压延铜箔板形控制实用技术研究

2019-07-20赵天胜贺玲慧

中国材料进展 2019年5期

赵天胜,陈宾,贺玲慧

(中色奥博特铜铝业有限公司，山东临清 252600)

1 前言

随着航空航天、计算机与通信、汽车电子和和高端电子产品等领域的快速发展，铜箔作为电子互联的基础材料，需求量也在日益增加。相比电解铜箔，压延铜箔因其高延展、高挠曲性及超低轮廓而广泛应用于挠性覆铜板(flexible copper clad laminate,FCCL)、印制电路板(printed circuit board,PCB)及锂电池行业[1-3]。随着生产技术的不断进步以及对产品质量要求越来越高，用户对压延铜箔的表面质量和板形要求日益严格，铜箔板形(即平直度)的好坏已经成为评价铜箔质量的一项重要指标，不良板形会造成铜箔与基板的结合不良，导致开裂、褶皱等问题。板形控制是铜箔轧制的核心技术，国内压延铜箔板形控制研究仍处于开发试制阶段，板形控制能力较差，客户投诉板形问题较多，主要问题是严重的1/4浪以及宽幅板形起伏较大。本文从铜箔板形缺陷产生的原因和特点进行分析，结合X型轧机的调控手段，针对不同类型的板形缺陷提出改善措施。

2 铜箔板形缺陷产生的原因

板形是指板带材的平直度，即板带材是否产生波形、翘曲、侧弯，板形的好坏取决于板带沿宽度方向各部分的延伸是否相等。波形是指板带材纵向呈起伏的波浪，有双边波浪、单边波浪、中间波浪等。影响铜箔板形的因素有内因和外因两个方面，内因是指金属本身的物理性能，直接影响了轧制压力的大小；外因是指摩擦条件、轧辊直径、辊形、张力、轧制速度、弯辊力、轧制工艺、磨损、铜箔母材的来料公差与板形等，这些都会影响铜箔最终板形[4,5]。实际的板形控制非常复杂，需要根据来料的规格选择合适的轧制工艺，根据带材的实际情况预设轧制力、弯辊力及张力。

铜箔越薄，板形越难以控制。板形控制的实质是轧件内部的残余应力分布，当不均匀变形时，轧件内的残余应力也呈不均匀分布，当附加的应力超过一定临界值时，就会形成不同形式的弯曲，形成诸如双边波浪、单边波浪、中间波浪、二肋浪等板形缺陷。在实际生产中由于变形的复杂性，要想从原来就有厚差的母材坯料获得优良铜箔板形，同时保证横向厚差是不可能实现的，或多或少都存在一定的不平度。

铜箔轧制时轧辊横向压下一致是保持板带平整的必要条件。压下横向不一致的结果是：微观地、微小地产生内应力，宏观地、严重地产生板形不平整。假设一段带材由许多细长条并排连接而成，带材的轧制变薄即意味着细长条被拉长。当带材沿宽度方向各部分的延伸不一致时，即意味着细长条的拉长程度是不一致的。由于细长条之间彼此是相互连接的，因此延伸较长的细长条会受到压应力，而延伸较短的细长条会受到拉应力，这些应力构成了整个带材宽度上的内应力分布。当细长条所受的应力达到一定的程度时，会产生弯曲变形，这些变形就构成了整个带材宽度上的“波浪”缺陷。

3 铜箔轧制的特点

铜箔与板带的区分主要是厚度，国内是以0.05 mm区分，美、日等国以0.1 mm区分。由于铜箔很薄，所以对厚度的不均匀非常敏感，一般来说，在 0.035 mm以下厚度轧制时使用负辊缝为主体的AGC控制方式。在负辊缝状态下，轧辊的变形已是一个非圆轮廓，压下量与轧制压力的大小已无绝对关系，轧制过程已完全由张力和轧制速度的大小来控制。不能通过轧制力的改变去补偿这个变形，故需采用速度和张力来减薄箔材的厚度。根据最小轧制厚度公式[6]：

Hmin=3.58DμK/E

(1)

式中，Hmin为最小可轧厚度；D为工作辊辊径；μ为铜箔与轧辊间的摩擦系数；K为金属平面变形抗力；E为弹性模量。

为了轧制出更薄的板带材，必须减小工作辊辊径，并采用高效的工艺润滑剂，减小金属的变形抗力，增加轧辊的弹性模量，有效地减小轧辊的弹性压扁。

4 铜箔实际板形案例分析

目前国内4家压延铜箔厂家，3家使用的箔轧机均为日本IHI六辊X型轧机，1家采用米诺六辊UC轧机。与传统轧机相比，X型轧机采用双支撑辊支撑，轧制过程中轧辊不易变形，因此板形控制的稳定性好。X轧机的板形测量方式为16个转子分段测量，板形测量更精确，控制模式有辊缝控制、速度AGC、张力AGC，轧制过程更稳定。X型轧机基于设备本身的设计，板形的控制最突出特点为分段冷却与分段加热控制。下面以X型轧机实际轧制过程中出现的铜箔板形问题为例，探讨具体板形问题的解决方法。

4.1 双肋浪

肋浪是铜箔轧制过程中最难解决的板形问题，其形成原因比较复杂，为了消除肋浪，需协调控制轧制道次、道次加工率、前后张力等工艺参数。

4.1.1 轧制道次对双肋浪的影响

针对X型轧机实际生产中出现的双肋波浪情况，根据实际情况通过调整轧制道次、张力以及支撑辊辊型，取得了良好的板形。以宽度为630 mm、厚度为18 μm的铜箔轧制为例(母材厚度为0.15 mm)，对比了不同轧制工艺对板形的影响，轧制工艺参数如表1所示。

3种轧制工艺的总加工率相同，分别采取4道次、5道次、6道次轧制，保持成品的加工率、张力等参数设置一致，观察轧制道次对双肋浪的影响。图1为采用不同轧制工艺轧制后的板形情况，可以看出，4道次轧制后(方案A)铜箔表面有微小的肋浪；当轧制道次为5道次时(方案B)，铜箔表面肋浪数目增加；当轧制道次为6道次时(方案C)，铜箔表面的肋浪更加明显且宽大。由此可见，轧制道次越少，铜箔的板形越好，原因主要为首道次及第二道次的加工率大，产生的变形热多，有利于残余应力的释放，减小了变形抗力，有利于板形调节。实践表明，铜箔轧制时，变形抗力越大，铜箔的厚度公差越难以控制，为了保证出口厚度公差，系统会自动增大轧制力，会出现厚度公差为负公差，此时系统又会减小轧制力，既而可能导致厚度公差为正公差，如此循环往复，导致出口铜箔板形随着轧制力的波动发生变化，不利于保持板形稳定性。

表1 18 μm厚铜箔的不同轧制方案及其工艺参数Table 1 Rolling programs and its process parameters for rolled copper foil with thickness of 18 μm

图1 采用不同总轧制道次轧制后的板形情况：(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 张力对双肋浪的影响

使用4.1.1节第一套轧制工艺，改变张力(具体方案列于表2)，探讨张力对板形的影响。实际板形对比发现，张力大且入口张力等于出口张力时板形最好，如图2所示，其中红色圆圈标记处为产生浪形。在箔轧机上是以改变入口张力来进行厚度控制。如图2d所示，当来料厚度H有一个正偏差ΔH时，轧后带材厚度h将产生正偏差Δh。在辊缝不变的情况下，通过加大入口张力，使塑性曲线的斜率减小，由 “曲线B(小张力)”变为“曲线B(大张力)”，曲线A与“曲线B(大张力)”交点的横坐标为h，从而消除厚度偏差Δh使轧后带材的厚度h保持不变。对比图2板形可看出，张力对板形影响是明显的，随着前张力的增加，板凸度呈下降趋势，即板形趋于良好；当前张力不变，后张力增加时，板形改善更加明显。可见无论增大前张力还是后张力对板形改善都是有益的，这是因为张力增加会使轧辊挠度变小，板凸度也随之变小。另外张力的增加可减小金属的变形抗力，有利于金属流动，使箔材沿着板形改善的方向发展，这种现象也被称之为前张力对板形的均化作用。而前张力与后张力相等时板形最好，是因为无论前张力大于后张力还是后张力大于前张力，轧辊都会因箔材前后张力不同的作用产生向前或向后的变形，而轧辊凸度的变化即会引起板凸度的不良变化，导致板形变差。

表2 张力控制方案Table 2 Tension control plan

图2 不同张力下轧制后板形：(a)方案1，(b)方案2，(c)方案3。张力调节P-H图(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 支撑辊辊型对双肋浪的影响

为更好地解决双肋浪问题，我们在实际生产中采取了二级辊型方式，通过模拟米诺六辊UC轧机的中间辊锥辊抽辊调节方式,有效地解决了肋浪问题。

4.2 双边波浪和中间波浪

生产初期支撑辊凸度为微凸，总凸度值0.1 mm，轧制过程中出现严重双边浪，边部压折严重，如图3a所示；增大总凸度至0.3 mm时，板形趋于良好，如图3b所示；继续增大支撑辊总凸度至0.4 mm，铜箔出现了严重的中间浪，如图3c所示。分析主要原因为,支撑辊凸度过小，推上缸沽塞作用于支撑辊两端，当轧制力增大时，轧辊两端变形程度大于中间的变形程度，导致箔材边部的受力大，中部受力小，最终使得箔材边部延伸较心部延伸大，产生不均匀变形，形成“双边浪”。调整支撑辊总凸度为0.3 mm后，双边浪消失，板形趋于良好，主要是因为增大凸度后，补偿了轧辊两端的变形，使得箔材横向受力更加均匀，进而获得良好的板形。然而，当继续增大支撑辊凸度时，轧制过程中，轧辊两端变形程度不足以补偿凸度值，造成箔材中间受力较边部受力大，使得其变形不均匀，最终形成中间浪。由此可见，支撑辊总凸度值大小是控制铜箔板形的重要参数，合理控制轧制过程中的总凸度值有利于铜箔板形的改善。