1、第 43 卷 第 4 期 有色金属加工 Vol. 43 No. 42014 年 8 月 NONFEOUS METALS POCESSING August 2014铜箔轧制的特点及轧机选型李 冲( 中色科技股份有限公司 ， 河南 洛阳 471039)收稿日期 : 2013 07 18作者简介 : 李冲 ( 1979 ) ， 男 ， 工程师 ， 主要从事有色金属工程设计工作 。摘 要 : 铜箔轧机是压延铜箔生产的关键设备 ， 文章通过对铜箔轧制的特点及影响压延铜箔厚度的关键因素进行分析 ，并结合国外主要压延铜箔生产厂家的现有铜箔轧机类型 ， 提出了对铜箔轧机选择的建议 。关键词 : PCB; FP
2、C; 压延铜箔 ; 厚度 ; 铜箔轧机中图分类号 : TG339 文献标识码 : A 文章编号 : 1671-6795( 2014) 04 0025 04因生产方式的区别 ， 压延铜箔与电解铜箔相比具有柔韧性高 、表面粗糙度低 、可以进行合金化处理等优异的特性 。目前压延铜箔一般用于挠性印制电路板中 ， 是制造挠性印刷线路板 ( FPC) 基板的重要材料 ， 国外在高频高速信号传输 、细导线电路板 ( 非挠性线路板 ) 的基材上也广泛采用压延铜箔 。随着电子产品向轻 、薄 、小型化 、高性能化方向发展 ， FPC 在印刷线路板 ( PCB) 的产值比重逐年加大 。据 prismark 预测 ，
3、 到 2015 年全球 FPC 的产值将达到12429 亿美元 ， 年平均增长 8 7%。我国 FPC 产业从1997 年开始发展以来 ， 已成为仅次日本的世界第二大FPC 生产国 。但目前在世界范围内 ， 能够批量生产厚度 0. 05mm 以下 、宽度 450mm 以上的宽幅压延铜箔的产能 90% 以上被日本生产商掌握 ， 国 内 厚 度 在0. 05mm 以下 、宽度在 300mm 以上的压延铜箔产能几乎为零 ， 严重制约了我国 FPC 产业的快速发展 ， 因此发展国内压延铜箔产业刻不容缓 。箔轧是压延铜箔生产中的关键工序 ， 完成此道工序的工艺设备 铜箔轧机的选型决定了压延铜箔生产厂家的
4、生产效率及技术质量水平 。1 铜箔轧制的特点及影响铜箔轧制的主要因素11 铜箔轧制特点铜箔轧制是一种极限轧制 ， 目前世界上可以生产的压延铜箔的最薄厚度已达到 0 006mm。对于铜箔轧制而言 ， 由于其出口厚度很小 ， 轧辊已经完全压靠 ，增大轧制力使轧辊产生弹性变形比被轧材料产生塑性变形更容易 ， 因而此时轧制力已经对铜箔减薄不起作用 。12 影响铜箔轧制的主要因素( 1) 根据最小可轧厚度的公式 hmin 3. 58D( 1. 155 p ) /E ，( 式中 hmin为箔材的最小可轧厚度 ， D 为轧机工作辊直径 ， E 为工作辊弹性模量 ， 为摩擦系数 ， p 为轧件材料屈服强度 ，
5、 为轧件平均单位张力 ) 可以看出 ， 工作辊直径及其弹性模量 、轧件的平均单位张力 、摩擦系数是影响最终轧出铜箔厚度的主要因素 。( 2) 在铜箔轧制过程中 ， 随轧制速度升高 ， 工艺冷却润滑油带入量将增加 ， 从而使轧辊和铜箔之间的润滑状态发生变化 ， 摩擦系数变小 ， 油膜变厚 ， 铜箔的厚度随之减薄 ; 对采用圆柱轴承的轧机 ， 随轧辊转速的提高 ， 辊颈会在轴承中浮起 ， 因而使两根相互作用而受载的轧辊向相互紧靠的方向移动 ; 轧机速度提高造成铜箔被轧制时变形速率加快 ， 铜箔温度会随之升高 ， 从而降低铜箔变形抗力 ， 使其更容易产生变形 。2 减薄铜箔厚度的方法分析减小工作辊直
6、径 、提高轧件的平均单位张力 、降低摩擦系数 、增加工作辊的弹性模量 、提高轧制速度是减薄铜箔厚度的可行方法 。21 减小工作辊直径减薄铜箔厚度最直接有效的方式是减小工作辊直径 ， 但减小轧机工作辊直径相应的会降低轧辊刚度 ， 从而降低轧制过程的稳定性进而降低铜箔成材率 ， 为补偿因轧辊直径变小而带来的轧辊横向及纵向刚度减小就须增加侧向及纵向支承辊 ， 工作辊直径越小 ， 增加的支承辊数量就越多 ， 辊数越多 ， 轧机就越复有色金属加工 第 43 卷杂 ， 这对轧机制造 、装配 、辊系的冷却剂润滑以及后期操作维护的要求就越高 。22 提高轧件的平均单位张力提高轧制过程中的张力可以改变材料在变形
7、区内的受力状况 ， 降低轧制力 ， 从而降低减薄铜箔厚度的难度 ， 也有利于实现稳定轧制 。但在大张力轧制过程中 ， 会出现 “假板形 ”现象 ， 也就是说轧制过程中观察到的板形是良好的 ， 但当将张力撤销或减小时箔材就会出现板形缺陷 。另外在轧制过程中 ( 特别是在箔轧过程中 ) 张力过大会增大断带几率 ， 要提高轧制过程中的单位张力就要相应提高对来料的质量要求 。23 降低摩擦系数轧制油的主要目的是为了降低接触面摩擦力 ， 减少轧辊磨损 ， 保证铜箔表面光洁度和最佳粗糙度 ， 对轧辊和铜箔进行冷却以保证轧制过程稳定和减少金属的氧化 ， 但要使上述要求同时得到满足是困难的 。如提高轧制油黏度
8、将增加轧辊和轧材接触面之间的油膜厚度从而使摩擦系数降低 ， 但相应的提高了对箔材表面的除油难度 ， 从而影响轧制过程中的张力稳定 ， 并会影响轧材表面粗糙度 。目前 ， 由于压延铜箔的需求总量较小影响了压延铜箔轧制油的开发进度 ， 至今还未见铜箔轧制专用轧制油或专用轧制油添加剂产品的销售 。24 增加工作辊的弹性模量目前常用冷轧工作辊材料主要有 9Cr、9Cr2、9Cr2W、9Cr2Mo、8CrMoV 等 。曾有在二十辊轧机上采用直径小至 10mm 的碳化钨轧辊 ， 最小轧制厚度为0. 001mm 极薄钢带的报道 ， 但其经济性较差 ( 只适合轧制极薄材料的情况下采用 ) 。25 提高轧制速度
9、由于铜的变形抗力较大 ， 而且比热小 ， 所以冷轧时在轧制过程中产生的变形温升较高 ， 高速 、高温轧制时易使轧制油挥发或焦化 ， 带面易发乌 。另外由于轧制油黏度大 ， 轧制铜箔时采用高速轧制带面除油相当困难 ， 卷取时由于带面残留轧制油过多会引起张力不稳定 ， 所以轧制铜箔时速度不宜过高 ， 现阶段压延铜箔的最高轧制速度在 800m/min 以下 。3 国外铜箔轧机的类型及特点目前在拥有成熟压延铜箔生产技术的厂家中 ， 采用铜箔轧机的类型如表 1。表 1 压延铜箔生产厂家铜箔轧机的主要参数Tab1 Main parameters of various copper foil mills单位
10、 用户 轧机形式产品规格厚 宽 /mm轧机速度/m/min投产时间1 日立电线6 辊 ( UCM) 单机架可逆式0020 650 700 19832 日本矿业6 辊 ( UCM) 单机架可逆式0018 700 800 19843 古河电工6 辊 ( UCM) 单机架可逆式0018 750 800 19864 三井矿山冶炼6 辊 ( UCM) 单机架可逆式0018 650 800 19915 奥林黄铜20 辊轧机( 森吉米尔型轧机 )0012 635 450 6 C Schlenk20 辊轧机( 弗洛林型轧机 )0006 650 450 19917 日立电线6 辊 ( X 轧机 )不可逆轧机00
11、07 700 700 19968 韩国丰山6 辊 ( UCM 轧机 )单机架可逆式0018 650 800 19979 日立电线6 辊 ( X 轧机 )不可逆轧机0007 700 700 200210日本金属和采矿公司6 辊 ( X 轧机 )可逆轧机0006 700 700 200411住友金属采矿黄铜公司6 辊 ( X 轧机 )可逆轧机0006 700 800 2005从表 1 中可以看出目前在用的铜箔轧机辊系布置主要为两种类型 ， 采用普通轧机支承辊垂直布置的六辊 ( UCM) 轧机和采用塔形支撑辊系的六辊轧机或二十辊轧机 。31 六辊 ( UCM) 轧机辊系特点六辊 ( UCM) 轧机是
12、在日立六辊 ( HCM) 轧机的基础上引入了中间辊弯辊系统 ， 以进一步提高板凸度和板平直度的控制能力 ， 如图 1、2 所示 。图 1 六辊 ( HCM) 轧机Fig1 6-high mill ( HCM)62第 4 期 有色金属加工图 2 六辊 ( UCM) 轧机Fig2 6-high mill ( UCM)HCM 轧机是由日本日立公司开发和设计的 ， 是在四辊轧机辊系上增加了两个根据带材宽度变化可轴向移动的中间辊 ， 从而消除大于轧制带材宽度的工作辊与支撑辊的有害接触区 ， 随之消除了造成工作辊挠度变大所受的附加弯曲力 。另外也避免了在工作辊上施加弯辊力时 ， 所产生的挠曲会在超出带宽部
13、分上受到支撑辊的约束 。UCM 轧机将轧辊横移和弯辊相结合 ， 使其在轧制过程中具有优异的板凸度和平直度控制能力 。对于 UCM 轧机 ， 其结构形式决定了轧辊的横向刚度只能依靠改变工作辊辊径来调节 ， 为保证轧材在轧制时有足够的张力 ， 其最小工作辊辊径受到一定限制 ( 一般在 130 180mm 之间 ) 。32 塔形支撑辊系轧机主要特点塔形结构支撑辊系轧机的出现解决了减小轧辊辊径和保证轧辊刚度之间的矛盾 。塔形辊系轧机特点十分明显 ， 塔形辊系使轧制压力成扇形状传递给外层支撑辊 。塔形辊子层数越多 ， 即辊子数越多 ， 外层支撑辊承受的轧制压力就会越小 ， 轧辊的挠曲变形量就小 ， 工作
14、辊直径就可以越小 ， 对减薄铜箔厚度的能力就越强 。塔形辊系结构能够很好地保证小直径工作辊在垂直平面和水平面内具有较大的刚度和稳定性 ， 从而减小轧辊挠曲变形量 ， 保证轧制过程稳定 。X 型六辊轧机和二十辊轧机都是采用塔形结构 ，其区别在于结构层数不一 ， 如图 3、4 所示 。X 型六辊轧机和二十辊轧机对铜箔减薄方式的侧重点不同 ， X 型六辊轧机从提高轧机速度和轧制张力入手 ， 在轧机设计时尽量减少对轧制速度和张力的影响因素 ， 其对铜箔来料及对轧制过程中各参数的配合与控制要求较为严格 ; 二十辊轧机主要是从减小轧辊直径入手 ， 其设备复杂程度高 、对轧机的设计及制造水平要求较高 。图
15、3 X 型六辊轧机Fig3 X-shaped 6-high mill图 4 二十辊轧机Fig4 20-high mill在这两种塔形结构支撑辊系铜箔轧机中 ， 二十辊轧机和 X 型六辊轧机相比其差异主要如下 :( 1) 二十辊轧机塔形辊子层数多 ， 工作辊直径小( 现有铜箔轧机中 ， X 型六辊轧机辊径一般为 125mm，二十辊轧机辊径一般为 50mm) ;( 2) X 型六辊轧机的板形控制调节主要依靠工作辊弯辊和轧辊分段冷却这两种手段 ; 二十辊轧机的板形控制调节有支承辊轴的凸度调节 、外中间辊的凸度设置 、( 外中间辊的正负弯辊 ) 、( 内中间辊的正负弯72有色金属加工 第 43 卷辊
16、) 、内中间辊的窜辊 、轧辊分段冷却等 ， 从手段上其控制板形的能力优于 X 型六辊轧机 ( 在铜箔轧制过程中 ， 由于轧辊已经压靠 ， 液压弯辊对铜箔板形的影响力较小 ， 此时铜箔板形调节主要依靠轧辊原始凸度及辊面粗糙度和轧辊分段冷却等手段 ) ;( 3) X 型六辊轧机辊系结构较为简单 ， 其润滑冷却十分容易 。现有 X 型六辊轧机设计中 ， 其轧辊的润滑及冷却采用在铜箔入口侧单侧喷油方式 ， 依靠相互压靠的轧辊及压缩空气吹扫以减少轧材出口带面残油量 ， 从而提高轧制过程张力稳定性和轧制速度 ， 并可降低轧机和卷取机之间的间距 。二十辊轧机辊系十分复杂 ， 对辊系之间的配合要求严格 ， 对
17、设备制造 、安装调整的精度要求高 ; 另外由于轧辊之间配合的要求 ， 轧辊辊径使用范围小 ， 轧辊备件数量相应增加 ， 给后期操作及维护带来很大困难 ; 轧制过程中辊系冷却比较困难 ， 为减少轧辊磨损并对铜箔进行有效冷却 ， 要增加轧制油单位流量 ， 这就对铜箔表面除油效果提出了很高要求 ， 如果铜箔表面残油量太大除导致成本升高 、增加后道工序难度 、影响铜箔表面质量外 ， 高速轧制时还会造成卷取张力不稳定 ， 影响成品铜箔板形 ， 导致轧制速度难以提高 ;另外轧制过程中 ， 支承辊轴承的摩擦功率损耗 、轧辊滚动功率损耗和由于接触辊子数多引起的空程功率损耗 ， 特别是在轧制极薄铜箔时 ， 这些
18、无用有害的功率损耗大 ， 使轧制总功率消耗与 4 辊轧机比较相差不多 。4 结 论( 1) 六辊 ( UCM) 轧机 、X 型六辊轧机与二十辊轧机都可以生产出合格的压延铜箔产品 ;( 2) 六辊 ( UCM) 轧机由于其轧辊横向刚度受到限制 ， 其机型不适合作为铜箔专用轧机 ;( 3) 结构复杂 、除油难度大 、铜箔生产效率低 、后期维护难度大是制约二十辊铜箔轧机进一步发展主要原因 ;表 2 三种类型轧机的分析比较Tab2 Characterization and comparison on three types of mills序号 类 型 UCM 六辊轧机 X 型六辊轧机 二十辊轧机1
19、轧机复杂程度 中 低 高2设备制造及安装精度要求中 中 高3 轧辊辊径 大 中 小4 轧辊横向刚度 小 中 大5 板形控制手段 较多 少 多6 提高轧机速度 容易 容易 难7 提高张力 受到限制 容易 难8 对来料要求 高 苛刻 高9 后期维护难度 一般 一般 大10 设备价格 一般 昂贵 一般11在主要铜箔生产厂家的业绩1998 年前 1995 年以后 1992 年前( 4) X 型六辊轧机因结构简单 、轧辊横向强度好 、带面残油量少等特点 ， 使其在近年来铜箔专用轧机市场上所占份额不断增加 ， 但在使用过程中要注意对来料质量严格控制 。参考文献 1 V B 金兹伯格 高精度板带材轧制理论与
20、实践 M 北京 冶金工业出版社 ， 2000 2 钟卫佳等 铜加工技术实用手册 M 北京 冶金工业出版社 ， 2007 3 姚若浩 金属压力加工中的摩擦与润滑 M 北京 冶金工业出版社 ， 1990 4 傅作宝 冷轧薄钢板生产 M 北京 冶金工业出版社 ， 1996 5 项志量 铝箔轧制中的板形控制 J 轻合金加工技术 ， 2007， 35( 4) : 18 21 6 刘生鹏等 印制电路板用铜箔的现状及发展趋势 A 第八届覆铜板市场技术研讨会文集 C Technical eview on Copper Foil olling and Selection of olling MillLI-Cho
21、ng( China Nonferrous Metals Processing Technology Co ， Ltd ， Luoyang 471039， China)Abstract: Copper foil mill is the critical equipment for rolled copper foil production This paper analyzed the rolling characteristicsand key factors impacting on rolled foil thickness， it assessed the existing mills from major rolled copper foil enterprises abroadand it proposed the copper foil mill selectionKeywords: PCB; FPC; rolled copper foil; thickness; copper foil mill82
