥輥型以及設置張力參數為出口張力等于入口張力，可以有效改善18 μm厚銅箔板形；

圖4 單邊浪板形Fig.4 Plate shape of single waves

(2)支撐輥總凸度值為0.3 mm時，可以有效消除雙邊浪及中間浪；

(3)良好的母材板形、保證軋輥磨削精度可以獲得良好的銅箔板形。