壓延銅箔的軋制及表面處理工藝

陳啟峰

(洛陽有色金屬加工設計研究院，河南 洛陽 471000)

1 壓延銅箔的性能特點

按照生產工藝的不同，工業(yè)用銅箔可分為電解銅箔與壓延銅箔兩大類。電解銅箔是以硫酸銅溶液為原料，采用電解方法將硫酸銅溶液中的銅離子沉積在旋轉的陰極輥后剝離制成原箔；壓延銅箔是用銅錠通過壓力加工的方式，軋制成一定厚度的原箔；對于需特殊處理的銅箔根據工藝要求對原箔進行清洗、粗化處理、耐熱層處理及防氧化處理等。電解銅箔其組織斷面為朝向陰極輥的針狀結構，在動態(tài)彎折使用時針狀結構易發(fā)生斷裂；而壓延銅箔是采用壓力加工的生產方式，銅微粒呈水平軸狀結構，能夠多次彎曲、折疊使用。壓延銅箔雙面均為光面，表面粗糙度可以達到0.1μm甚至更低，電解銅箔粗糙面表面輪廓值最低為5μm，易受到化學浸蝕。壓延銅箔與電解銅箔相比另一不可比擬的優(yōu)越性是：它可經合金化來增加其強度、柔軟性以及高溫軟化點。因此壓延銅箔相比電解銅箔具有較好的延展性、抗高頻衰減性、高耐熱性、抗彎曲性能和耐蝕等特性。

2 壓延銅箔的應用

銅箔直接應用的最大市場是覆銅板(copper clad laminate ，簡稱CCL)，而CCL都用于印制電路板(printed circuit board ，簡稱PCB)的制造。銅箔是覆蓋粘合在絕緣基材上的導電層，經過后續(xù)的選擇性蝕刻形成導電線路，它是制造印制電路板的重要基板材料。壓延銅箔屬于片狀結晶組織結構，因此在柔韌性、抗彎曲性、延展性、表面平滑性方面要優(yōu)于針狀結晶組織結構的電解銅箔，所以壓延銅箔大量使用在撓性覆銅板(FCCL)的制造中，制出的FCCL用于撓性印制電路板(FPC)中。

壓延銅箔(合金箔)是發(fā)動機散熱器制作的重要材料，目前是國產壓延銅箔產品中應用量最廣泛的一種，主要應用于散熱器散熱片及散熱器冷卻管?，F代工業(yè)要求輕量化、高效化的進程，促使新型管帶式散熱器使用的超薄銅箔由原來的0.06～0.08mm減薄為0.025～0.06mm。國內常用的超薄水箱銅帶箔厚度為0.045mm，而國外平均厚度為0.038mm，并且開發(fā)出了雙波浪散熱翅片的新型水箱，其使用的銅箔厚度僅為0.025mm。隨著散熱器制作過程釬焊工藝的改進，水箱帶材厚度還有更薄的趨勢。

近年來，壓延銅箔在高端鋰離子電池、電磁屏蔽材料領域也得到了一定應用。所以具有良好導電性、力學性能、熱穩(wěn)定性和可焊接性能的高銅銅箔材料將會得到更加廣泛的使用。

3 壓延銅箔的軋制工藝

3.1 壓延銅箔的軋制

銅箔的軋制同其他金屬的軋制理論一樣，只有當軋輥對軋件所施加的平均單位壓力達到軋件本身在該變形條件下的變形抗力時，才能使金屬受到塑性壓縮變形，達到軋件減薄，銅箔的軋制建立在斯通最小可軋厚度理論上。

由斯通公式可見，最小可軋厚度與軋輥直徑D、摩擦系數f及軋件變形抗力K成正比，與軋輥的彈性模數E和前后張力成反比。生產中要想軋制薄的板帶箔材，可以通過減小工作輥直徑，采用高效率的工藝潤滑劑，適當加大張力，采取中間退火消除加工硬化等措施。此外，提高軋機剛度，有效地減小軋機受力后的整體變形以及軋輥的彈性壓扁，也是生產壓延銅箔的必要條件。

目前生產壓延銅箔的代表機型有“X”型六輥軋機和多輥系軋機。

“X”型六輥銅箔軋制設備機型簡單、實用，操作方便。在“X”型六輥銅箔軋機的設計中，通過精細、可控的工藝潤滑控制手段，采用大輥徑的設計，盡可能減少軋輥在高速軋制銅箔時由于軋件的變形熱集聚以及軋輥本身的摩擦發(fā)熱造成的軋輥變形，而造成的軋件板形變差，無法正常建立軋制張力。同時采用大輥徑能夠盡量減少銅箔表面因輥面磨損而劃傷的因素，通過與板形控制系統(tǒng)共同作用，保證軋件良好的板形，并且盡量提高軋件所受的平均張應力，依靠速度控制環(huán)和張力控制環(huán)的共同作用，來達到軋件的極限減薄。目前日本國內生產的壓延銅箔大部分是通過此類機型進行生產，南韓以及中國國內也引進了該機型。

多輥系軋機機型最早應用于鋼鐵中硅鋼與不銹鋼的生產，用于軋制超薄銅箔的多輥軋機工作輥很小，直徑一般低于42mm。該類機型必須采用特殊的塔形輥系，多支點梁支撐輥結構，將前后中間輥壓緊工作輥，保證軋輥穩(wěn)定性。這種設計保證了整個工作輥在長度上的支撐，輥系變形極小，再配合先進的厚度自動控制系統(tǒng)(AGC)、板形自動控制系統(tǒng)(AFC)，保證軋件在整個軋制減薄過程中在寬度方向上獲得非常精確的厚度偏差。由于多輥軋機輥徑較細，軋制過程中軋件與軋輥的接觸弧長較小，軋件板形不易控制。為保證板形，在銅箔軋制的最后一個軋程最好通過換較大工作輥的方式，進行一道壓下量不低于10%的平整軋制。過多和較細的軋輥輥系，使得軋機散熱性能較差，輥系受熱集聚效應增加，軋制速度受到較大影響，也給設備潤滑與維護帶來困難。再加上較細的輥系磨損嚴重，頻繁換輥造成軋機利用率不高，軋制效率受到較大影響。目前該機型在國內主要用來生產高彈、高硬類銅帶，如C194合金引線框架銅帶，部分生產企業(yè)也用來生產超薄銅箔產品。

3.2 壓延銅箔生產對坯料的要求

銅箔在壓力加工流程中屬于最終成品，在軋制生產中容易出現斷帶、針孔等質量問題，除了設備故障、操作失誤等因素外，銅箔軋機來料很大程度上影響最終產品的性能。目前壓延銅箔生產主要以紫銅(T2)、無氧銅(TU1、TU2)以及部分合金箔材為主，生產中要求來料為經過退火處理后的軟態(tài)坯料，并且要求帶材內部組織均勻、無粗大晶粒，帶材板形良好，表面要求光潔、無明顯劃痕、壓痕、黏著物等。

3.3 壓延銅箔生產對設備的要求

寬幅壓延銅箔生產中，壓延設備必須裝備先進的厚度自動控制系統(tǒng)(AGC)、板形自動控制系統(tǒng)(AFC)；具備恒體積流量控制、位置閉環(huán)、厚度監(jiān)預控、張力控制等多種先進精確的厚控功能，擁有可靠的軋輥凸度控制、正負彎輥等板形控制手段外，還需注意如表1中銅箔生產中出現的銅箔質量問題而對設備提出的要求。

表1 壓延銅箔生產對設備的要求

3.4 壓延銅箔生產對車間的要求

壓延銅箔生產按工序可分為壓延工序和表面處理工序。壓延銅箔最薄可以達到6μm(甚至更薄)，大部分產品都需要進行表面處理，屬于非常精密的生產加工，對生產車間的環(huán)境有一定要求。

壓延工序中的主要生產設備為銅箔軋機。由于銅箔是靠軋機軋輥的碾壓加工成型，在生產過程中不容許有異物進入輥縫中，造成銅箔形成針眼。銅箔生產對環(huán)境溫度要求不高，對生產銅箔的車間環(huán)境一般要求密閉微正壓，防止沙塵、蚊蟲等進入。車間內不容許對外設可開啟窗戶、通風屋脊，不設百葉窗；車間內要求機械送排風。車間地坪要求不起灰、耐磨，且便于清洗；車間墻壁要求潔凈、不積灰，便于觀察污染物；生產工具如起吊設備、叉車、套筒等保持清潔。在銅箔軋機軋制區(qū)采取局部密封的措施，對銅箔軋制也能起到較好的效果。

表面處理工序主要生產設備為銅箔清洗機、銅箔表面處理機以及銅箔剪切機等。表面處理中對環(huán)境溫度、空氣的清潔度有較高要求。潔凈室主要為提高生產環(huán)境的潔凈度，提高產品的合格率、延長產品壽命，從而提升產品的競爭力。一般表面處理車間環(huán)境溫度保持在20～25℃，潔凈度不低于10萬級，成品剪切工序要求不低于1萬級。

4 壓延銅箔的表面處理工藝

用于印制板的壓延銅箔，必須進行特殊的表面處理，使其與印制板基板之間有足夠的結合力，并具有一定的耐熱性、防擴散阻擋性及抗氧化性等性能。處理后的銅箔與印制板樹脂板基經高溫層壓制成覆銅板，覆銅板經過蝕刻后制成撓性印制電路板(FPC)。覆銅板質量的優(yōu)劣，直接影響撓性印制電路板的性能，而覆銅板的許多性能(如抗剝離強度、抗彎強度、延伸率、耐釬焊性、耐熱性)與其所使用銅箔的表面處理工藝有很大關系。

壓延銅箔的表面處理工藝主要有預處理(除油、酸洗)、黑化或紅化處理、抗腐蝕處理、涂膜處理、干燥等幾個步驟。實際生產中，表面處理工藝可依據用戶要求進行取舍。

4.1 除油

在壓延銅箔制造過程中，表面會沾上軋制油等油污，導致壓延銅箔與電鍍液之間形成油膜，阻礙電極反應的進行，從而影響鍍層和基體的結合力及鍍層質量。銅箔電鍍前除油效果的好壞直接影響鍍層質量的優(yōu)劣，約80%電鍍質量不合格是由于鍍前處理不當造成的。

常用的除油方法有有機溶劑除油、電解除油、超聲波除油和化學除油等方法。有機溶劑除油的特點是除油速度快，但除油不徹底，且多數有機溶劑易燃，有一定毒性。電解除油需要在直流電條件下進行，除油速度快且徹底，但設備要求較高，還會使銅帶產生“氫脆”。超聲波除油比較徹底，但只適合小型工件的除油?；瘜W除油速度慢、效果較好、工藝簡單、設備投資低。常用的化學除油機理如下：

(1)皂化原理：(RCOO)3C3H5+3NaOH→3RCOONa+ C3H5(OH)3

(2)乳化原理： 乳化劑能潤濕銅箔表面，可以減低油、水界面的表面張力，減小油污對壓延銅箔的親和力，乳化劑的親油(憎水基團)還能吸附在油滴表面，阻止油污重聚，從而使礦物油變成更小的液滴而被除去。

4.2 酸洗

除油后的壓延銅箔在空氣中很容易生成氧化膜，氧化膜會影響鍍層的質量。因此一般需進行酸洗除去壓延銅箔表面的氧化膜和堿性除油殘留吸附物，暴露出新的壓延銅箔晶面，且能使其表面活化。

4.3 粗化處理

粗化處理可分黑化、紅化處理。由于在目前生產中普遍采用紅化處理，本節(jié)僅對其進行描述。

粗化處理一般分兩個過程，即粗化過程和固化過程。

粗化處理就是在銅箔表面電鍍一層瘤狀的銅顆粒，固化處理就是在粗化層的瘤狀顆粒間隙間沉積一層致密的金屬銅，增大銅箔表面的表面積，降低粗化層表面的粗糙度。電鍍銅反應機理如下：

陰極反應： Cu2++2e→Cu；Cu2++e→Cu+；

Cu++e→Cu

陽極反應：2H2O-4e→O2+4H+

一般的壓延銅箔需要經過兩次鍍銅粗化處理，有些特殊用途的銅箔還要經過三次、四次甚至更多次粗化處理，才能滿足要求。

4.4 防氧化層(鈍化層)處理

壓延銅箔經過粗化處理后還必須再進行防氧化層處理(鈍化處理)。經過防氧化層處理后的銅箔表面形成一層結構復雜、致密的鈍化膜，該鈍化膜能有效避免在高溫層壓制造覆銅板時出現變色問題，并能阻止銅箔與空氣、水分直接接觸而發(fā)生氧化變色，還能提高壓延銅箔的耐腐蝕性。

鈍化處理液中含有鉻酸成分，溶于水后生成鉻酸或重鉻酸，在與銅箔接觸面上發(fā)生氧化還原反應，六價鉻被還原成三價鉻。被還原后的三價鉻仍有較強的毒性，處理液需再經處理才能滿足環(huán)保要求。

4.5 涂膜處理

壓延銅箔經過上述幾個表面處理工序后，還有必要對其進行涂膜處理。涂膜處理能進一步提高壓延銅箔的防氧化能力和耐浸焊性。處理液的主要成分是烯烴類硅烷偶合劑，硅烷偶合劑能和壓延銅箔發(fā)生化學鍵合作用，從而提高壓延銅箔與印制板基板的結合力。

4.6 烘干

為防止殘留水分對銅箔的危害，最后還必須在不低于100℃下烘干。

4.7 剪切

根據客戶對銅箔產品寬度及卷重的不同要求，需對寬幅銅箔進行縱剪分條及分卷處理。

5 結束語

我國壓延銅箔的生產起步較晚，生產技術較為落后，銅箔的生產、質量及品種還不能滿足國內企業(yè)的需求，有選擇性的引進、吸收國外先進工藝、先進裝備，對國內銅箔行業(yè)的發(fā)展是有利的。

⑴ “X”型六輥軋機機型簡單、實用、操作方便，是軋制銅箔理想的機型。大輥徑的設計能夠減少軋輥在高速軋制銅箔時，由于軋件的變形熱集聚以及軋輥本身的摩擦發(fā)熱造成的軋輥變形；同時能夠減少銅箔表面因輥面磨損而劃傷的因素，通過與板形控制系統(tǒng)共同作用，保證軋件在減薄的過程中保持良好的板形；

⑵壓延銅箔的表面處理關系到產品的最終性能，包括抗剝離強度、可焊性、耐熱性、疲勞延展性等，是銅箔生產中最重要的工序之一。

⑶良好的生產環(huán)境是保證生產合格壓延銅箔產品的重要因素。密閉廠房能有效減少銅箔軋制過程中針孔的產生，銅箔表面處理工序潔凈室的應用能提高生產環(huán)境的潔凈度，提高產品的合格率、延長產品壽命，從而提升企業(yè)的競爭力。

壓延銅箔的生產除了要求配置正確的生產設備以及合理的工廠設計，嚴謹的生產工藝控制、嚴格的生產管理、生產操作人員豐富的生產經驗尤為重要。目前國內新建的壓延銅箔項目均為引進設備，但引進設備費用高昂，相關生產工藝屬于保密或者專利技術，生產受到多重制約。為實現我國銅箔產業(yè)的健康、持續(xù)發(fā)展，國內自主研發(fā)、制造銅箔生產設備，深入對銅箔生產工藝的研究勢在必行。

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