铜箔分切过程中产生表面缺陷原因分析与改善

阮跃进

(铜陵市华创新材料有限公司,安徽 铜陵 244000)

电解铜箔是印制线路板和锂电池负极集流体的关键基础材料。随着集成电路向高密度、多层化、薄型化,以及动力电池向高能量密度、大储量、轻量化等方向的快速发展,除了对铜箔内在技术性能如抗拉强度、延伸率、抗氧化性等提出较高要求外,还对外观品质也提出了诸多的苛刻要求。尤其是在分切铜箔时不得有压坑、铜粉、划线、皱折等表面缺陷存在[1],因为其直接关乎到下游客户产品的最终制造质量和性能。例如在制作印制电路板、动力电池等产品过程中会出现电路被击穿或短路,载流量和储能不够等风险很高,严重影响产品的工作可靠性和安全性。

1 铜箔表面缺陷问题描述

电解铜箔生产主要分为溶铜制液、生箔制造、表面处理和分切四个工序。分切工序是铜箔制造的最后一道工序,就是将生箔制造出合格的铜箔原料卷放到分切机上,按照用户要求的幅宽和卷长进行分切,再检验、包装、入库等工序才能出厂。分切工序看似简单,实则要求十分苛刻,它关系到经前面几道工序生产出来的铜箔,最终能否达到客户品质要求,否则,将前功尽弃。分切过程中稍不注意,很容易造成铜箔表面产生压坑、铜粉、划线、皱折等外观缺陷而降级或报废。这一过程涉及到“人、机、料、法、环、测”等各个因素,需要对这些因素逐个进行质量防控和精细化管理。以上除环境因素外,最关键的是设备,而设备主要是分切机。目前国内研制生产铜箔分切机起步较晚,技术还不成熟,且制造厂家较少,基本上都是在原铝箔分切机和薄膜分切机基础上稍微改一下,存在许多不足之处,功能性配套不齐全,针对性和适宜性不强。例如结构设计不合理且复杂,输送辊系较多,战线较长,张力控制和设备制造精度不高,无吸尘装置或吸尘效果不佳等等,在使用过程中,最容易造成上述铜箔外观品质缺陷问题,难以满足高精度超薄铜箔生产要求。

2 铜箔表面缺陷原因分析

2.1 铜箔分切机结构型式和工作原理

铜箔分切机主要由放卷机构、机架、分刀机构、输送辊系、传动机构、收卷机构、边料卷取机构和张力控制系统等组成,如图1所示。其工作原理是,先将生箔出来的铜箔原料卷吊运至分切机放卷机构上,从放卷机构放出的铜箔,经过若干根输送导辊进入分切机构进行铜箔幅宽分切,铜箔分切成若干段后,分别经过上、下两路导辊和收卷机构收卷成若干符合规格要求的成品卷。同时将铜箔宽度方向两端多余部分切除,通过边料卷取机构收卷成废料卷回用。

2.2 铜箔表面缺陷原因分析

根据多年生产实践经验总结和统计分析发现,除了由前道工序造成的铜箔基材自身缺陷外,铜箔在分切过程中易产生压坑、铜粉、划线、皱折等表面缺陷的原因主要是由分切车间环境和分切设备缺陷两个方面因素影响导致的。

2.2.1 分切车间环境因素

经过生箔、表面处理等工序生产出来的高精度电解铜箔要求外观无任何污染物、霉变及机械损伤等质量缺陷。因此,分切工序是作为整个铜箔生产过程中最后一道工序,也是关键工序。按客户的幅宽规格要求将原箔分切成若干个合格的成品小卷,除切去边部废料外,原则上不应该产生任何工艺废品。所以,分切车间相比生箔、表面处理等其它生产车间有更加严格苛刻的环境要求。生箔、表面处理车间环境的洁净度等级要求为100 000级,分切车间环境的洁净度等级要求不低于10 000级[2]。而目前分切车间环境的洁净度等级不到10万级,洁净度等级远远达不到高精度超薄铜箔生产要求,若车间粉尘、颗粒物等超标,一旦飘落到分切机或铜箔表面上会夹带进入铜箔卷内产生箔面压坑。

2.2.2 分切设备缺陷因素

铜箔生产最关键的分切设备是分切机,其性能好坏直接影响到所分切铜箔成品卷的最终质量。目前国内研制生产铜箔分切机起步较晚,技术不成熟,且制造厂家较少,基本上都是在原铝箔分切机和薄膜分切机基础上稍微改一下,存在许多不足之处,如结构设计不合理、制造精度、张力控制精度、功能性配套不齐全,针对性和适宜性均不强等,这些设备缺陷是产生各种铜箔表面缺陷的主要原因。

(1)分切机无防尘设施。分切车间行车在运行过程中易产生油污、铁屑等污染物,若没有防尘设施,这些污染物就会掉落在分切机上,导致分切机机身卫生状况差,使得各输送辊表面有粉尘等颗粒物存在,分切机运行时,这些颗粒物与铜箔接触,会将铜箔表面划伤或压伤,从而产生压坑或划线等缺陷。

(2)导辊设计不合理。导辊作为生箔机的关键零件,起到输送铜箔作用。其制造质量关系到生箔机运行的稳定性和铜箔外观品质,特别是生产超薄铜箔的制造精度要求更高。若各输送辊表面有机械损伤或者辊面加工精度不够,表面粗糙,有刀痕印及使用磨损等,与铜箔接触时,也会将铜箔表面被划伤,产生箔面划线。设备厂家为了降低分切机制造成本,将大多数导辊设计成无驱动的被动辊,其转动完全依靠铜箔与辊面摩擦力来牵引,要克服输送辊转动阻力,与铜箔运行速度不能完全同步,尤其在加、减速运行时,被动导辊在惯性作用下,产生失速现象,不受控制,相对滑动更加明显,这时铜箔表面更容易被磨伤,产生划线。

(3)切刀装置设计不合理。切刀装置是分切机核心部分,直接决定铜箔分切的质量,同时也代表铜箔分切机的技术水平。采用的剃头刀片,刀头容易磨损,虽然也有的采用圆盘刀,但切刀装置定位精度差,圆刀跳动大,且分切速度设置不合理等问题,分切时,容易产生大量铜粉、毛刺或铜丝屑等缺陷,这些铜粉等若粘在辊子表面也易产生铜箔划线、压坑等缺陷。

(4)铜粉处理装置配套不全。铜粉是铜箔生产中的常见问题,也是铜箔生产痛点难点问题。下游客户对分切过程中铜粉控制要求非常严格,坚决不允许有铜粉存在;一旦产生铜粉未及时得到有效清除,其危害极大。若粘附在铜箔上,被应用到下道工序的产品上,会造成客户产品出现短路等安全隐患或者性能不可靠等不良现象;若粘附在导辊面上会造成铜箔产生压坑或者划线等缺陷。

(5)压平辊不平或速度不匹配。分切卷取中收卷压平辊是随着卷径的增大始终与卷材压紧的,以保证收卷辊上的铜箔板型和卷端面质量。若压平辊压不平,贴合不严,其两端对铜箔压力不均,压力大的一端会把铜箔赶向压力小的一端,赶料的同时会形成皱纹,在压平辊压力作用下则会产生皱折。若压平辊与收卷辊速度不匹配,有卡顿,压平辊与铜箔之间会产生摩擦力,在摩擦力作用下也会产生皱折。

(6)张力控制精度不高。传统分切机张力控制系统采用电机驱动磁粉离合器方式较多,该分切机张力控制精度不高,张力波动幅度大,运行不平稳,铜箔与输送辊之间产生一松一紧顿挫现象,也造成铜箔表面产生划线,甚至皱折。在分切过程中,张力设置过大,铜箔卷收卷时横向受力分配不均匀,铜箔卷平整度较差,另外随着卷径增大或重量变重,卷内底部的铜箔易被压伤等,极易产生皱折。若张力设置太小,铜箔卷收卷时容易发生跑偏、铜箔卷松动等缺陷。

3 改善方案

通过上述对铜箔在分切过程中易产生表面缺陷的问题原因分析,采取以下相应地改善措施。

3.1 针对车间环境方面

为了满足电解铜箔的生产对洁净度的需求,我们重新对分切车间的净化等级、温度、湿度等要求,分别从空调的送风形式、空调箱机组的配置、自控系统、制冷系统等方面进行优化升级改造,净化等级由原来的不到10万级提高到1万级,换气次数由原15次提高到20次以上,并保证压差≥5Pa。新风通过多级过滤,最后通过高效过滤器除尘后送入车间,新风在送入车间之前,也会经过自控系统,进行降湿、调温,确保车间温湿度可控。车间空气经过回风系统,重新降湿,调温,过滤,再进入车间。除物料、工具等进入车间之前,必须经过风淋门除尘;人员穿戴净化服、口罩通过风淋门除尘才能进入车间,车间墙面、地面都采用彩钢板、自流地坪漆、PVC地板等净化物料及工艺建造[3]。为保险起见,防止车间行车作业过程中因振动产生粉尘、油污、铁屑等污染物飘落到分切机或铜箔上,给每台分切机加装防尘罩等,从而有效避免因此造成铜箔表面产生压坑缺陷。

3.2 针对分切设备方面

(1)加强分切机日常卫生工作,在进行分切工艺前,清洁分切机机身和各导辊、过辊等,做到清洁无粉尘、颗粒物等异物。

(2)加强分切机日常检查保养工作,检查与铜箔接触的各输送辊表面有无磕碰等机械损伤或者辊面加工精度不够,表面粗糙,有刀痕印及使用磨损等,若有,需要及时采取手工打磨、返厂修磨处理或更换新辊,以确保辊面平整光洁。

(3)针对分切机大部分输送辊为被动辊,易产生划线问题,要加强分切机传动机构同步联动改造,将所有输送辊加装同步轮,用同步带联接起来,保证各输送辊能同步运转,与铜箔之间无相对滑动[4]。

(4)针对分切过程产生大量铜粉,易造成铜箔表面大面积划线等缺陷问题。具体去除措施有,一是对分切机构优化改造,将以前的剃刀改成双刃圆盘刀,以保证圆刀锋利,并提高刀座定位精度,减小圆刀跳动,根据分切机运行速度来合理调整圆刀转速等措施,来减少圆刀造成铜粉的产生;二是在分切过程中万一刀具发生磨损时产生铜粉,为便于铜粉收集,增加除静电装置、辊面铜粉自动清洁装置加大功率吸尘收集装置,保证残留在辊面的铜粉能被及时去除收集[5];三是为确保箔面100%无铜粉等异物残留,在收卷前再加装粘尘装置等[6]。

(5)为解决分切过程中铜箔卷底易起折问题,尽量选用直径大纸管或FRP管,来增大铜箔卷取包角,减少铜箔挠曲度。

(6)改进压平辊,提高压平辊与铜箔卷材之间贴合度和平行度,并保证铜箔卷宽度上各点的压力均衡稳定,转动速度一致,表面状态平稳。具体措施有,一是提高压平辊安装精度和加工精度,如压平辊与收卷辊之间水平度、平行度和辊面圆度、直线度和粗糙度等;二是压平辊两端采用调心轴承,减少转动阻力;三是根据分切铜箔卷宽度选择合适的压平辊重量也至关重要,以提高收卷压辊与铜箔卷贴合度及压紧力,避免压得太轻或太重,造成铜箔起折。通过上述改进保证了压平辊与铜箔卷始终处于良好的压紧状态,有效解决卷取时产生皱折问题。

(7)优化张力自动控制系统,采用PID闭环控制,提升张力控制精度至±3N,以实现对分切机的闭环张力控制及放卷、牵引、收卷电机的同步运动控制,从而达到箔面宽度方向张力均匀一致,避免铜箔因张力波动而导致铜箔起折问题[7]。在分切过程中,根据不同规格铜箔卷径大小,要合理设置张力,避免张力设置过大,铜箔卷收卷时横向受力分配不均匀,铜箔卷平整度较差,极易产生皱折。若张力设置太小,铜箔卷收卷时容易发生跑边、铜箔卷松动。为此,对张力控制程序做特别设计,随着铜箔卷直径的增大,逐步减小收卷张力,以防止铜箔卷径过大过重压伤卷底铜箔,造成铜箔起折。

4 结束语

通过对铜箔表面缺陷原因分析,发现箔面压坑、铜粉、划线和皱折等缺陷是分切工序最易产生的,也是铜箔生产中客户投诉、抱怨及批退方面占比最多的铜箔质量问题。此缺陷主要是由分切车间环境差,其洁净度等级低和分切机结构设计不合理,功能性配置不齐全及其制造精度不高等方面引起,无法满足高精度超薄铜箔生产要求。为此,我们采取以上系列改善措施,经生产实践应用,产生良好效果,各种表面缺陷得到有效遏制,客户投诉率得到大幅降低,铜箔外观质量重新获得客户认可,经济效益和社会效益显著。