勇立潮头敢为先：花园新能源率先攻克宽幅压延厚铜箔生产加工技术难题

上期我们介绍了厚铜箔因其优越的性能，有助于控制PCB散热、运行高功率和大电流，因而在新能源汽车、太阳能电池板设备、医疗、航空等领域具有广泛的应用前景。这些优越的性能与其生产工艺是密不可分的，不同的生产工艺对物性、加工可靠性尤为关键。

目前，铜箔的生产工艺主要分为两种——电解工艺和压延工艺。其中，电解铜箔由于制造工艺更加简单、生产成本更低，是目前市场上主流的铜箔产品。而压延铜箔主要应用于挠性线路板（FPC）如（折叠屏、可穿戴电子产品、航空航天、电子电气、通信设备、汽车制造等领域），目前全球压延铜箔产能主要集中在美日企业手中，如日本的日矿金属、福田金属等企业占据了全球80%以上的市场份额。

电解工艺是将高纯铜材用硫酸溶解制成一定浓度的硫酸铜溶液，采用电化学的方法，将硫酸铜镀液中铜离子以电沉积的方式，沉积到钛阴极辊上（图1所示），形成铜箔，再经过表面处理让铜箔具有更好的抗剥离和抗氧化效果。具体生产流程如图2所示。

铜离子在电解生箔机的阴极上的沉积作为一种金属的电结晶过程，由形核、核的生长和晶体的成长三个过程组成。结晶初期，铜会在阴极表面最活性的极点上开始形成晶核，而不是在全部阴极表面上沉积。被沉积的铜晶体会优先在基体金属晶体的棱角上生成，然后电流只通过这些点来传送。于是在沉积过程中这些点的实际电流密度比整个阴极表面的平均电流密度要大得多。

与常规厚度的标箔相比，电解加工厚铜箔的难点主要有四个：

厚铜箔由于生产过程中阴极辊转速慢，沉积时间久的原因，导致铜箔表面形貌均匀性差，颗粒尺寸均一性差。

针对此项问题：花园新能源通过对抛光条件的改善，改变阴极辊表面形貌，降低阴极辊表面粗糙度，提升阴极辊表面电沉积点均匀性，从而提升铜箔表面形貌。

上液流量分布不均匀会导致电沉积过程中局部位置铜浓度差异大，浓差极化加大，造成电镀均匀性差。

针对此项问题：花园新能源通过对上液分布器进行改造，采用多孔上液分布器，达到上液流量均匀分布的效果。

添加剂是铜箔生产中的核心技术，直接关系到铜箔的性能和表面形貌。由于厚铜箔生产工艺的特殊性，厚铜箔添加剂与常规铜箔的种类和浓度有很大的不同。厚铜箔生产时铜箔在镀液里时间长，如添加剂添加不合理，会导致厚铜箔力学性能、表面粗糙度不合格、山型的大小及分布不均匀（图3）等情况，进而降低厚铜箔可加工性。

针对此项问题：花园新能源开发了厚铜箔专用添加剂。此添加剂开发的厚铜箔已在下游多家客户验证合格，并批量交付。

由于厚铜箔整体基重比薄铜箔高几倍，在后处理生产过程中，原有处理机设备通过一个电机带动多根导辊的方式已无法满足厚铜箔生产需求。

针对此项问题：花园新能源专门定制了厚铜箔处理机，采用每根导辊一个电机驱动的方式，达到厚铜箔生产过程中所需要的张力需求，从而避免小马拉大车的现象。

压延铜箔是通过物理手段将铜原料反复辊压加工而成。相较于电解铜箔，压延铜箔对工艺控制及设备的要求更高。其主要生产工序如图5所示：

压延工艺的核心设备是轧机，其工作原理如图6所示，轧制宽度越宽需要的力就越大，辊的变形也越大，对设备精度要求也越高。所以传统压延铜箔幅宽较窄，只能生产660mm以下幅宽的产品，常见的压延铜箔厚度为18、35μm等。由于电解铜箔市场占有率高，其幅宽通常较大（常见幅宽为1285mm），因此下游覆铜板厂商设备都是匹配大幅宽铜箔，所以很多在需要用厚铜箔的场合，只能选择电解厚铜箔。

以双面覆铜板为例，如图7 (a) 所示，若铜箔表面铜牙过大，将会构成基材绝缘介质在个别点位的有效厚度减少，从而带来击穿风险。图7 (b)-(c) 是3oz电解与压延厚铜箔的剖面示意图，从图中可以明显看出压延铜箔的轮廓度低于电解铜箔。表1和表2中3oz电解与压延厚铜箔的粗糙度对比也能证明了这一点。压延铜箔在后续加工过程中，制成的覆铜板实际绝缘层厚度更接近理想的绝缘层厚度，从而降低绝缘层减薄带来的击穿风险。

图8 (a)表明在不同的电压下，压延铜箔的耐电压性能较电解铜箔有较大优势，在设置板间击穿电压为2000V时，压延铜箔制成的CCL板材不被击穿、不漏电的概率为80%，而在相同厚度和测试条件下的电解铜箔仅为64%，这验证了上文所述粗糙度较低的压延铜箔具有较好的耐电压性。

图2 (b)为3oz电解、压延铜箔抗剥离性能的对比，从图中可以看出3oz压延铜箔在FR4基材上及高Tg基材上压合后剥离强度与3oz电解铜箔相当，能满足后道加工所需的剥离强度。

压延厚铜箔与电解厚铜箔因生产工艺条件不同，产品致密性和晶体结构存在差异，常规电解铜箔的密度大致在7.0-8.0g/cm3，难以达到铜的理论密度8.9g/cm3，而压延铜箔具有高的致密度，其密度更接近铜的理论密度。因此，压延厚铜箔比电解厚铜箔有更好的导热、导电性能。

此外，导热、导电性能也与材料的晶体结构相关，由于晶界中存在着大量的空位、位错等缺陷，对电子迁移具有一定的阻碍作用。因此，晶格结构越紧密，原子间距越小，导热性能越好。

抗拉强度以及延伸率是铜箔的重要性能指标之一。常态下的高抗拉强度以及高延伸率，可以提高铜箔的加工处理性，增强刚性以提高生产合格率。高温下的抗拉强度以及延伸率，可以提高印制板的热稳定性，避免产生变形、翘曲和断裂。表3为3oz电解、压延铜箔力学性能测试结果，由表可知，不管是在常温还是高温下，3oz压延铜箔的抗拉强度和延伸率与电解铜箔有较大差异。这是因为压延铜箔与电解铜箔有不同的晶体结构（图3）。

图9为3oz电解、压延铜箔晶体取向分布函数图（Ф2=45°）与极图，从图4 (c-e) 中可知，3oz压延铜箔的织构主要是黄铜型织构<112>、高斯{011}<100>以及{112}<111>铜型织构且<110>//ND，整体结构在X-Y轴平面内沿X轴或Y轴取向，故其横向或纵向有较高的抗拉强度。

此外，压延铜箔的抗拉强度在180℃高温的测试条件下有所降低，并且延伸率提升。这是因为压延铜箔在高温下的再结晶行为。图10 (d) 显示3oz压延铜箔经高温烘烤后，晶体结构转变为{001}100旋转立方织构，此时晶粒长大，晶内位错缺陷消除，使韧性得到恢复。

在实际应用过程中，因厚铜箔覆铜板与薄铜箔（≤35um）不同，其厚度大且线速宽，在热冲击方面不易造成裂纹和断裂现象，故厚铜箔低延伸率对于下游产品性能应用影响很小。

蚀刻是影响厚铜箔印制板导电图形精度的主要因素之一，因此对3oz电解、压延铜箔制成CCL板后进行了蚀刻性能的研究。如表4为3oz电解、压延铜箔蚀刻因子的对比，从表中可以看出3oz压延铜箔有与电解铜箔相当的蚀刻性能。而且3oz压延铜箔退火处理后形成等轴、细晶、球形状晶粒结构（图9 (c)），这可以充分保证超厚铜箔蚀刻时的“各向均一性”，不仅使侧蚀减轻，而且使柱状结晶引发的“晶隙残留夹液”的现象消失。

如图11所示，浙江花园新能源股份有限公司生产的3oz压延厚铜箔因加工工艺形成的结构与电解铜箔相比较具有优越的使用性能：

3oz压延铜箔经过机械碾压，表面粗糙度极低，耐电压性能更优。

压力加工消除铜内孔隙，使压延铜箔接近纯铜理论密度，保障铜箔良好的力学、导电和导热性能。

退火工艺可优化压延铜箔内部晶粒取向和结构，保障铜箔良好的力学性能和蚀刻均一性。

宽幅压延铜箔的生产效率较电解铜箔高，并适合更高端的铜合金箔的生产。

鉴于目前国内对大幅宽压延厚铜箔产品强烈需求，花园集团通过设备、加工工艺的改进，克服了传统压延铜箔幅宽受限的劣势，其幅宽最大可达1350mm，为世界首例，填补了大幅宽压延铜箔市场的空白。除此之外，花园新能源还引进了连续退火线和厚铜箔专用表面处理机，可根据客户需求灵活调控抗拉、延伸性能及抗剥离效果。故与传统压延铜箔相比，花园新能源生产的压延厚铜箔具有独特优势。

浙江花园新能源股份有限公司始终站在时代的前沿，紧扣时代的脉搏，我们相信，我们能生产一流的产品，提供一流的技术服务和支持，创建供需双方互利双赢的合作环境。