銅箔分切過程中產(chǎn)生表面缺陷原因分析與改善

阮躍進(jìn)

(銅陵市華創(chuàng)新材料有限公司,安徽 銅陵 244000)

電解銅箔是印制線路板和鋰電池負(fù)極集流體的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。隨著集成電路向高密度、多層化、薄型化,以及動(dòng)力電池向高能量密度、大儲(chǔ)量、輕量化等方向的快速發(fā)展,除了對(duì)銅箔內(nèi)在技術(shù)性能如抗拉強(qiáng)度、延伸率、抗氧化性等提出較高要求外,還對(duì)外觀品質(zhì)也提出了諸多的苛刻要求。尤其是在分切銅箔時(shí)不得有壓坑、銅粉、劃線、皺折等表面缺陷存在[1],因?yàn)槠渲苯雨P(guān)乎到下游客戶產(chǎn)品的最終制造質(zhì)量和性能。例如在制作印制電路板、動(dòng)力電池等產(chǎn)品過程中會(huì)出現(xiàn)電路被擊穿或短路,載流量和儲(chǔ)能不夠等風(fēng)險(xiǎn)很高,嚴(yán)重影響產(chǎn)品的工作可靠性和安全性。

1 銅箔表面缺陷問題描述

電解銅箔生產(chǎn)主要分為溶銅制液、生箔制造、表面處理和分切四個(gè)工序。分切工序是銅箔制造的最后一道工序,就是將生箔制造出合格的銅箔原料卷放到分切機(jī)上,按照用戶要求的幅寬和卷長(zhǎng)進(jìn)行分切,再檢驗(yàn)、包裝、入庫等工序才能出廠。分切工序看似簡(jiǎn)單,實(shí)則要求十分苛刻,它關(guān)系到經(jīng)前面幾道工序生產(chǎn)出來的銅箔,最終能否達(dá)到客戶品質(zhì)要求,否則,將前功盡棄。分切過程中稍不注意,很容易造成銅箔表面產(chǎn)生壓坑、銅粉、劃線、皺折等外觀缺陷而降級(jí)或報(bào)廢。這一過程涉及到“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”等各個(gè)因素,需要對(duì)這些因素逐個(gè)進(jìn)行質(zhì)量防控和精細(xì)化管理。以上除環(huán)境因素外,最關(guān)鍵的是設(shè)備,而設(shè)備主要是分切機(jī)。目前國(guó)內(nèi)研制生產(chǎn)銅箔分切機(jī)起步較晚,技術(shù)還不成熟,且制造廠家較少,基本上都是在原鋁箔分切機(jī)和薄膜分切機(jī)基礎(chǔ)上稍微改一下,存在許多不足之處,功能性配套不齊全,針對(duì)性和適宜性不強(qiáng)。例如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理且復(fù)雜,輸送輥系較多,戰(zhàn)線較長(zhǎng),張力控制和設(shè)備制造精度不高,無吸塵裝置或吸塵效果不佳等等,在使用過程中,最容易造成上述銅箔外觀品質(zhì)缺陷問題,難以滿足高精度超薄銅箔生產(chǎn)要求。

2 銅箔表面缺陷原因分析

2.1 銅箔分切機(jī)結(jié)構(gòu)型式和工作原理

銅箔分切機(jī)主要由放卷機(jī)構(gòu)、機(jī)架、分刀機(jī)構(gòu)、輸送輥系、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、收卷機(jī)構(gòu)、邊料卷取機(jī)構(gòu)和張力控制系統(tǒng)等組成,如圖1所示。其工作原理是,先將生箔出來的銅箔原料卷吊運(yùn)至分切機(jī)放卷機(jī)構(gòu)上,從放卷機(jī)構(gòu)放出的銅箔,經(jīng)過若干根輸送導(dǎo)輥進(jìn)入分切機(jī)構(gòu)進(jìn)行銅箔幅寬分切,銅箔分切成若干段后,分別經(jīng)過上、下兩路導(dǎo)輥和收卷機(jī)構(gòu)收卷成若干符合規(guī)格要求的成品卷。同時(shí)將銅箔寬度方向兩端多余部分切除,通過邊料卷取機(jī)構(gòu)收卷成廢料卷回用。

2.2 銅箔表面缺陷原因分析

根據(jù)多年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),除了由前道工序造成的銅箔基材自身缺陷外,銅箔在分切過程中易產(chǎn)生壓坑、銅粉、劃線、皺折等表面缺陷的原因主要是由分切車間環(huán)境和分切設(shè)備缺陷兩個(gè)方面因素影響導(dǎo)致的。

2.2.1 分切車間環(huán)境因素

經(jīng)過生箔、表面處理等工序生產(chǎn)出來的高精度電解銅箔要求外觀無任何污染物、霉變及機(jī)械損傷等質(zhì)量缺陷。因此,分切工序是作為整個(gè)銅箔生產(chǎn)過程中最后一道工序,也是關(guān)鍵工序。按客戶的幅寬規(guī)格要求將原箔分切成若干個(gè)合格的成品小卷,除切去邊部廢料外,原則上不應(yīng)該產(chǎn)生任何工藝廢品。所以,分切車間相比生箔、表面處理等其它生產(chǎn)車間有更加嚴(yán)格苛刻的環(huán)境要求。生箔、表面處理車間環(huán)境的潔凈度等級(jí)要求為100 000級(jí),分切車間環(huán)境的潔凈度等級(jí)要求不低于10 000級(jí)[2]。而目前分切車間環(huán)境的潔凈度等級(jí)不到10萬級(jí),潔凈度等級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高精度超薄銅箔生產(chǎn)要求,若車間粉塵、顆粒物等超標(biāo),一旦飄落到分切機(jī)或銅箔表面上會(huì)夾帶進(jìn)入銅箔卷內(nèi)產(chǎn)生箔面壓坑。

2.2.2 分切設(shè)備缺陷因素

銅箔生產(chǎn)最關(guān)鍵的分切設(shè)備是分切機(jī),其性能好壞直接影響到所分切銅箔成品卷的最終質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)研制生產(chǎn)銅箔分切機(jī)起步較晚,技術(shù)不成熟,且制造廠家較少,基本上都是在原鋁箔分切機(jī)和薄膜分切機(jī)基礎(chǔ)上稍微改一下,存在許多不足之處,如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、制造精度、張力控制精度、功能性配套不齊全,針對(duì)性和適宜性均不強(qiáng)等,這些設(shè)備缺陷是產(chǎn)生各種銅箔表面缺陷的主要原因。

(1)分切機(jī)無防塵設(shè)施。分切車間行車在運(yùn)行過程中易產(chǎn)生油污、鐵屑等污染物,若沒有防塵設(shè)施,這些污染物就會(huì)掉落在分切機(jī)上,導(dǎo)致分切機(jī)機(jī)身衛(wèi)生狀況差,使得各輸送輥表面有粉塵等顆粒物存在,分切機(jī)運(yùn)行時(shí),這些顆粒物與銅箔接觸,會(huì)將銅箔表面劃傷或壓傷,從而產(chǎn)生壓坑或劃線等缺陷。

(2)導(dǎo)輥設(shè)計(jì)不合理。導(dǎo)輥?zhàn)鳛樯瓩C(jī)的關(guān)鍵零件,起到輸送銅箔作用。其制造質(zhì)量關(guān)系到生箔機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和銅箔外觀品質(zhì),特別是生產(chǎn)超薄銅箔的制造精度要求更高。若各輸送輥表面有機(jī)械損傷或者輥面加工精度不夠,表面粗糙,有刀痕印及使用磨損等,與銅箔接觸時(shí),也會(huì)將銅箔表面被劃傷,產(chǎn)生箔面劃線。設(shè)備廠家為了降低分切機(jī)制造成本,將大多數(shù)導(dǎo)輥設(shè)計(jì)成無驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)輥,其轉(zhuǎn)動(dòng)完全依靠銅箔與輥面摩擦力來牽引,要克服輸送輥轉(zhuǎn)動(dòng)阻力,與銅箔運(yùn)行速度不能完全同步,尤其在加、減速運(yùn)行時(shí),被動(dòng)導(dǎo)輥在慣性作用下,產(chǎn)生失速現(xiàn)象,不受控制,相對(duì)滑動(dòng)更加明顯,這時(shí)銅箔表面更容易被磨傷,產(chǎn)生劃線。

(3)切刀裝置設(shè)計(jì)不合理。切刀裝置是分切機(jī)核心部分,直接決定銅箔分切的質(zhì)量,同時(shí)也代表銅箔分切機(jī)的技術(shù)水平。采用的剃頭刀片,刀頭容易磨損,雖然也有的采用圓盤刀,但切刀裝置定位精度差,圓刀跳動(dòng)大,且分切速度設(shè)置不合理等問題,分切時(shí),容易產(chǎn)生大量銅粉、毛刺或銅絲屑等缺陷,這些銅粉等若粘在輥?zhàn)颖砻嬉惨桩a(chǎn)生銅箔劃線、壓坑等缺陷。

(4)銅粉處理裝置配套不全。銅粉是銅箔生產(chǎn)中的常見問題,也是銅箔生產(chǎn)痛點(diǎn)難點(diǎn)問題。下游客戶對(duì)分切過程中銅粉控制要求非常嚴(yán)格,堅(jiān)決不允許有銅粉存在;一旦產(chǎn)生銅粉未及時(shí)得到有效清除,其危害極大。若粘附在銅箔上,被應(yīng)用到下道工序的產(chǎn)品上,會(huì)造成客戶產(chǎn)品出現(xiàn)短路等安全隱患或者性能不可靠等不良現(xiàn)象;若粘附在導(dǎo)輥面上會(huì)造成銅箔產(chǎn)生壓坑或者劃線等缺陷。

(5)壓平輥不平或速度不匹配。分切卷取中收卷壓平輥是隨著卷徑的增大始終與卷材壓緊的,以保證收卷輥上的銅箔板型和卷端面質(zhì)量。若壓平輥壓不平,貼合不嚴(yán),其兩端對(duì)銅箔壓力不均,壓力大的一端會(huì)把銅箔趕向壓力小的一端,趕料的同時(shí)會(huì)形成皺紋,在壓平輥壓力作用下則會(huì)產(chǎn)生皺折。若壓平輥與收卷輥速度不匹配,有卡頓,壓平輥與銅箔之間會(huì)產(chǎn)生摩擦力,在摩擦力作用下也會(huì)產(chǎn)生皺折。

(6)張力控制精度不高。傳統(tǒng)分切機(jī)張力控制系統(tǒng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)磁粉離合器方式較多,該分切機(jī)張力控制精度不高,張力波動(dòng)幅度大,運(yùn)行不平穩(wěn),銅箔與輸送輥之間產(chǎn)生一松一緊頓挫現(xiàn)象,也造成銅箔表面產(chǎn)生劃線,甚至皺折。在分切過程中,張力設(shè)置過大,銅箔卷收卷時(shí)橫向受力分配不均勻,銅箔卷平整度較差,另外隨著卷徑增大或重量變重,卷內(nèi)底部的銅箔易被壓傷等,極易產(chǎn)生皺折。若張力設(shè)置太小,銅箔卷收卷時(shí)容易發(fā)生跑偏、銅箔卷松動(dòng)等缺陷。

3 改善方案

通過上述對(duì)銅箔在分切過程中易產(chǎn)生表面缺陷的問題原因分析,采取以下相應(yīng)地改善措施。

3.1 針對(duì)車間環(huán)境方面

為了滿足電解銅箔的生產(chǎn)對(duì)潔凈度的需求,我們重新對(duì)分切車間的凈化等級(jí)、溫度、濕度等要求,分別從空調(diào)的送風(fēng)形式、空調(diào)箱機(jī)組的配置、自控系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等方面進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)改造,凈化等級(jí)由原來的不到10萬級(jí)提高到1萬級(jí),換氣次數(shù)由原15次提高到20次以上,并保證壓差≥5Pa。新風(fēng)通過多級(jí)過濾,最后通過高效過濾器除塵后送入車間,新風(fēng)在送入車間之前,也會(huì)經(jīng)過自控系統(tǒng),進(jìn)行降濕、調(diào)溫,確保車間溫濕度可控。車間空氣經(jīng)過回風(fēng)系統(tǒng),重新降濕,調(diào)溫,過濾,再進(jìn)入車間。除物料、工具等進(jìn)入車間之前,必須經(jīng)過風(fēng)淋門除塵;人員穿戴凈化服、口罩通過風(fēng)淋門除塵才能進(jìn)入車間,車間墻面、地面都采用彩鋼板、自流地坪漆、PVC地板等凈化物料及工藝建造[3]。為保險(xiǎn)起見,防止車間行車作業(yè)過程中因振動(dòng)產(chǎn)生粉塵、油污、鐵屑等污染物飄落到分切機(jī)或銅箔上,給每臺(tái)分切機(jī)加裝防塵罩等,從而有效避免因此造成銅箔表面產(chǎn)生壓坑缺陷。

3.2 針對(duì)分切設(shè)備方面

(1)加強(qiáng)分切機(jī)日常衛(wèi)生工作,在進(jìn)行分切工藝前,清潔分切機(jī)機(jī)身和各導(dǎo)輥、過輥等,做到清潔無粉塵、顆粒物等異物。

(2)加強(qiáng)分切機(jī)日常檢查保養(yǎng)工作,檢查與銅箔接觸的各輸送輥表面有無磕碰等機(jī)械損傷或者輥面加工精度不夠,表面粗糙,有刀痕印及使用磨損等,若有,需要及時(shí)采取手工打磨、返廠修磨處理或更換新輥,以確保輥面平整光潔。

(3)針對(duì)分切機(jī)大部分輸送輥為被動(dòng)輥,易產(chǎn)生劃線問題,要加強(qiáng)分切機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同步聯(lián)動(dòng)改造,將所有輸送輥加裝同步輪,用同步帶聯(lián)接起來,保證各輸送輥能同步運(yùn)轉(zhuǎn),與銅箔之間無相對(duì)滑動(dòng)[4]。

(4)針對(duì)分切過程產(chǎn)生大量銅粉,易造成銅箔表面大面積劃線等缺陷問題。具體去除措施有,一是對(duì)分切機(jī)構(gòu)優(yōu)化改造,將以前的剃刀改成雙刃圓盤刀,以保證圓刀鋒利,并提高刀座定位精度,減小圓刀跳動(dòng),根據(jù)分切機(jī)運(yùn)行速度來合理調(diào)整圓刀轉(zhuǎn)速等措施,來減少圓刀造成銅粉的產(chǎn)生;二是在分切過程中萬一刀具發(fā)生磨損時(shí)產(chǎn)生銅粉,為便于銅粉收集,增加除靜電裝置、輥面銅粉自動(dòng)清潔裝置加大功率吸塵收集裝置,保證殘留在輥面的銅粉能被及時(shí)去除收集[5];三是為確保箔面100%無銅粉等異物殘留,在收卷前再加裝粘塵裝置等[6]。

(5)為解決分切過程中銅箔卷底易起折問題,盡量選用直徑大紙管或FRP管,來增大銅箔卷取包角,減少銅箔撓曲度。

(6)改進(jìn)壓平輥,提高壓平輥與銅箔卷材之間貼合度和平行度,并保證銅箔卷寬度上各點(diǎn)的壓力均衡穩(wěn)定,轉(zhuǎn)動(dòng)速度一致,表面狀態(tài)平穩(wěn)。具體措施有,一是提高壓平輥安裝精度和加工精度,如壓平輥與收卷輥之間水平度、平行度和輥面圓度、直線度和粗糙度等;二是壓平輥兩端采用調(diào)心軸承,減少轉(zhuǎn)動(dòng)阻力;三是根據(jù)分切銅箔卷寬度選擇合適的壓平輥重量也至關(guān)重要,以提高收卷壓輥與銅箔卷貼合度及壓緊力,避免壓得太輕或太重,造成銅箔起折。通過上述改進(jìn)保證了壓平輥與銅箔卷始終處于良好的壓緊狀態(tài),有效解決卷取時(shí)產(chǎn)生皺折問題。

(7)優(yōu)化張力自動(dòng)控制系統(tǒng),采用PID閉環(huán)控制,提升張力控制精度至±3N,以實(shí)現(xiàn)對(duì)分切機(jī)的閉環(huán)張力控制及放卷、牽引、收卷電機(jī)的同步運(yùn)動(dòng)控制,從而達(dá)到箔面寬度方向張力均勻一致,避免銅箔因張力波動(dòng)而導(dǎo)致銅箔起折問題[7]。在分切過程中,根據(jù)不同規(guī)格銅箔卷徑大小,要合理設(shè)置張力,避免張力設(shè)置過大,銅箔卷收卷時(shí)橫向受力分配不均勻,銅箔卷平整度較差,極易產(chǎn)生皺折。若張力設(shè)置太小,銅箔卷收卷時(shí)容易發(fā)生跑邊、銅箔卷松動(dòng)。為此,對(duì)張力控制程序做特別設(shè)計(jì),隨著銅箔卷直徑的增大,逐步減小收卷張力,以防止銅箔卷徑過大過重壓傷卷底銅箔,造成銅箔起折。

4 結(jié)束語

通過對(duì)銅箔表面缺陷原因分析,發(fā)現(xiàn)箔面壓坑、銅粉、劃線和皺折等缺陷是分切工序最易產(chǎn)生的,也是銅箔生產(chǎn)中客戶投訴、抱怨及批退方面占比最多的銅箔質(zhì)量問題。此缺陷主要是由分切車間環(huán)境差,其潔凈度等級(jí)低和分切機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,功能性配置不齊全及其制造精度不高等方面引起,無法滿足高精度超薄銅箔生產(chǎn)要求。為此,我們采取以上系列改善措施,經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用,產(chǎn)生良好效果,各種表面缺陷得到有效遏制,客戶投訴率得到大幅降低,銅箔外觀質(zhì)量重新獲得客戶認(rèn)可,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。