壓延銅箔發(fā)展現(xiàn)狀及市場分析

張專利

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司,江西南昌 330031)

壓延銅箔發(fā)展現(xiàn)狀及市場分析

張專利

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司,江西南昌 330031)

介紹了壓延銅箔的生產(chǎn)工藝及關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù),國內(nèi)外高精壓延電子壓延銅箔產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,并從FPC、鋰電池、高端PBC等壓延銅箔的應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā),分析了其市場需求及發(fā)展趨勢。

壓延銅箔；撓性印刷線路板(FPC)；關(guān)鍵技術(shù)；市場需求

根據(jù)規(guī)范GB 50962-2014,廣義的銅箔指橫斷面呈矩形,厚度均一并等于或小于0.15 mm的軋制(壓延)或電沉積產(chǎn)品。按其生產(chǎn)方式的不同,以壓延(軋制)方法生產(chǎn)的箔材稱為壓延(軋制)銅箔(Rolled Copper Foil)；采用電沉積方法生產(chǎn)的箔材為電解銅箔(Electrolytic Copper Foil),常用為0.008～0.07 mm。電解銅箔最主要的應(yīng)用市場是覆銅板(CCL)及印刷電路板(PCB),是制造CCL及PCB的重要基礎(chǔ)原材料。壓延銅箔是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心基礎(chǔ)材料,被廣泛用于制造柔性線路印刷線路板、透明導(dǎo)電薄膜載體、汽車動力與通訊設(shè)備用鋰電池、節(jié)能產(chǎn)品LED、電子設(shè)備的散熱與屏蔽等產(chǎn)品。

1　壓延銅箔生產(chǎn)工藝及關(guān)鍵技術(shù)

1.1壓延銅箔技術(shù)特性

1.2壓延銅箔生產(chǎn)工藝

壓延銅箔與電解銅箔在生產(chǎn)工藝上有很大的差異性。電解銅箔是以硫酸銅溶液為原料,采用電解法制成原箔,然后進行表面處理。其主要是通過提高電解電流密度、使用不同的電解添加劑等電解工藝條件的變化來縮小電解晶密度,降低銅箔表面粗糙度,以提高電解銅箔的力學(xué)性能。而壓延銅箔是以電解銅為主要原料,在1 200°C下熔化、保溫后,采用立式半連續(xù)工藝鑄造成鑄錠,在鋸切掉頭尾后加熱,使鑄錠在800°C以上高溫下反復(fù)多次熱軋、銑面后在常溫下冷軋壓延變薄,經(jīng)清洗和退火后,獲得壓延銅箔生產(chǎn)所需的帶坯。經(jīng)加工后形成的帶坯采用圖1所示的生產(chǎn)工藝獲得光箔和經(jīng)過表面處理的銅箔。

圖1　壓延銅箔工藝流程

從圖1可以看出生產(chǎn)壓延銅箔工藝流程長,生產(chǎn)技術(shù)上難度較大,生產(chǎn)的工藝控制及生產(chǎn)環(huán)境設(shè)置等難度高,因此目前世界范圍內(nèi)壓延銅箔的生產(chǎn)廠商不多,技術(shù)也掌握在少部分廠商手中,個別生產(chǎn)企業(yè)掌握著多項技術(shù)專利和關(guān)鍵技術(shù)。因此盡管壓延銅箔與電解銅箔相比具有很大的優(yōu)勢,但產(chǎn)量集中在國外少數(shù)企業(yè),國內(nèi)僅有一兩家壓延銅箔生產(chǎn)企業(yè)建立,且尚無企業(yè)能批量生產(chǎn)經(jīng)過表面處理的壓延銅箔。

1.3壓延銅箔關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)

生產(chǎn)滿足現(xiàn)代電子技術(shù)所需要的壓延銅箔,彌補電解銅箔在高頻信息傳輸與精細線路及撓性印制電路領(lǐng)域的不足,在生產(chǎn)技術(shù)上面遇到的主要關(guān)鍵問題主要包括如下幾個方面：

1)軋制速度與軋制張力控制。銅箔軋制屬于極限軋制,在銅箔厚度〈0.035 mm以下時,其壓下量與軋制壓力大小已無絕對關(guān)系,此時軋制過程完全是由張力控制和軋制速度配合來完成。軋制過程中,軋輥轉(zhuǎn)動速度越高,軋輥與帶箔之間油膜形成的壓力越大,油膜厚度越厚；提高軋制速度,軋輥上由于瞬時產(chǎn)生的靜壓力使油膜加厚,帶材變?。煌瑫r帶材軋制的變形熱集聚,瞬時溫度升高,使變形抗力有所降低。銅合金的熱容小,變形抗力大,軋制過程中產(chǎn)生的變形溫升高,高速、高溫軋制時易使軋制油揮發(fā)或焦化；因此銅箔軋制時只能用閃點達140℃的機油做基礎(chǔ)油。這種機油粘度大,銅箔高速軋制時帶面除油相當(dāng)困難,卷曲機卷曲時因帶面有軋制油張力不易穩(wěn)定。因此,一般不宜用過高速度軋機軋制銅箔。軋制張力控制是銅箔厚度控制的另一重要手段,根據(jù)K=1.155(R-q)的關(guān)系,張力愈大,K值愈小,最小可軋厚度也減小,愈能軋制較薄帶材[2]。銅箔軋制時選取更大的張力值可以實現(xiàn)穩(wěn)定軋制,有利于板型控制,能有效降低軋制壓力,減少能耗,也有利于消除軋制缺陷、獲得良好的板型。

2)銅箔內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織精確控制技術(shù)。根據(jù)晶體內(nèi)部組織分析可知,要進一步地保證壓延銅箔的撓曲性能、加工性能、表面處理及表面粗糙度的要求,就要求板坯軋制、熱處理過程中對組織進行精確控制。壓延加工工序后,銅箔結(jié)構(gòu)組織呈薄層狀,再經(jīng)熱處理,產(chǎn)生了成為等方的再結(jié)晶組織變化。在其內(nèi)部的晶粒及其組織組成上,晶粒大些強度就會下降,有利于材料的壓力加工及獲得優(yōu)越的撓曲性：晶粒尺寸增大,晶界減少,在撓曲時由晶界帶來的位錯及裂紋產(chǎn)生及擴展會減少；同時晶粒增大,在熱處理過程中由于表面的晶界氧化腐蝕也會減少,不會傳播粒子界面內(nèi)的裂紋,從而在耐撓曲性上表現(xiàn)得特別的高。因此,如何在生產(chǎn)的過程中保證其組織的基本性能即精確控制是一項重要的技術(shù)。

3)壓延銅箔表面處理技術(shù)。壓延銅箔表面處理技術(shù)主要指的就是針對銅箔使用后期的抗氧化腐蝕處理、粗化處理等工序,即為使壓延銅箔符合在PBC、PFC領(lǐng)域應(yīng)用的要求,對其結(jié)合面進行的表面處理,包括表面粗化處理和表面鍍層處理。雖然壓延銅箔的結(jié)構(gòu)和用途與電解銅箔不同,但兩者的粗化處理原理是一樣的,即都是在銅箔需與其他材料結(jié)合的結(jié)合面上進行粗銅瘤化,增加結(jié)合面的表面粗糙度,提高與其他材料的結(jié)合能力。壓延銅箔表面粗化處理是在其銅箔需結(jié)合面上進行表面鍍銅,精鍍固化,以增大結(jié)合面的表面粗糙度,增大與印制板基板的結(jié)合能力；鍍層處理的基本思路就是在粗化基礎(chǔ)上鍍上一層其他金屬或者合金(如鍍鋅及當(dāng)前技術(shù)靠前的鍍鋅-鎳合金),增大其與印制基板的結(jié)合能力的同時增大其耐熱性與耐蝕性及可焊性,其主要技術(shù)指標是與印制基板結(jié)合的抗剝離強度。壓延銅箔的阻擋層一般采用兩種處理方式,即黑化處理(銅—鈷—鎳或銅—鎳鍍層)和紅化處理(純銅鍍層),近年來還有開發(fā)出來的鋅—鎳鍍層[3]。

HBO治療是指在高于一個大氣壓的環(huán)境中吸氧,增加血中物理溶解氧，改善機體對氧的攝取和利用，使血氧含量增加，血氧分壓增高，氧彌散到組織的能力增強，從而改善組織的微循環(huán)和有氧代謝的一種物理治療方法。在顱腦損傷的治療中HBO治療是一種療程短、見效快、并發(fā)癥少的治療方式。

4)銅箔表面在生產(chǎn)過程中的保護性問題。銅箔表面在生產(chǎn)過程中的保護性問題主要涉及到表面脫脂清洗、酸洗、軋制過程中的軋制油與乳化液的配制、熱處理過程中的保護性防護等。主要是因為銅箔在其厚度上的變化使其長和寬所帶來的表面積的增大,使其更多地與外界接觸,對其表面的保護非常重要；其次,銅箔表面的粗糙度及其后的鍍層粗化在電子信息技術(shù)的應(yīng)用上也尤其重要；而且在相同的氧化腐蝕深度下,相對于更薄的銅箔,其表面質(zhì)量顯得尤其的重要；最后,在工藝上存在問題或者處理不當(dāng)時都有可能出現(xiàn)銅箔的整體性尺寸偏小、銅箔厚度的局部性尺寸偏差、穿孔、撕裂,或者內(nèi)部出現(xiàn)蝕坑及裂紋,這些都對電流的傳導(dǎo)造成很大的影響。

5)生產(chǎn)車間環(huán)境。壓延銅箔生產(chǎn)主要包括熔鑄工序、壓延工序和表面處理工序。壓延銅箔屬于非常精密的生產(chǎn)加工,對生產(chǎn)車間環(huán)境的要求非常高。其中,壓延工序一般要求車間密封、微正壓,以防止沙塵和蚊蟲等進入,車間內(nèi)潔凈不起灰不積灰,局部密封銅箔軋制區(qū),從而防止在生產(chǎn)過程中異物壓入銅箔中,形成針眼缺陷；表面處理工序?qū)Νh(huán)境的要求也非常高,特別是環(huán)境溫度的穩(wěn)定、空氣的潔凈度,國內(nèi)外大部分企業(yè)對表面處理車間的潔凈度要求不低于10萬級,溫度要求保持在20～25°C,且成品剪切工序要求不低于1萬級。對于最薄6 μm及以下的銅箔,潔凈度的要求更高,要嚴格控制塵埃顆粒粘附在銅帶上的數(shù)量,盡量減少銅箔上的針孔率。

2　國內(nèi)外高精壓延電子銅箔產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國外壓延銅箔的發(fā)展現(xiàn)狀

目前,全球生產(chǎn)高精壓延銅箔的廠家數(shù)量很少,主要集中在日本和美國的幾個企業(yè),以美國奧林黃銅公司(Olinbrass)、日本日礦金屬株式會社(Nippon Mining)、日本福田金屬 (Fukuda)和日本日立電線(Hitachi Cable)等美、日商為代表。2012年壓延銅箔的主要供應(yīng)商還是以日礦和日立為代表的日資企業(yè)為主,其供應(yīng)量占全球壓延銅箔產(chǎn)量的90%以上,壓延銅箔行業(yè)屬于絕對壟斷行業(yè)[4]。

2008年經(jīng)濟危機爆發(fā)后,對整個壓延銅箔產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了非常大的影響,如圖2所示,但從日系企業(yè)壓延銅箔2005年到2012年的產(chǎn)量變化可知,全球壓延銅箔的需求量仍處于穩(wěn)定增長趨勢。

圖2　日系企業(yè)壓延銅箔產(chǎn)量統(tǒng)計

2.2國內(nèi)壓延銅箔發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國下游產(chǎn)業(yè)如電子信息、汽車等行業(yè)的迅猛發(fā)展,對壓延電子銅箔的需求量日益增大,而與之形成反差的是本土化的壓延電子銅箔產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段,國內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)很少,僅一兩家左右。如表1所示,中鋁上海銅業(yè)有限公司(年產(chǎn)2 500 t)壓延銅箔生產(chǎn)線在2013年開始投產(chǎn)運行,菏澤廣源銅業(yè)股份公司2014年也調(diào)試生產(chǎn)出12 μm的光箔,但其質(zhì)量同國外產(chǎn)品相比有一定的差距。

表1　2013年我國高精壓延銅箔產(chǎn)能一覽　t/a

由于日本企業(yè)對壓延銅箔市場的壟斷,致使壓延銅箔價格居高不下,具有豐厚的加工利潤；因此,最近國內(nèi)不少企業(yè)開始爭相建廠,河南靈寶金源銅業(yè)有限公司、山東中色奧伯特科技股份有限公司、蘇州福田金屬等都正在緊鑼密鼓地投資建設(shè)壓延銅箔項目。然而,壓延銅箔生產(chǎn)設(shè)備要求高,基本依靠進口,投資巨大；并且其關(guān)鍵生產(chǎn)工藝技術(shù)和生產(chǎn)環(huán)境要求對于我國企業(yè)來講難度很大,僅靠單純的引進設(shè)備無法打破技術(shù)專利和關(guān)鍵技術(shù)的壟斷。

3　壓延銅箔產(chǎn)品市場分析

因壓延銅箔的生產(chǎn)成本較高,目前僅僅主要用于對箔材撓曲性及表面粗糙度要求較高的撓性覆銅板(FCCL)制造業(yè)、柔性線路印刷線路板、透明導(dǎo)電薄膜載體、汽車動力與通訊設(shè)備用高新能鋰電池以及部分需進行高頻信號傳輸?shù)腜CB行業(yè)中,其市場需求量變化與這幾個行業(yè)息息相關(guān)。

3.1FPC用壓延銅箔

FPC是一種利用撓性基材制成的具有圖形的印刷電路板,由絕緣基材和導(dǎo)電層構(gòu)成,絕緣基材和導(dǎo)電層之間可以有粘結(jié)劑,使用的主要原材料為高精壓延電子銅箔。在壓延銅箔中,經(jīng)過特殊工藝加工后具有特殊組織性能和高尺寸精度的高精壓延電子銅箔(厚度尺寸一般在20 μm以下)的耐撓曲性可以達到數(shù)萬次甚至上億次,這與電解沉積銅箔相比具有明顯的優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用在撓性覆銅板的制造中。據(jù)不完全統(tǒng)計,壓延銅箔有80%以上應(yīng)用在此領(lǐng)域。

由于FPC適應(yīng)了電子裝置和設(shè)備的輕、薄、短小化和高性能化的要求,隨著近年來電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展,FPC市場將持續(xù)地成長壯大。2013年我國手機產(chǎn)量達到14.6億部,對比2012年增長23.2%,我國產(chǎn)量占全球出貨量份額的81.1%,比2012年提高10%以上；2013年全球平板電腦銷售量達到1.95億臺,2014年全球平板電腦的產(chǎn)銷量為3.15億臺,占移動電腦出貨量的65%以上,到2017年,平板電腦將攀升至4.55億臺,占所有移動電腦出貨近75%的市場份額[5]。隨著智能手機、平板電腦等智能移動終端市場份額的持續(xù)擴大,對電子元器件、電路板質(zhì)量要求的不斷提升,FPC需求將更加旺盛,壓延銅箔需求量將持續(xù)上升。

3.2鋰電池用壓延銅箔

鋰電池主要用于筆記本等小型消費品、汽車和充電。特別是近兩年來,隨著民眾的環(huán)保意識的提高,全球氣候變暖,特別是對于PM2.5指數(shù)的敏感度提升以及全國范圍內(nèi)的霧霾天氣出現(xiàn),新能源汽車成為今后很長一段時間內(nèi)關(guān)注的焦點和發(fā)展趨勢。鋰電池具有能量密度高,無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長、無污染、體積小以及重量輕等優(yōu)點,不僅成為便攜電子產(chǎn)品用電源的首選對象,而且已經(jīng)應(yīng)用在很多全新的領(lǐng)域。隨著電動汽車市場的到來,鋰電池需求將迅速增長,日本富士經(jīng)濟發(fā)表的調(diào)查報告顯示2017年全球鋰電池市場規(guī)模將比2012年擴大50%,將達到1.7萬億日元。而海通證劵研究所根據(jù)模型測算, 2015年、2020年中國鋰電池材料市場規(guī)模分別為43億元、125億元,2012～2015年復(fù)合增速 38%, 2015～2020年復(fù)合增速25%[5]。

壓延銅箔生產(chǎn)成本高,市場緊缺,目前國內(nèi)鋰離子電池用銅箔的市場絕大多數(shù)被電解銅箔所占領(lǐng)。壓延銅箔的抗電化學(xué)腐蝕性和抗震動性能遠高于電解銅箔,在有特殊需要的高性能鋰離子電池上,宜采用壓延銅箔充當(dāng)其負極材料的載體。近年來我國鋰離子電池用銅箔市場規(guī)模在逐年增大。其負極載體領(lǐng)域的壓延銅箔占壓延銅箔產(chǎn)銷量的7%左右,且隨著鋰電池市場的持續(xù)擴大,今后一段時期內(nèi)壓延銅箔在這一領(lǐng)域的市場比例有望得到進一步提高。日本壓延銅箔在鋰離子電池上的應(yīng)用已逐步增長。隨著汽車工業(yè)對鋰電池的要求日益增高,以及未來壓延銅箔生產(chǎn)成本的降低,壓延銅箔在鋰離子電池中的應(yīng)用將快速增長。

3.3PCB用壓延銅箔

壓延銅箔也有小部分直接供給PCB廠家,用于制造多層FPC和剛性PCB等,且在高頻電路的PCB、音頻性要求高的PCB、需要特殊銅合金導(dǎo)電層的PCB等在今后的應(yīng)用也將擴大。目前,多層FPC和剛性PCB用壓延銅箔的應(yīng)用約占銅箔市場的10%左右[6]。見圖3。

圖3　壓延銅箔應(yīng)用市場構(gòu)成

4　結(jié)論

1)壓延銅箔生產(chǎn)對設(shè)備要求高,技術(shù)復(fù)雜,體現(xiàn)在軋制工藝技術(shù)、表面處理技術(shù)、結(jié)晶組織精確控制技術(shù)以及銅箔表面保護技術(shù),并且對車間生產(chǎn)環(huán)境要求特別高；

2)全球生產(chǎn)高精壓延電子銅箔的廠商只有國外少數(shù)幾家,從而導(dǎo)致高精壓延銅箔生產(chǎn)技術(shù)、市場和價格均掌握這幾家廠商手中,迫使我國部分企業(yè)在某些情況下使用電解沉積銅箔替代高精壓延電子銅箔。國內(nèi)FPC用高精壓延電子銅箔主要依賴國外進口,且進口產(chǎn)品價格較高；國內(nèi)不少企業(yè)開始爭相建廠,將逐漸形成壓延銅箔產(chǎn)業(yè)。

3)電子裝置和設(shè)備的輕、薄、短小化和高性能化、高頻信號傳輸?shù)陌l(fā)展和應(yīng)用以及鋰電池行業(yè)的迅速增長決定了壓延銅箔的需求量將穩(wěn)步提高,在高端應(yīng)用領(lǐng)域,將成為電解銅箔的有力競爭對手。

[1]蔡積慶.FPC用壓延銅箔[J].印刷電路信息,2008(5)：29-33.

[2]金榮濤.壓延銅箔制備技術(shù)分析[J].上海有色金屬,2013,35(2):86-91.

[3]王 斌.壓延銅箔表面處理工藝的初步研究[J].銅業(yè)工程,2013,122 (4):16-18.

[4]朱航飛.壓延銅箔生產(chǎn)現(xiàn)狀介紹與分析[J].有色金屬加工,2014,43 (4):4-6.

[5]冷大光.PCB用銅箔及其在我國的發(fā)展[C]//第二屆中國(銅陵)銅基新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇論文集.銅陵：銅陵出版社,2014：283-298.

[6]趙京松.壓延銅箔的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].有色金屬加工,2012,33 (2):96-99.

Development Status and Market Analysis on Rolled Copper Foil

ZHANG Zhuanli
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

This paper introduces the production process and the key production technology of rolled copper foil,development present situation of domestic and foreign high precision rolling electronic rolled copper foil industry,and analyzes the market demand and development trend from the aspects of application fields of FPC,lithium battery,PBC and other high-end rolled copper foil.

rolled copper foil;flexible printed circuit board(FPC);key technology;market demand

TG306

B

1004-4345(2015)04-0036-04

2014－11－20

張專利(1982—),男,工程師,主要從事有色金屬加工工程設(shè)計工作。