FPC用高撓曲壓延銅箔的板形控制*

佟慶平，張淑琴，陳 賓，王亞超，張玉翠，車廣斌

（中色奧博特銅鋁業(yè)有限公司 山東 臨清 252600）

1 引言

高撓曲壓延銅箔具有高彎折、高滑動屈曲、高耐振動性、低彈性模量等特性，具有電解銅箔不可替代的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于柔性印刷線路板FPC等高端消費類電子領(lǐng)域，市場需求量近年增長迅速［1］。目前國內(nèi)市場上的高撓曲壓延銅箔主要依賴進口，為打破進口產(chǎn)品的壟斷局面，實現(xiàn)高撓曲壓延銅箔的國產(chǎn)化，中色奧博特銅鋁業(yè)有限公司經(jīng)過近兩年的技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)出與同類進口產(chǎn)品性能相當(dāng)?shù)腁Z 系列高撓曲壓延銅箔，于2020 年通過了國內(nèi)終端客戶的測試認證，現(xiàn)已實現(xiàn)批量生產(chǎn)［2］。

板形（平坦度）公差是FPC 用高撓曲壓延銅箔的重要質(zhì)量指標(biāo)之一［3］。板形不良會造成生產(chǎn)涂覆無膠基材時出現(xiàn)銅箔松弛跑偏和折皺缺陷，導(dǎo)致銅箔和PI 壓合不良和起皺，影響FPC 制程生產(chǎn)效率和成品率。因此，深入消化、吸收國外先進箔材板形控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，充分發(fā)揮X 型六輥可逆軋機的板形控制優(yōu)勢，優(yōu)化軋制工藝參數(shù)，提高FPC 用高撓曲壓延銅箔板形質(zhì)量是一項具有重大經(jīng)濟意義的課題。

2 X 型六輥可逆軋機的特點

X 型六輥可逆軋機（三菱日立制鐵機械株式會社制造，簡稱“IHI 公司”）是軋制銅及銅合金箔材的專用軋機。為了軋制高精度的超薄帶材和箔材，軋機自動厚度控制系統(tǒng)AGC 采用兩種控制模式（見圖1），分別為出口厚度大于50μm 的箔材，采用軋制力/輥縫GAP 控制方式；出口厚度小于等于50μm的箔材，采用張力速度優(yōu)化STO控制方式。軋機12μm 和18μm 厚度公差保證值為標(biāo)稱值的±5%。板形檢測選用IHI 公司研制的空氣軸承式板形輥，采用Sheetflat@智能板形自動控制AFC 系統(tǒng)，具有軋制力、傾斜、彎輥和冷卻油分段控制四種板形控制策略［4］，12μm 和18μm 厚度的板形公差保證值為±5.0I-unit（板形輥測量）。

圖1 X 型六輥可逆軋機厚度和板形控制圖

軋輥采用X 形布置，分別在上、下工作輥切線位置用一對平行的大直徑支承輥從兩側(cè)支承小直徑工作輥以防止水平偏斜，軋輥的潤滑及冷卻采用在銅箔入口側(cè)單側(cè)噴油方式，依靠相互壓靠的軋輥及壓縮空氣吹掃來減少箔材出口表面殘油量，從而提高軋制過程張力穩(wěn)定性和軋制速度。但該軋機對銅箔母材及軋制過程中各參數(shù)的配合與控制要求，都比其他多輥軋機更加嚴格［5］。

3 X 型六輥可逆軋機AFC 控制系統(tǒng)

3.1 IHI 空氣軸承式板形輥

空氣軸承式板形輥由一個固定的不銹鋼芯軸和芯軸外面16 個50 mm 寬的測量環(huán)組成，可連續(xù)測量，運行穩(wěn)定。當(dāng)銅箔以一定包角作用在板形輥上時，通過檢測環(huán)上最高點和最低點的氣膜壓力變化，可連續(xù)檢測出箔材寬向不同部位的應(yīng)力分布（即板形）［6］?？諝廨S承式板形輥測量準(zhǔn)確、靈敏高，為使板形輥一直處于最佳板形測量狀態(tài)，按照箔材從厚到薄設(shè)計了3°、15°和50°三個包角輥位置，確保測量環(huán)測量箔材張力的分辨率小于0.35N/mm2，即銅箔板形測量分辨率小于0.5I-unit。

3.2 板形輥測量區(qū)域名稱和控制板形

整個板形輥共有32 個測量區(qū)域，如圖2 中橫軸所示，測量區(qū)域名稱為OS16～DS16。箔寬570 mm 的銅箔在板形輥上覆蓋12 個有效測量環(huán)CH3～CH14，對應(yīng)的22 個測量區(qū)域名稱分別為OS11～DS11。如圖中縱軸所示，板形“+”值代表板形“緊”方向，板形“-”值代表板形“松”方向。

圖2 銅箔寬度為570 mm 的某時刻的檢測板形、目標(biāo)板形和控制板形曲線

在穩(wěn)定軋制工作條件下，AFC 系統(tǒng)以板形輥檢測板形為反饋信號，目標(biāo)板形為給定信號，檢測板形與目標(biāo)板形的差，即控制板形［7］，圖中綠色柱狀為板形輥檢測板形，紅色曲線是目標(biāo)板形，黑色曲線是控制板形。

AFC 系統(tǒng)將控制板形擴展為有效區(qū)連續(xù)波的傅里葉級數(shù)，假設(shè)區(qū)域數(shù)為i，有效區(qū)域數(shù)為S，則用傅里葉級數(shù)表示的控制板形如下：

A1和A2的組合顯示整個板形缺陷。A1是一階余弦波的振幅，正A1代表中浪，負A1代表邊浪，A1值也是板形（平坦度）公差。A2是二階余弦波的振幅，正A2代表四分之一浪，負A2代表邊部&中間浪［8］。

3.3 AFC 控制系統(tǒng)

AFC 控制系統(tǒng)根據(jù)控制板形曲線，通過調(diào)用工作輥傾斜、軋制力、彎輥和冷卻油分段控制程序，來調(diào)控推上缸、工作輥彎輥缸和冷卻油噴嘴等執(zhí)行機構(gòu)消除板形缺陷。板形調(diào)控執(zhí)行機構(gòu)基本都是單獨動作，無優(yōu)先次序之分。

3.3.1 傾斜控制

傾斜控制主要和邊部控制板形值有關(guān)［8］。以箔寬570 mm 為例來描述傾斜控制方法，AFC 系統(tǒng)規(guī)定控制板形邊部OS11/DS11 權(quán)重系數(shù)=1+邊部權(quán)重因子，邊部權(quán)重因子為3（可設(shè)置）。OS10～OS1 和DS10～DS1 區(qū)域的權(quán)重系數(shù)，按邊部（OS11/DS11=1）和中部（OS1/DS1=0）的斜率分別計算出，將兩側(cè)各區(qū)域控制板形分別乘以相應(yīng)權(quán)重系數(shù)，OS 側(cè)和DS 側(cè)的乘積相加后分別取平均值，OS 側(cè)和DS 側(cè)平均值的差值就是傾斜控制板形TILT Control Shape（I-unit)，換算成傾斜補償值A(chǔ)FC TILT Compensating value（μm）。

當(dāng)TILT Control Shape 為“+”時，OS 側(cè)輥縫閉合，DS 側(cè)輥縫打開；當(dāng)Tilt Control Shape 為“-”時，OS 側(cè)輥縫打開；DS 側(cè)輥縫閉合。

傾斜控制反應(yīng)快，控制效果會更早顯現(xiàn)，因此只能對板形邊部不對稱進行有限幅度的調(diào)整。TILT Control Shape 在（-3.0～3.0）I-unit 范圍內(nèi)不受調(diào)控，板形不對稱要靠分段冷卻控制去改善。

3.3.2 軋制力控制

AFC 根據(jù)A1值計算出AFC 軋制力補償值A(chǔ)FC Rolling Compensating value（μm），當(dāng)A1值為“+”時，AFC 系統(tǒng)控制兩側(cè)推上缸朝輥縫閉合方向工作，加大軋制力來消除中浪。當(dāng)A1值為“-”時，兩側(cè)推上缸朝輥縫打開方向工作，減小軋制力來消除雙邊浪［8］。

傾斜和軋制力控制都要通過推上缸實現(xiàn)板形調(diào)整，因此推上缸傾斜補償值如下：

OS 推上傾斜補償值=AFC Rolling Compensating value+AFC TILT Compensating value

DS 推上傾斜補償值=AFC Rolling Compensating value-AFC TILT Compensating value

在STO 模式下，軋制力AFC 滿足總軋制力≥400kN 且軋制速度≥250mpm 條件下才工作，它專門調(diào)控極薄箔材中部板形的松緊；AFC 軋制力調(diào)整也有限，A1 值在死區(qū)（-1.6～1.8）I-unit 范圍內(nèi)軋制力不受調(diào)控，板形不良要靠冷卻分段控制去改善［9］。

3.3.3 彎輥控制

彎輥控制主要與邊部控制板形有關(guān)［8］，AFC把OS 側(cè)和DS 側(cè)邊部區(qū)域板形相加后取平均值，得到邊部控制板形平均值A(chǔ)verage of Edge Control Shape，乘以彎輥增益WRB Gain（AFC 控制參數(shù)），在彎輥工作聯(lián)鎖和保持條件滿足的情況下，計算出彎輥力補償值A(chǔ)FC WRB Compensating value（MPa）。

當(dāng)Average of Edge Control Shape 為“＋”時，在工作輥輥頸上施加與軋制力相反方向的彎輥力（負彎輥）；當(dāng)Average of Edge Control Shape 為“-”時，在工作輥輥頸上施加與軋制力同方向的彎輥力（正彎輥）。

彎輥工作聯(lián)鎖和保持條件多，正彎限值設(shè)為8.5 MPa，負彎限值設(shè)為-5.0 MPa。彎輥只對箔材邊部延伸有效并且效果很輕微。

3.3.4 工作輥冷卻油/輔助（熱油）分段控制

軋機左右兩側(cè)各有3 套工作輥冷卻噴淋裝置，2 套用于冷卻油分段控制，1 套用于輔助（熱油）分段控制，如圖3（a）所示。冷卻油分段控制包括工作輥噴淋和輥縫噴淋，工作輥噴嘴和輥縫噴嘴流量比WR:BITE=2:1，上下工作輥噴嘴各有32 個，上下輥縫噴嘴也各有32 個，把工作輥分成了32 段，每段的噴嘴號和板形測量區(qū)域名稱號一一對應(yīng)，如圖3（b）所示。冷卻油和熱油共用上工作輥噴嘴，當(dāng)上工作輥噴嘴噴淋熱油時，該段的下工作輥噴嘴和上下輥縫噴嘴自動關(guān)閉。噴嘴工作狀態(tài)有3 種，ON 表示噴嘴在冷卻油循環(huán)周期內(nèi)常開，OFF 表示常關(guān)，ALT 表示在周期內(nèi)開關(guān)交替，冷卻液控制周期（一般設(shè)為3 s）決定冷卻方式（ON、OFF 和ALT）的ON/OFF 循環(huán)［8］。

圖3 工作輥主冷卻油/輔助冷卻油分段控制示意圖

（1）冷卻油分段分級控制

噴淋冷油主要是起潤滑和冷卻作用。冷卻油分段控制分為主冷卻油和邊部冷卻油分段分級控制。AFC 按照板形值從大到小設(shè)置6 個冷卻級別，對應(yīng)6 種噴淋模式。見表1，L1x～L5x是主冷卻油分級參數(shù)（可設(shè)置），一般L1x=2，L3x=0，L5x=-4。AFC將每個有效區(qū)域（除邊部外）的控制板形與主冷卻油分級參數(shù)相比較，確定該段主冷卻油噴嘴噴淋模式編號，調(diào)用相應(yīng)段的工作輥噴嘴和輥縫噴嘴工作程序［10］。從表1 中得出，噴嘴噴淋模式編號越大，冷卻油流量越大；控制板形越松，冷卻油流量越大。

表1 主冷卻油分段分級控制噴淋模式表

（2）輔助ADD 冷卻（熱油）分段分級控制

噴淋熱油是為消除該段控制板形緊的缺陷。以箔寬570 mm 的控制板形來說明熱油噴淋條件，邊部（OS11 和DS11）的3 種熱油噴淋模式（ON，ALT 和OFF）由ADD 邊部熱油分級值（Lh1和Lh2）決定；內(nèi)部（OS10～DS10）控制板形也有3 種熱油噴淋模式（ON，ALT 和OFF），由ADD 內(nèi)部熱油分級值（Lh01和Lh02）決定；為了更好地控制邊部板形，OS12 和OS13、DS12 和DS13 區(qū)域的噴嘴開關(guān)分別由OS10 和OS11、DS10 和DS11 控制板形組合條件來決定。整個循環(huán)周期內(nèi)熱油噴嘴ON 的個數(shù)不能大于5 個，以上所述的熱油分級值和循環(huán)周期內(nèi)熱油噴嘴工作的數(shù)量等參數(shù)都可在HMI 上設(shè)置。

4 影響高撓曲壓延銅箔板形控制的主要因素及改進措施

銅箔軋制過程中，影響板形控制的因素多且復(fù)雜，主要有來料母材、軋輥、人工操作、AFC 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、板形輥校準(zhǔn)維護、軋制工藝、軋制油等。圍繞影響高撓曲壓延銅箔板形質(zhì)量的主要因素進行分析研究，采取措施使FPC 用高撓曲壓延銅箔板形公差達到質(zhì)量指標(biāo)要求。

4.1 目標(biāo)板形的影響

板形控制的關(guān)鍵在于制定恰當(dāng)目標(biāo)板形曲線和準(zhǔn)確測量實際板形。目標(biāo)板形曲線的合理性，對后續(xù)工序的生產(chǎn)和下游客戶的使用將產(chǎn)生重要的影響，只有識別出下游客戶生產(chǎn)線對銅箔板形的需求，并對標(biāo)國外產(chǎn)品的板形，才能確定最佳目標(biāo)板形［11］。考慮到卷取附加應(yīng)力會影響板形測量，需采用相應(yīng)的目標(biāo)板形補償曲線。目前，F(xiàn)PC 用高撓曲壓延銅箔大部分客戶需要輕微“雙邊浪”的板形。

4.2 工作輥（WR）凸度、WR 表面粗糙度和支撐輥（BUR）凸度的影響

合理選擇工作輥初始凸度，可使板形變化始終被限制在AFC 控制能力之內(nèi)，這是獲得良好板形的重要保證［4］。工作輥的彈性彎曲、彈性壓扁和磨損及輥身的熱膨脹等都會使工作輥輥形發(fā)生變化［9］。因此，在高撓曲壓延銅箔成品道次時，要求選用進口工作輥軋制，工作輥輥形采用平輥，規(guī)定換輥工藝并要求換輥后要進行熱輥操作。

工作輥表面粗糙度Ra 的均勻性對板形控制相當(dāng)重要，輥面Ra 值不均勻，輥面與銅箔間的變形抗力和產(chǎn)生的摩擦熱量不均勻，會造成銅箔延伸大小不均［9］，特別在12μm 銅箔表面易出現(xiàn)局部波浪或成串的窩浪等板形缺陷。采取磨削工藝來改進工作輥，工作輥Ra 值要求在0.02μm～0.04μm 之間，輥面Ra 需均勻一致，工作輥配對時，要求同一對輥輥面Ra 要相近。

BUR 的凸度影響軋制力在工作輥作用力的分布和大小，也同樣影響AFC 控制系統(tǒng)的板形控制效果。在生產(chǎn)初期，目標(biāo)板形是“雙邊浪”板形，但軋制出“中間浪”板形，通過分析研究，發(fā)現(xiàn)BUR 凸度過大會使工作輥中間的變形程度大于兩端變形程度，導(dǎo)致箔材中部的受力大，邊部受力小，箔材中部延伸較邊部延伸大，形成“中間浪”板形。通過優(yōu)化調(diào)整上下支撐輥凸度，當(dāng)支撐輥總凸度減小到0.30mm 左右后，軋制出的產(chǎn)品板形趨于雙邊浪板形。

4.3 冷卻油/輔助冷卻（熱油）分段冷卻控制參數(shù)的影響

箔材軋機主要是利用主冷卻油/輔助熱油分段方式進行精確地控制，確保箔材板形達到目標(biāo)板形，尤其是當(dāng)銅箔進入到負輥縫軋制時，傾斜、軋制力到調(diào)節(jié)死區(qū)和彎輥力被限制，板形控制100%依靠軋制油主冷卻油/輔助熱油分段冷卻控制［9］。軋制油的溫度、壓力和流量及其AFC 控制參數(shù)等影響工作輥各段的熱凸度。

AFC File Player 軟件是通過播放AFC 系統(tǒng)生成的軋制日志文件來分析整個軋制過程工藝參數(shù)和板形變化的工具。根據(jù)冷卻油分段控制界面（見圖4）參數(shù)趨勢圖，可以查看冷油和熱油溫度和壓力的控制情況，從中可知冷油溫度變化小，而熱油溫度和油壓變化大需調(diào)整；通過比較控制板形絕對值的最大值│MAX I-unit │和板形A1趨勢，優(yōu)化冷油溫度、熱油溫度和壓力設(shè)定值。利用軟件統(tǒng)計功能分析邊部等區(qū)域控制板形超過報警值的占比，適當(dāng)調(diào)整冷油和熱油的分級值來消除“翹邊”“袋狀”等板形缺陷。

圖4 AFC File Player 的冷卻油分段控制界面的參數(shù)趨勢圖

4.4 道次加工率、軋制力、軋制速度和張力的影響

X 型六輥可逆軋機AGC 系統(tǒng)在STO 模式下，箔材主要靠入口張力和軋制速度減薄，道次加工率大小主要影響軋制速度，軋制力大小影響工作輥的彈性變形程度，軋制速度和張力的變化會引起工作輥凸度的變化。

在軋制20μm 以下厚度產(chǎn)品，在軋制過程中有時會出現(xiàn)軋制力和軋制速度變化超過了工藝要求的范圍。如圖5 所示，軋制開始A1=4.2I-unit，板形為“中間浪”，AFC 軋制力為把板形控制成“雙邊浪”板形，軋制力給定值（FORCE REF）從0μm 逐步增大到386μm，使軋制力（TOTAL FORCE）從450kN 增加到756kN，軋制力的減薄作用導(dǎo)致軋制速度（MILL SPEED）從350mpm 降到260mpm，A1值逐漸在減小，說明板形“中浪”程度在減輕。軋制力和軋制速度變化大的主要原因是前道次的板形是“雙邊浪”板形造成的，遇到這種情況時，為了使軋制力可控，操作人員可在AFC界面關(guān)閉軋制力控制。由于彎輥力（WRB FB）一直處于負彎極限（-5.0 MPa），板形只能靠主冷卻油/輔助冷卻（熱油）分段控制慢慢去修正。

圖5 軋制速度、軋制力、彎輥、軋制力、A1、傾斜給定值、軋制力給定值等參數(shù)趨勢圖

大張力可以使銅箔發(fā)生彈性伸長，使銅箔表面的輕微波浪變平整；銅箔越薄，出口張力對板形的影響越大［4］。適當(dāng)減小出口張力可以提高板形測量精度，改善控制效果。

5 FPC 用高撓曲壓延銅箔的板形控制效果

FPC 用高撓曲壓延銅箔和普通紫銅箔軋制相比，要保證軋制出銅箔具有穩(wěn)定的高撓曲性能，從200μm 母材軋制到18μm 和12μm 成品箔材，每道次的軋制速度、軋制力、張力等都需要控制在工藝要求的范圍內(nèi)。通過優(yōu)化軋制工藝，合理設(shè)定目標(biāo)板形，調(diào)整冷油和熱油分段控制的AFC 控制參數(shù)，來改善板形控制效果。經(jīng)用戶上線對板形適宜性的綜合評價，確定FPC 用高撓曲壓延銅箔（12μm和18μm）板形公差在（-3.0～+3.0）I-unit 內(nèi)可滿足用戶的使用要求。

FPC 用高撓曲壓延銅箔板形控制效果如圖6所示，此卷厚度為16.5μm，寬度570 mm，長度為60244 m，板形顯示為輕微雙邊浪板形，在線板形3D 效果圖可直觀顯示出OS 側(cè)比DS 側(cè)邊部板形松的狀態(tài)（見圖7）。由圖8 可知，整個軋制過程中板形控制穩(wěn)定，波動少，94.72%的板形公差在（-2～+2）I-unit 內(nèi)。

圖6 厚度16.5 μm 高撓曲銅箔軋機二級板形圖

圖7 厚度16.5 μm 高撓曲壓延銅箔在線板形3D 效果圖

圖8 厚度16.5μm 高撓曲壓延銅箔軋機二級板形公差統(tǒng)計直方圖

對生產(chǎn)的高撓曲銅箔板形公差數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，目前高撓曲壓延銅箔（12μm 和18μm），95.4%（2σ）的板形公差都在（-3.0～+3.0）I-unit以內(nèi)，完全滿足下游用戶對高撓曲壓延銅箔產(chǎn)品性能和板形公差提出的要求，這表明調(diào)整后的AFC系統(tǒng)參數(shù)對板形具有很好的控制效果。

6 結(jié)論

通過對X 型六輥可逆軋機智能板形自動控制系統(tǒng)進行深入研究，掌握先進的箔材板形控制技術(shù)，才能結(jié)合FPC 用高撓曲壓延銅箔生產(chǎn)實驗不斷挖掘板形自動控制潛力；利用AFC File Player 軟件查看軋制力、傾斜、彎輥和分段冷卻調(diào)控的效果，分析板形出現(xiàn)中浪、復(fù)合浪等不良的原因，為優(yōu)化軋制工藝和AFC 控制參數(shù)提供科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)；支撐輥輥形優(yōu)化、AFC 控制參數(shù)優(yōu)化和目標(biāo)板形曲線的合理設(shè)置等，對提高FPC 用高撓曲壓延銅箔板形控制精度起關(guān)鍵作用。同時，由于FPC 用高撓曲壓延銅箔在生產(chǎn)中的控制環(huán)節(jié)很多，工藝很復(fù)雜，使控制結(jié)果容易出現(xiàn)波動。雖然目前板形控制還無法達到“零缺陷”，但是追求產(chǎn)品板形的“零缺陷”和客戶的高滿意度，一直是我們不懈努力的奮斗目標(biāo)。