KFC引線框架材料連續(xù)擠壓產(chǎn)品氣泡和夾雜缺陷的研究

孫海洋，閆志勇，樊志新

（1.大連交通大學(xué) 連續(xù)擠壓工程研究中心，遼寧 大連 116028；2.大連康豐科技有限公司，遼寧 大連 116100）

引線框架材料在集成電路中起著固定芯片、保護(hù)內(nèi)部元件、傳遞電信號并向外散發(fā)元件熱量的作用，其在集成電路器件和各組裝程序中占有極重要的地位。而銅-鐵-磷系的KFC是最具代表性的銅合金引線框架材料之一，其具有優(yōu)良的導(dǎo)電率，較好的強(qiáng)度和耐熱性能，在電子、IT、通訊等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

采用連續(xù)擠壓的方法生產(chǎn)KFC引線框架材料近幾年已經(jīng)開始在國內(nèi)應(yīng)用推廣。其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 連續(xù)擠壓法生產(chǎn)工藝流程圖

但是采用連續(xù)擠壓法生產(chǎn)的KFC引線框架材料產(chǎn)品有時(shí)仍存在一些質(zhì)量問題。本文主要以生產(chǎn)實(shí)際為基礎(chǔ)，研究KFC引線框架材料連續(xù)擠壓產(chǎn)品出現(xiàn)的氣泡和夾雜缺陷，找出其產(chǎn)生原因并提出解決辦法或預(yù)防措施。

1 KFC引線框架材料連續(xù)擠壓產(chǎn)品的主要缺陷及危害

1.1 氣泡

圖2 KFC帶坯表面氣泡缺陷

KFC引線框架材料連續(xù)擠壓產(chǎn)品的氣泡缺陷主要分兩類，一是擠壓過程中出現(xiàn)的擠壓氣泡，其次是在連續(xù)擠壓后的退火工序中出現(xiàn)的退火氣泡。

氣泡缺陷對產(chǎn)品質(zhì)量的影響主要有：①氣泡在表面，如果出現(xiàn)在靠近帶坯卷料的一端，則可以去除該部分，只要剩余的卷料滿足下游用戶對最小卷重的要求，就可以進(jìn)入下工序加工；②氣泡在表面，但出現(xiàn)在卷料的中間部分，缺陷段被去除后造成卷料被切斷，如果切出的單卷重量達(dá)不到最小卷重的要求，則整卷帶坯報(bào)廢；③氣泡在內(nèi)部，通常情況下，由于生產(chǎn)過程中沒有先進(jìn)的檢測手段，則有缺陷的坯料容易流入下工序加工，但在后繼加工中被暴露出來，則仍需要采用前述的方法處理。氣泡缺陷無論出現(xiàn)在帶坯的表面還是內(nèi)部，都會對生產(chǎn)企業(yè)和下游用戶造成損失。

1.2 夾雜

圖3所示為KFC帶坯表面夾雜缺陷，但是無論是表面夾雜還是內(nèi)部夾雜，當(dāng)夾雜出現(xiàn)在帶坯或半成品的表面被發(fā)現(xiàn)，則可采用氣泡缺陷的處理辦法，但是當(dāng)夾雜在內(nèi)部，經(jīng)過后繼加工仍不能被發(fā)現(xiàn)，并在最終產(chǎn)品抽檢或使用中被發(fā)現(xiàn)，則整批最終產(chǎn)品將報(bào)廢，生產(chǎn)企業(yè)和下游用戶都將遭受巨大損失。

圖3 KFC帶坯表面夾雜缺陷

2 氣泡缺陷的產(chǎn)生原因和解決辦法

2.1 氣泡缺陷的產(chǎn)生原因

KFC引線框架材料連續(xù)擠壓產(chǎn)品出現(xiàn)氣泡缺陷的根本原因在于有氣體進(jìn)入到產(chǎn)品中。其氣體的來源分析如下。

2.1.1 上引KFC銅合金桿中的氣體

上引連鑄原理如圖4所示，在一定的牽引力作用下，銅銀合金液上引結(jié)晶凝固。金屬液是自上而下凝固，與普通的鑄造凝固方式相反。采用上引鑄造法時(shí)，鑄桿自上而下凝固過程中，結(jié)晶前沿氣體的過飽和度很高，當(dāng)氣體達(dá)到一定的過飽和度時(shí)，完全能依靠自發(fā)形核長大成氣孔，很容易在鑄桿中形成氣孔[1]。和空心桿等缺陷[7]。

圖4 上引連鑄原理圖

2.1.2 上引KFC桿料表面被氧化或污染

KFC桿料被上引生產(chǎn)出來后，往往需要等待一段時(shí)間才能進(jìn)行連續(xù)擠壓加工，在存放過程中，尤其是較潮濕的大氣環(huán)境中，桿料很容易表面氧化，從而在連續(xù)擠壓過程中產(chǎn)生氣體，形成氣泡缺陷。

生產(chǎn)過程中，成卷的桿料需要吊運(yùn)裝卸，操作人員手套或吊帶上的油污，都可能對桿料表面產(chǎn)生污染，當(dāng)進(jìn)入連續(xù)擠壓過程中時(shí)，產(chǎn)生氣體，形成氣泡缺陷。其次，即使是干凈的手套和吊帶，但由于上引的KFC桿料表面粗糙，刮蹭手套或吊帶產(chǎn)生的線頭附著在桿料上，也會產(chǎn)生氣泡。而且，當(dāng)桿料與設(shè)備、地面等有油漆或涂料表面磕碰或放置時(shí)都有可能附著上雜物造成氣泡。

另外，有桿料運(yùn)輸或存放過程中包裝破損，造成桿料表面被灰塵污染，當(dāng)灰塵在連續(xù)擠壓工程中被加熱，產(chǎn)生氣體。

2.1.3 連續(xù)擠壓過程中帶入的氣體

由于連續(xù)擠壓生產(chǎn)KFC引線框架材料時(shí)，其生產(chǎn)起始階段需要加入一定長度的加熱后的短桿料，桿料與桿料端頭必然有間隙，從而把氣體帶入。其次，連續(xù)擠壓實(shí)際生產(chǎn)中有時(shí)候會使用接桿的方法使生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行，但由于接桿的端頭部位，沒有采用加工處理，使氣體帶入。

連續(xù)擠壓生產(chǎn)過程擠壓輪、腔體、擋料塊等間隙調(diào)整不當(dāng)或者在使用過程中由于工模具變形或磨損造成間隙變化，使擠壓輪槽KFC金屬層出現(xiàn)鼓包或翹起，如圖5所示，該部分再次進(jìn)入擠壓過程時(shí)，可能產(chǎn)生層疊，帶入氣體。

圖5 擠壓輪槽KFC金屬層出現(xiàn)鼓包

在熔煉氣氛中，與銅合金液接觸的氣體中H2和O2可溶于銅，其中H2以氫原子[H]形式溶于銅，O2則以Cu2O形式溶于銅合金液。而無氧銅銀合金桿中的氣孔主要是由于在熔鑄過程中存在H2O(g)=[O]+2[H]的平衡反應(yīng)，溶于銅液中的氫和氧在凝固時(shí)發(fā)生水蒸汽反應(yīng)而形成氣孔[2-6]。

上引速度對桿料組織結(jié)晶的影響。由于金屬凝固過程總是從鑄桿表面開始，向中心逐漸擴(kuò)展的，因此，液穴應(yīng)是倒碗形狀的。上引速度過快，將使鑄桿中心與邊部的溫差增大，液穴高度增加，易產(chǎn)生氣孔

其次，由于上引速度不合適、結(jié)晶器故障、牽引器調(diào)節(jié)不合適，造成上引桿表面不平滑，粗糙度增加，連續(xù)擠壓過程時(shí)，較深的凹坑，可能產(chǎn)生疊蓋，帶入氣體。

由于上引速度過快或過慢時(shí)，都使桿料表面或內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，當(dāng)這部分桿料進(jìn)入連續(xù)擠壓過程中時(shí)，帶入氣體。

2.2 氣泡缺陷的解決及預(yù)防措施

圖6 KFC上引桿表面粗糙度過大

對于KFC引線框架材料連續(xù)擠壓中出現(xiàn)的氣泡缺陷，可根據(jù)其產(chǎn)生原因的不同，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行解決和預(yù)防。

（1）由上引工藝造成的氣泡，可以對上引工藝采取控制措施：嚴(yán)格保證熔液金屬表面覆蓋木炭的干燥程度、顆粒大小、覆蓋層厚度；合理控制熔煉溫度，盡可能采用低溫熔煉和鑄造，減少熔液高溫時(shí)間，表面氫和氧的含量隨溫度升高而升高；采用合理的上引速度，兼顧生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

（2）減少桿料等待使用的時(shí)間，減少氧化、灰塵污染的幾率，桿料的生產(chǎn)與連續(xù)擠壓用料時(shí)間匹配，盡量做到正常情況下產(chǎn)用平衡。生產(chǎn)過程中嚴(yán)禁有污物的手套、吊帶、掛鉤等防護(hù)設(shè)備和用具與KFC桿料的接觸。桿料不能直接放置在地面或其他有油漆涂料的表面，嚴(yán)禁在地面或設(shè)備表面拖行。生產(chǎn)過程中桿料容易接觸到的漆面或涂料表面，可以做防護(hù)或直接去除。桿料長途運(yùn)輸，必須包裝完好，做好防氧化、防潮、防塵的防護(hù)。對于較嚴(yán)重的氧化或污染，在桿料進(jìn)入連續(xù)擠壓機(jī)之前，采用設(shè)置桿料預(yù)處理和清洗裝置，去除氧化層和污染物，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）連續(xù)擠壓生產(chǎn)初始階段由于加入了短料，屬于工藝規(guī)范內(nèi)容，不可避免，建議初始產(chǎn)品直接剪短不用。購置接頭設(shè)備，真正把長桿料連接起來，也可以通過測算，盡量保證桿料與單卷重量成整數(shù)倍關(guān)系，提高原材料利用效率。日常生產(chǎn)前嚴(yán)格檢查工模具使用情況，合理調(diào)整間隙，減少缺陷產(chǎn)生。選用合適的上引速度，注意上引設(shè)備的日常維護(hù)，多方提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3 夾雜缺陷的產(chǎn)生原因和解決辦法

3.1 夾雜缺陷的產(chǎn)生原因

根據(jù)生產(chǎn)中的實(shí)際情況，KFC引線框架材料連續(xù)擠壓生產(chǎn)過程中產(chǎn)品夾雜缺陷主要有五類情況。

3.1.1 上引夾雜

上引過程中由于木炭本身或木炭中的雜物在銅合金熔液中，凝固后在桿料表面或內(nèi)部形成夾雜，如圖7所示。

圖7 KFC上引桿表面夾雜

3.1.2 工模具破損夾雜

由于連續(xù)擠壓過程是一個(gè)高溫高壓的生產(chǎn)過程，工模具在正常情況下使用，會逐漸變形或損壞，其變形破損掉屑產(chǎn)生夾雜。

擠壓輪由于生產(chǎn)過程中溫度周期性變化，容易產(chǎn)生熱疲勞后碎裂掉屑，其次壓實(shí)輪一直把桿料壓入輪槽，會逐漸把擠壓輪的輪槽口磨平損壞，其掉屑也會產(chǎn)生夾雜，如圖8所示。

圖8 擠壓輪槽口損壞

模具、刮刀、擋料塊、腔體、進(jìn)料導(dǎo)板、壓實(shí)輪等與變形金屬直接接觸的零部件，在長期的連續(xù)擠壓生產(chǎn)過程中也會因?yàn)樽冃?、磨損、沖擊等掉屑，并產(chǎn)生夾雜。圖9所示為模具變形磨損。

圖9 模具磨損變形

3.1.3 溢料夾雜

溢料夾雜是指在連續(xù)擠壓過程中的溢料進(jìn)入到擠壓產(chǎn)品中形成的夾雜。

如圖10所示，刮刀由于間隙調(diào)整不合適或磨損，溢料未被刮凈，并隨擠壓輪轉(zhuǎn)動(dòng)部分會被壓實(shí)輪壓入擠壓輪槽進(jìn)入連續(xù)擠壓過程中，造成夾雜。

圖10 壓實(shí)輪壓入溢料

刮刀附近出現(xiàn)少量不規(guī)則溢料的堆積，如圖11所示，這些溢料如果被帶入連續(xù)擠壓過程，就形成夾雜。

圖11 溢料在刮刀處堆積

特殊情況，曾經(jīng)發(fā)生溢料翻卷到刮刀上方的擠壓輪槽內(nèi)，被帶入擠壓過程造成夾雜。

3.1.4 氧化物夾雜

KFC銅合金由于在高溫下停留時(shí)間過長或自身溫度過高而發(fā)生氧化，部分氧化物如果未被作為溢料及時(shí)帶出或清除，氧化物進(jìn)入連續(xù)擠壓過程中，造成夾雜。

壓實(shí)輪的出料方向，由于進(jìn)料導(dǎo)板的阻擋，會產(chǎn)生氧化物堆積，這些氧化物進(jìn)入連續(xù)擠壓過程中，形成夾雜，如圖12所示。

圖12 壓實(shí)輪處的氧化物

連續(xù)擠壓結(jié)束后，腔體進(jìn)料入口處會附著少量銅合金，并逐漸氧化，再進(jìn)行連續(xù)擠壓生產(chǎn)時(shí)，氧化物進(jìn)入連續(xù)擠壓過程形成夾雜，如圖13所示。

圖14所示為靴座、進(jìn)料導(dǎo)板和腔體之間的間隙未做配合調(diào)整，致使在間隙臺階處產(chǎn)生KFC銅合金氧化物產(chǎn)生，這些氧化物進(jìn)入連續(xù)擠壓過程中，形成夾雜。

圖15所示為腔體和擠壓輪之間的密封面過寬，造成溢料阻力過大無法溢出，停留后造成氧化，氧化物進(jìn)入連續(xù)擠壓過程產(chǎn)生夾雜。

圖13 氧化物附著在進(jìn)料入口處

圖14 靴座、進(jìn)料導(dǎo)板和腔體間隙過大

圖15 腔體和擠壓輪的密封面過寬

3.1.5 桿料屑夾雜

KFC桿料在上引過程中，由于牽引部分需要提供足夠的牽引力，為增大摩擦，牽引輪需要加工較深的齒紋，這些齒紋有時(shí)候會像銼刀一樣在KFC桿料表面形成金屬毛刺和產(chǎn)生碎屑。其次在盤卷過程中桿料之間的摩擦，會造成桿料表面出現(xiàn)微小的金屬屑，而這些桿料上的金屬毛刺和碎屑如果在連續(xù)擠壓生產(chǎn)時(shí)未被及時(shí)清理，進(jìn)入連續(xù)擠壓過程中，形成夾雜。

3.2 夾雜缺陷的解決及預(yù)防措施

由于KFC引線框架材料連續(xù)擠壓產(chǎn)品中夾雜產(chǎn)生的原因及來源的不同，應(yīng)該采取不同的措施進(jìn)行解決和預(yù)防。

（1）上引夾雜主要來自于上引工藝和原材料本身。金屬熔液上覆蓋的木炭要經(jīng)過嚴(yán)格篩選，保證無雜物、灰塵，并做到烘干投放。原材料投入時(shí)要保證清潔和干燥，尤其在投入KFC產(chǎn)品邊角余料、廢品等條料或片料時(shí)，要保證無其他金屬或雜物混入，表面無污染后灰塵等。

（2）擠壓輪碎裂或磨損造成的夾雜，需要按照工藝規(guī)范合理調(diào)整刮刀與擠壓輪的間隙，以及擠壓輪和腔體之間的間隙，避免擠壓輪過度磨損。平時(shí)開機(jī)注意擋料塊的磨損和變形，如出現(xiàn)鐓粗、裂紋等現(xiàn)象，需要及時(shí)更換。模具的變形和掉屑，需要改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)，從使用成本方面考慮選用合適的模具材料，每次裝配模具，要注意觀察模具的使用情況。壓實(shí)輪壓下量調(diào)整合理，避免過大的壓下量造成壓實(shí)輪磨損和鐓粗。刮刀平時(shí)間隙按照工藝規(guī)范設(shè)定，刮除輪槽余料時(shí)進(jìn)給要合理，避免過大沖擊造成刮刀斷裂。其次，要嚴(yán)格要求操作者，每次停機(jī)后和開機(jī)前都要仔細(xì)檢查連續(xù)擠壓過程中與KFC金屬接觸相關(guān)零部件的情況，平時(shí)做好生產(chǎn)記錄，保證工模具在正常的使用壽命內(nèi)工作。

（3）溢料夾雜的解決，需要合理調(diào)整刮刀和擠壓輪槽的間隙，保證溢料清除干凈，對于磨損的刮刀要及時(shí)更換。日常生產(chǎn)，操作者要及時(shí)清理機(jī)架中間的溢料，避免溢料堆積。其次，每次停機(jī)后及時(shí)清除刮刀和壓實(shí)輪附近的溢料，以及其他機(jī)架、靴座等其它零部件上的溢料，開機(jī)前需要再次檢查確認(rèn)。

（4）氧化夾雜的解決，首先需要把各工裝模具之間的間隙調(diào)整合理，對于無法調(diào)整的臺階可以進(jìn)行修整和研磨，使其平滑過度，避免殘料氧化造成夾雜。其次，從工模具設(shè)計(jì)入手，通過減少過寬的密封面，是溢料溢出的阻力減少，避免產(chǎn)生氧化物支撐夾雜。每次停機(jī)后和開機(jī)前都要清除壓實(shí)輪。刮刀等附近的氧化物殘留。腔體加熱使用前，要去除表面附著的氧化，使其表面光亮平滑。

（5）桿料屑夾雜在日常生產(chǎn)中較可以采取措施避免。對于桿料上的金屬毛刺和碎屑，可以在更換新零部件時(shí)適當(dāng)修整銳角，而上引收卷產(chǎn)生的掉屑，要調(diào)整收卷機(jī)的收卷半徑，并匹配上引速度。對于較嚴(yán)重的毛刺和碎屑附著，可以在桿料進(jìn)入線路擠壓機(jī)之前設(shè)置桿料預(yù)處理和清洗裝置，去除毛刺，清洗金屬屑，吹干后進(jìn)行連續(xù)擠壓生產(chǎn)。

4 結(jié)論

連續(xù)擠壓技術(shù)在KFC引線框架材料加工中的應(yīng)用盡管才幾年時(shí)間，但憑借綠色環(huán)保、短流程高效、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢得到企業(yè)用戶的認(rèn)可[8,9]。

本文對生產(chǎn)實(shí)際中KFC引線框架材料連續(xù)擠壓產(chǎn)品氣泡和夾雜缺陷的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，并提出了解決辦法或預(yù)防措施。實(shí)際生產(chǎn)中，氣泡和夾雜缺陷的出現(xiàn)往往結(jié)伴而來，而且也會出現(xiàn)某種缺陷的不同類型，但從分析缺陷本身的來源入手，根據(jù)其產(chǎn)生的原因，即可找到相應(yīng)的解決辦法或預(yù)防措施。

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