趙天勝,陳 賓,賀玲慧

(中色奧博特銅鋁業(yè)有限公司，山東 臨清 252600)

1 前 言

隨著航空航天、計(jì)算機(jī)與通信、汽車電子和和高端電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的快速發(fā)展，銅箔作為電子互聯(lián)的基礎(chǔ)材料，需求量也在日益增加。相比電解銅箔，壓延銅箔因其高延展、高撓曲性及超低輪廓而廣泛應(yīng)用于撓性覆銅板(flexible copper clad laminate,FCCL)、印制電路板(printed circuit board,PCB)及鋰電池行業(yè)[1-3]。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高，用戶對(duì)壓延銅箔的表面質(zhì)量和板形要求日益嚴(yán)格，銅箔板形(即平直度)的好壞已經(jīng)成為評(píng)價(jià)銅箔質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，不良板形會(huì)造成銅箔與基板的結(jié)合不良，導(dǎo)致開裂、褶皺等問題。板形控制是銅箔軋制的核心技術(shù)，國內(nèi)壓延銅箔板形控制研究仍處于開發(fā)試制階段，板形控制能力較差，客戶投訴板形問題較多，主要問題是嚴(yán)重的1/4浪以及寬幅板形起伏較大。本文從銅箔板形缺陷產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合X型軋機(jī)的調(diào)控手段，針對(duì)不同類型的板形缺陷提出改善措施。

2 銅箔板形缺陷產(chǎn)生的原因

板形是指板帶材的平直度，即板帶材是否產(chǎn)生波形、翹曲、側(cè)彎，板形的好壞取決于板帶沿寬度方向各部分的延伸是否相等。波形是指板帶材縱向呈起伏的波浪，有雙邊波浪、單邊波浪、中間波浪等。影響銅箔板形的因素有內(nèi)因和外因兩個(gè)方面，內(nèi)因是指金屬本身的物理性能，直接影響了軋制壓力的大小；外因是指摩擦條件、軋輥直徑、輥形、張力、軋制速度、彎輥力、軋制工藝、磨損、銅箔母材的來料公差與板形等，這些都會(huì)影響銅箔最終板形[4,5]。實(shí)際的板形控制非常復(fù)雜，需要根據(jù)來料的規(guī)格選擇合適的軋制工藝，根據(jù)帶材的實(shí)際情況預(yù)設(shè)軋制力、彎輥力及張力。

銅箔越薄，板形越難以控制。板形控制的實(shí)質(zhì)是軋件內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布，當(dāng)不均勻變形時(shí)，軋件內(nèi)的殘余應(yīng)力也呈不均勻分布，當(dāng)附加的應(yīng)力超過一定臨界值時(shí)，就會(huì)形成不同形式的彎曲，形成諸如雙邊波浪、單邊波浪、中間波浪、二肋浪等板形缺陷。在實(shí)際生產(chǎn)中由于變形的復(fù)雜性，要想從原來就有厚差的母材坯料獲得優(yōu)良銅箔板形，同時(shí)保證橫向厚差是不可能實(shí)現(xiàn)的，或多或少都存在一定的不平度。

銅箔軋制時(shí)軋輥橫向壓下一致是保持板帶平整的必要條件。壓下橫向不一致的結(jié)果是：微觀地、微小地產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，宏觀地、嚴(yán)重地產(chǎn)生板形不平整。假設(shè)一段帶材由許多細(xì)長條并排連接而成，帶材的軋制變薄即意味著細(xì)長條被拉長。當(dāng)帶材沿寬度方向各部分的延伸不一致時(shí)，即意味著細(xì)長條的拉長程度是不一致的。由于細(xì)長條之間彼此是相互連接的，因此延伸較長的細(xì)長條會(huì)受到壓應(yīng)力，而延伸較短的細(xì)長條會(huì)受到拉應(yīng)力，這些應(yīng)力構(gòu)成了整個(gè)帶材寬度上的內(nèi)應(yīng)力分布。當(dāng)細(xì)長條所受的應(yīng)力達(dá)到一定的程度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，這些變形就構(gòu)成了整個(gè)帶材寬度上的“波浪”缺陷。

3 銅箔軋制的特點(diǎn)

銅箔與板帶的區(qū)分主要是厚度，國內(nèi)是以0.05 mm區(qū)分，美、日等國以0.1 mm區(qū)分。由于銅箔很薄，所以對(duì)厚度的不均勻非常敏感，一般來說，在 0.035 mm以下厚度軋制時(shí)使用負(fù)輥縫為主體的AGC控制方式。在負(fù)輥縫狀態(tài)下，軋輥的變形已是一個(gè)非圓輪廓，壓下量與軋制壓力的大小已無絕對(duì)關(guān)系，軋制過程已完全由張力和軋制速度的大小來控制。不能通過軋制力的改變?nèi)パa(bǔ)償這個(gè)變形，故需采用速度和張力來減薄箔材的厚度。根據(jù)最小軋制厚度公式[6]：

Hmin=3.58DμK/E

(1)

式中，Hmin為最小可軋厚度；D為工作輥輥徑；μ為銅箔與軋輥間的摩擦系數(shù)；K為金屬平面變形抗力；E為彈性模量。

為了軋制出更薄的板帶材，必須減小工作輥輥徑，并采用高效的工藝潤滑劑，減小金屬的變形抗力，增加軋輥的彈性模量，有效地減小軋輥的彈性壓扁。

4 銅箔實(shí)際板形案例分析

目前國內(nèi)4家壓延銅箔廠家，3家使用的箔軋機(jī)均為日本IHI六輥X型軋機(jī)，1家采用米諾六輥UC軋機(jī)。與傳統(tǒng)軋機(jī)相比，X型軋機(jī)采用雙支撐輥支撐，軋制過程中軋輥不易變形，因此板形控制的穩(wěn)定性好。X軋機(jī)的板形測(cè)量方式為16個(gè)轉(zhuǎn)子分段測(cè)量，板形測(cè)量更精確，控制模式有輥縫控制、速度AGC、張力AGC，軋制過程更穩(wěn)定。X型軋機(jī)基于設(shè)備本身的設(shè)計(jì)，板形的控制最突出特點(diǎn)為分段冷卻與分段加熱控制。下面以X型軋機(jī)實(shí)際軋制過程中出現(xiàn)的銅箔板形問題為例，探討具體板形問題的解決方法。

4.1 雙肋浪

肋浪是銅箔軋制過程中最難解決的板形問題，其形成原因比較復(fù)雜，為了消除肋浪，需協(xié)調(diào)控制軋制道次、道次加工率、前后張力等工藝參數(shù)。

4.1.1 軋制道次對(duì)雙肋浪的影響

針對(duì)X型軋機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的雙肋波浪情況，根據(jù)實(shí)際情況通過調(diào)整軋制道次、張力以及支撐輥輥型，取得了良好的板形。以寬度為630 mm、厚度為18 μm的銅箔軋制為例(母材厚度為0.15 mm)，對(duì)比了不同軋制工藝對(duì)板形的影響，軋制工藝參數(shù)如表1所示。

3種軋制工藝的總加工率相同，分別采取4道次、5道次、6道次軋制，保持成品的加工率、張力等參數(shù)設(shè)置一致，觀察軋制道次對(duì)雙肋浪的影響。圖1為采用不同軋制工藝軋制后的板形情況，可以看出，4道次軋制后(方案A)銅箔表面有微小的肋浪；當(dāng)軋制道次為5道次時(shí)(方案B)，銅箔表面肋浪數(shù)目增加；當(dāng)軋制道次為6道次時(shí)(方案C)，銅箔表面的肋浪更加明顯且寬大。由此可見，軋制道次越少，銅箔的板形越好，原因主要為首道次及第二道次的加工率大，產(chǎn)生的變形熱多，有利于殘余應(yīng)力的釋放，減小了變形抗力，有利于板形調(diào)節(jié)。實(shí)踐表明，銅箔軋制時(shí)，變形抗力越大，銅箔的厚度公差越難以控制，為了保證出口厚度公差，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增大軋制力，會(huì)出現(xiàn)厚度公差為負(fù)公差，此時(shí)系統(tǒng)又會(huì)減小軋制力，既而可能導(dǎo)致厚度公差為正公差，如此循環(huán)往復(fù)，導(dǎo)致出口銅箔板形隨著軋制力的波動(dòng)發(fā)生變化，不利于保持板形穩(wěn)定性。

表1 18 μm厚銅箔的不同軋制方案及其工藝參數(shù)Table 1 Rolling programs and its process parameters for rolled copper foil with thickness of 18 μm

圖1 采用不同總軋制道次軋制后的板形情況：(a)4道次，(b)5道次,(c)6道次Fig.1 Plate shapes under different total rolling passes:(a)4 rolling passes，(b)5 rolling passes and (c)6 rolling passes

4.1.2 張力對(duì)雙肋浪的影響

使用4.1.1節(jié)第一套軋制工藝，改變張力(具體方案列于表2)，探討張力對(duì)板形的影響。實(shí)際板形對(duì)比發(fā)現(xiàn)，張力大且入口張力等于出口張力時(shí)板形最好，如圖2所示，其中紅色圓圈標(biāo)記處為產(chǎn)生浪形。在箔軋機(jī)上是以改變?nèi)肟趶埩磉M(jìn)行厚度控制。如圖2d所示，當(dāng)來料厚度H有一個(gè)正偏差ΔH時(shí)，軋后帶材厚度h將產(chǎn)生正偏差Δh。在輥縫不變的情況下，通過加大入口張力，使塑性曲線的斜率減小，由 “曲線B(小張力)”變?yōu)椤扒€B(大張力)”，曲線A與“曲線B(大張力)”交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為h，從而消除厚度偏差Δh使軋后帶材的厚度h保持不變。對(duì)比圖2板形可看出，張力對(duì)板形影響是明顯的，隨著前張力的增加，板凸度呈下降趨勢(shì)，即板形趨于良好；當(dāng)前張力不變，后張力增加時(shí)，板形改善更加明顯?？梢姛o論增大前張力還是后張力對(duì)板形改善都是有益的，這是因?yàn)閺埩υ黾訒?huì)使軋輥撓度變小，板凸度也隨之變小。另外張力的增加可減小金屬的變形抗力，有利于金屬流動(dòng)，使箔材沿著板形改善的方向發(fā)展，這種現(xiàn)象也被稱之為前張力對(duì)板形的均化作用。而前張力與后張力相等時(shí)板形最好，是因?yàn)闊o論前張力大于后張力還是后張力大于前張力，軋輥都會(huì)因箔材前后張力不同的作用產(chǎn)生向前或向后的變形，而軋輥凸度的變化即會(huì)引起板凸度的不良變化，導(dǎo)致板形變差。

表2 張力控制方案Table 2 Tension control plan

圖2 不同張力下軋制后板形：(a)方案1，(b)方案2，(c)方案3。張力調(diào)節(jié)P-H圖(d)Fig.2 Plate shapes after rolling with different tensions:(a)No.1 program,(b)No.2 program,(c)No.3 program.P-H diagram for tension regulation (d)

4.1.3 支撐輥輥型對(duì)雙肋浪的影響

為更好地解決雙肋浪問題，我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中采取了二級(jí)輥型方式，通過模擬米諾六輥UC軋機(jī)的中間輥錐輥抽輥調(diào)節(jié)方式,有效地解決了肋浪問題。

4.2 雙邊波浪和中間波浪

生產(chǎn)初期支撐輥凸度為微凸，總凸度值0.1 mm，軋制過程中出現(xiàn)嚴(yán)重雙邊浪，邊部壓折嚴(yán)重，如圖3a所示；增大總凸度至0.3 mm時(shí)，板形趨于良好，如圖3b所示；繼續(xù)增大支撐輥總凸度至0.4 mm，銅箔出現(xiàn)了嚴(yán)重的中間浪，如圖3c所示。分析主要原因?yàn)?支撐輥凸度過小，推上缸沽塞作用于支撐輥兩端，當(dāng)軋制力增大時(shí)，軋輥兩端變形程度大于中間的變形程度，導(dǎo)致箔材邊部的受力大，中部受力小，最終使得箔材邊部延伸較心部延伸大，產(chǎn)生不均勻變形，形成“雙邊浪”。調(diào)整支撐輥總凸度為0.3 mm后，雙邊浪消失，板形趨于良好，主要是因?yàn)樵龃笸苟群螅a(bǔ)償了軋輥兩端的變形，使得箔材橫向受力更加均勻，進(jìn)而獲得良好的板形。然而，當(dāng)繼續(xù)增大支撐輥凸度時(shí)，軋制過程中，軋輥兩端變形程度不足以補(bǔ)償凸度值，造成箔材中間受力較邊部受力大，使得其變形不均勻，最終形成中間浪。由此可見，支撐輥總凸度值大小是控制銅箔板形的重要參數(shù)，合理控制軋制過程中的總凸度值有利于銅箔板形的改善。

圖3 不同支撐輥凸度值下板形情況：(a)0.1 mm，(b)0.3 mm，(c)0.4 mmFig.3 Plate shape under different crown value of back-up roll:(a)0.1 mm,(b)0.3 mm，(c)0.4 mm

4.3 單邊浪

圖4是典型的單邊浪板形照片。出現(xiàn)單邊浪的主要原因有以下幾個(gè)：一是銅箔母材存在較嚴(yán)重單邊浪，經(jīng)正常軋制后無法完全消除；二是軋件對(duì)中存在偏差，板形調(diào)整時(shí)出現(xiàn)一邊壓力過大；三是軋輥偏心或是錐度過大。消除單邊浪可通過調(diào)整偏調(diào)、保證軋件對(duì)中與軋輥精度改善。

5 結(jié) 論

(1)減少加工道次、磨削二級(jí)支撐輥輥型以及設(shè)置張力參數(shù)為出口張力等于入口張力，可以有效改善18 μm厚銅箔板形；

圖4 單邊浪板形Fig.4 Plate shape of single waves

(2)支撐輥總凸度值為0.3 mm時(shí)，可以有效消除雙邊浪及中間浪；

(3)良好的母材板形、保證軋輥磨削精度可以獲得良好的銅箔板形。