軋制與鐓制工藝生產磷銅球的顯微組織和硬度對比

楊 勇，王佳欣，王 斌，姚宇蘢

(1.廣東技術師范大學機電學院，廣州 510635；2.廣州長仁工業(yè)科技有限公司，廣州 511356)

0 引 言

隨著5G通信技術的發(fā)展，印制電路板向著結構更加繁雜、工藝更加多樣化的方向發(fā)展。銅作為電鍍陽極，是印刷電路板生產的重要原料，在銅中添加磷元素可以有效改善其鑄造組織及性能，其中磷含量是保證陽極磷銅材料質量的關鍵指標，且磷銅的質量與磷膜的生成速率相關。在銅中加入磷，還可有效避免陽極溶解過快，使得陽極溶解過程中產生的泥渣較少。較高的磷含量會加速銅表面磷銅膜(Cu3P膜)的形成，而磷銅膜具有導電性能，可加快銅的氧化[1]。目前，常用的電鍍陽極磷銅材料的形狀包括球狀、柱狀、角狀等。在角狀和柱狀磷銅的生產中采用的是先擠壓或澆鑄銅棒，再切斷的工藝流程；該工藝比較簡單，但是該工藝生產的磷銅會存在銳利邊和毛刺，在陽極籃中極易產生搭橋現(xiàn)象，影響電鍍效果[2]。多層高密度互連積層板基于印制電路技術與厚膜制備技術制成，屬于精密電路板的一種。在使用微盲埋孔技術使線路分布密集化的過程中，陽極磷銅球的需求量較大[3]。

磷銅球的傳統(tǒng)生產工藝為連鑄→鍛造→拋光，該工藝耗能高，生產效率低，生產的產品表面比較粗糙[4]。目前，磷銅球的典型生產工藝包括冷鐓和軋制工藝。其中：冷鐓工藝是在常溫下對金屬施加壓力使其在預定模具內成形的加工工藝，該工藝易使磷銅球出現(xiàn)冷作硬化現(xiàn)象，且會在磷銅球表面覆蓋一層少量的加工油并產生環(huán)帶；軋制是一種高效、綠色的近凈成形技術，目前主要采用偏斜軋制工藝[5]，該工藝又稱為螺旋揉搓滾壓工藝，但該工藝會破壞磷銅球表層組織使表面生成氧化物，對磷銅球的純度產生影響，且后期用到的冷卻乳化液會污染環(huán)境[2,6]。趙長忠等[7]在冷鐓工藝基礎上優(yōu)化得到一種較新的改進型磷銅球生產工藝——鐓制工藝，與冷鐓工藝相比，采用該工藝生產的磷銅球不會出現(xiàn)冷作硬化現(xiàn)象。磷銅球的生產工藝直接影響新一代高端電子技術產品的供應和性能。電鍍陽極磷銅球在具有均勻致密顯微組織的前提下，應嚴格強化晶粒的細化程度，抑制粗大晶粒的產生。目前，已有的研究側重于單一生產工藝對磷銅球質量、環(huán)保、節(jié)能以及導電性能、力學性能等影響方面[8]，但是鮮見有關磷銅球不同生產工藝的對比研究。為了對不同工藝生產的磷銅球質量和性能進行對比，作者以直徑25 mm的磷銅球為對象，研究了目前主要采用的軋制與鐓制生產工藝對其顯微組織、硬度及生產結束時表面溫度的影響，以期為改進磷銅球生產工藝技術，實現(xiàn)磷銅球制造質量與成本的最優(yōu)化提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為某公司在軋制與鐓制2種不同工藝下生產的直徑25 mm的磷銅球，其化學成分如表1[9]所示，執(zhí)行標準為GB/T 20302-2006和CPCA 4305-2005。磷質量分數(shù)控制在0.040%～0.065%，防止對電鍍液以及環(huán)境造成污染，硫質量分數(shù)不高于 0.002%，以在脫氧完全的條件下確保鍍銅液的純凈[10]。軋制工藝采用HY-zq型磷銅球軋球機，工藝參數(shù)為軋球機功率35 kW，轉速1 500 r·min-1，最大軋制力98 kN，力矩9 800 N·m，軋制溫度1 050～1 200 ℃，軋輥直徑250 mm，切斷缸徑150 mm，壓力8 MPa。鐓制工藝采用GZCR-CQ25型高速鐓球機，工藝參數(shù)為棒料最大直徑12 mm，銅球最大直徑26 mm，電動機功率15 kW，轉速725 r·min-1，鐓鍛滑塊行程146 mm，鐓制直徑350 mm，壓力6 MPa。

表1 磷銅球的化學成分

用精度為0.02 mm的游標卡尺測量磷銅球的尺寸。在軋制和鐓制工藝生產的磷銅球上沿軋制方向截取金相試樣，經研磨、拋光，用由30 mL鹽酸、0.01 kg氯化高鐵、120 mL水組成的溶液腐蝕后，采用DMI5000M型光學顯微鏡觀察顯微組織。在磷銅球生產成形后，分別在接近出口槽與遠離出口槽的位置利用PC10+型非制冷焦平面熱像儀對磷銅球表面溫度進行紅外掃描測量。用HR-150A型洛氏硬度計測磷銅球的表面硬度和心部(靠近中心點的一圈)硬度，其中在表面等距離測4個點，心部等距離測3個點。

2 試驗結果與討論

2.1 宏觀形貌

測得2種工藝生產磷銅球的直徑為25 mm。由圖1可以看出：軋制工藝生產的磷銅球表面比較粗糙，這與軋制過程中的滾壓時間短有關；鐓制工藝生產的磷銅球表面較光滑，但是存在明顯的鐓制邊界，即在半球附近存在明顯的環(huán)帶，且存在兩極。

圖1 軋制與鐓制工藝生產磷銅球產品的外觀

2.2 顯微組織

由圖2可見，軋制工藝生產的磷銅球組織由α相與β相組成，晶界不明顯，存在少量纖維狀組織，晶粒尺寸不均勻且比較粗大，柱狀晶較多，β相呈帶狀分布，晶粒因受到擠壓而沿不同方向有拉長的趨勢，并出現(xiàn)滑移帶[11]，這是由于磷銅棒在螺旋槽滾動下在直徑方向被壓縮，長度方向被拉長，在軋制力作用下晶粒產生了不規(guī)則變形，并在應力最大處形成了滑移帶。黑色組織為含磷量較高的α相，α相分布不均勻，說明磷分布不均勻。

圖2 軋制工藝生產磷銅球的顯微組織

由圖3可知：鐓制工藝生產的磷銅球晶界清晰，晶粒主要為等軸晶，相比于軋制工藝組織中柱狀晶較少，晶粒密集分布，晶界清晰；黑色含磷量較高的α相分布均勻，說明磷元素分布均勻；β相與α相相間分布[12]，這說明在鐓制過程中材料的流向呈規(guī)律性變化，即先向兩半球模具方向流動，再向兩極(球體的末端)流動?？梢婄呏乒に嚿a的磷銅球的成形質量較好。

圖3 鐓制工藝生產磷銅球的顯微組織

2.3 生產結束時的表面溫度

由圖4可以看出，采用鐓制工藝生產結束時遠離與接近出口槽處磷銅球的表面最高溫度較低，約為41 ℃，接近室溫，而在軋制工藝下遠離與接近出口槽處表面最高溫度高于60 ℃，這與2種工藝的冷卻方式有關。軋制工藝的冷卻方式為渦流式乳化液冷卻，鐓制工藝的冷卻方式為液壓方式下的水霧化冷卻，水霧化冷卻方式增大了冷卻接觸面積，冷卻速率更快。磷銅球較低的表面溫度可有效避免表面發(fā)生氧化，可知鐓制工藝更適合磷銅球的生產。

圖4 鐓制與軋制工藝生產磷銅球結束時不同位置的表面溫度

2.4 硬 度

由圖5可以看出:在相同工藝下，磷銅球表面硬度比心部硬度高，說明在變形過程中心部的加工硬化程度較低;在軋制工藝下表面的硬度波動較大，說明軋制過程中磷銅球中成分的不均勻程度較高。鐓制工藝生產磷銅球的心部硬度明顯比軋制工藝生產的磷銅球高，這與鐓制工藝使磷銅球組織細化且元素分布較均勻有關。在鐓制過程中磷銅球內部組織因壓實致密而得到強化，因此整體硬度較高。

圖5 不同工藝生產磷銅球的表面硬度和心部硬度

2.5 鐓制和軋制工藝的對比

若磷銅球中加入磷的含量過低，則在電鍍過程中其表面產生的磷銅膜太薄,電鍍后的產品表面粗糙,若磷含量過高，則會導致磷銅膜太厚，減弱電鍍效果。所生產的磷銅球嚴格按照表1所示的元素成分進行配制，可生產出具有較好的物理性能、力學性能及工藝性能的磷銅球。在軋制過程中不能及時冷卻，則會造成磷銅球表面過熱而氧化變色，影響尺寸精度，且表面較粗糙，后續(xù)需要對磷銅球清洗；同時對于軋制過程中產生的乳化液、加工油等雜質，需要用雙氧水和硫酸來處理，增大了工作量，且對環(huán)境有污染。鐓制工藝可以很好地控制加工過程中的溫度，采用該工藝制備的磷銅球表面更加光滑。對于同一種原材料，與軋制工藝相比，鐓制工藝生產的磷銅球組織更細小，成分分布更均勻，硬度更高，這與不同工藝下，原材料受到的力作用方向、大小及作用效果有關。在軋制工藝下，磷銅棒受到來自螺旋槽的滾子軸揉搓滾壓及軋制輥的二向壓應力/一向拉應力；而在鐓制工藝下，磷銅棒受到滑動板上的動模機構處的半圓形腔及靜模機構的半圓形腔的合模以及切斷推送機構一起構成的三向壓應力[10,13-14]。軋制工藝生產磷銅球表面半球附近存在明顯的環(huán)帶，且存在兩極。球坯成形是過程性的，在球坯材料接近模具底部時，變形抗力的徑向分力變小，導致材料很難自由向兩端流動，但是整體變形抗力仍然在不斷增大，使得材料只能向模具接觸的方向流動，以致形成環(huán)帶；磷銅球在形成環(huán)帶后，模具合模處的變形抗力繼續(xù)變大且超出兩端處的變形抗力，在軸向分力的作用下，兩端中心處的材料受擠壓向兩極流動[6，15]。與軋制工藝相比，鐓制工藝在強烈的三向壓應力作用下，制備得到磷銅球組織中晶界更明顯，晶粒細化，晶粒分布更緊密，晶粒主要為等軸晶，柱狀晶數(shù)量明顯減少，鐓制力對晶粒拉長的程度較小。

3 結 論

(1)與軋制工藝相比，鐓制工藝生產的磷銅球表面更光滑，晶粒明顯細化，晶界清晰，元素分布均勻，晶粒分布緊密，晶粒主要為等軸晶，柱狀晶數(shù)量明顯減少。

(2)采用鐓制工藝成形后，接近與遠離出口槽處磷銅球的表面最高溫度均低于軋制工藝；鐓制工藝生產磷銅球的心部硬度明顯比軋制工藝生產的磷銅球高，且表面的硬度波動較小。相比軋制工藝，采用鐓制工藝生產的磷銅球具有質量好、環(huán)保、耗能低等技術優(yōu)勢。