吳芬，楊?yuàn)L勝

(1.南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化系，江蘇南京211135；2.南京順捷機(jī)械設(shè)備有限公司，江蘇南京211111)

0 概述

自1955年Yates商業(yè)化電解銅箔以來(lái)，其生產(chǎn)工藝基本沒(méi)有改變，一直都采用“下進(jìn)液、上溢流”的生產(chǎn)方式。具體的生產(chǎn)工藝如下:將表面粗糙度Ra≤0.25um的陰極輥軸線以下浸泡在含銅量70～110g/L、含酸量80～130g/L、溫度40～65℃之間的硫酸銅溶液的陽(yáng)極槽中，并在陰極輥和陽(yáng)極支承之間通入電流。根據(jù)電鍍?cè)?，陰極輥在流動(dòng)的硫酸銅溶液浸泡部分表面會(huì)鍍上銅晶粒，在電流一定的情況下陰極輥表面所鍍銅箔的厚度取決于陰極輥在硫酸銅溶液中電鍍時(shí)間，通過(guò)改變陰極輥在硫酸銅溶液中的轉(zhuǎn)速也可以改變陰極輥表面所鍍銅箔的厚度，因此，隨著陰極輥的轉(zhuǎn)動(dòng)可以得到不同厚度的銅箔，鍍?cè)陉帢O輥表面的銅箔會(huì)被揭下，以便進(jìn)行連續(xù)不斷的電鍍。

通常將銅箔貼于陰極輥表面的一側(cè)稱為光面，將鍍層面稱為毛面，由于電鍍過(guò)程中的極化作用，在銅箔的毛面會(huì)產(chǎn)生像山峰一樣不規(guī)則的銅晶粒。銅箔越厚，其毛面的銅晶粒就越大，表面粗糙度也越大。傳統(tǒng)生產(chǎn)中，是通過(guò)加入明膠或改性明膠、硫脲等添加劑來(lái)控制毛面的粗糙度Ra，以保證銅箔的品質(zhì)，它對(duì)于陽(yáng)極槽中的流體力學(xué)問(wèn)題沒(méi)有良好的解決方案。

下進(jìn)液的方式存著著一些弊端。首先，下進(jìn)液會(huì)在進(jìn)液口附近產(chǎn)生很大的亂流，它的雷諾數(shù)遠(yuǎn)超過(guò)2 000，這是造成銅箔厚薄不均的主要原因。傳統(tǒng)的設(shè)備是靠進(jìn)液閥門及屏蔽板來(lái)調(diào)節(jié)銅箔厚度，這種調(diào)節(jié)是暫時(shí)的，非常不穩(wěn)定，每一、兩天就得調(diào)整一次。屏蔽板的費(fèi)用很高，但只能用一到兩次，對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題。其次，在開放式下進(jìn)液中，電解液是一次電解液和二次電解液的混合液，其中，一次電解液是硫酸銅原液，二次電解液是經(jīng)陽(yáng)極槽流出的硫酸銅電解液，一次電解液與二次電解液的含量比值＞0.5?；亓鞯饺茔~系統(tǒng)的電解液是二次電解液，濃度較低，在液面累積了很多氣泡，與一次電解液合并后，再次從陽(yáng)極槽底端流入，將不利于晶核的生成，也是造成銅箔翹曲及針孔的一大因素。

1 傳統(tǒng)設(shè)備的工作原理及其存在的問(wèn)題

目前，電解銅箔的生產(chǎn)已經(jīng)淘汰了不環(huán)保、容易侵蝕的鉛陽(yáng)極，改用表面設(shè)有導(dǎo)電涂覆層的鈦銥陽(yáng)極，但其生產(chǎn)工藝仍是電解液從陽(yáng)極槽的底端流入，從陽(yáng)極槽的上端口流出，然后回流到溶銅系統(tǒng)。這種“下進(jìn)液、上溢流”的傳輸方式，使電解液流量在陰極輥表面形成的流速始終低于0.5m/s，形成的銅箔結(jié)晶是柱狀的結(jié)構(gòu)，雖然用光亮添加劑可以改變常溫下的結(jié)晶結(jié)構(gòu)及物性，但在高溫下很不穩(wěn)定，抗拉強(qiáng)度衰減很大，也容易產(chǎn)生針孔及翹曲。若電解液流量在陰極輥表面形成的流速＞0.5m/s，將會(huì)對(duì)銅箔表面品質(zhì)、氧化程度和銅箔晶粒的致密度產(chǎn)生很大的影響。由于在電解液中加入了大量添加劑，當(dāng)電解液回流到溶銅系統(tǒng)時(shí)，為提高電解液的品質(zhì)，需要濾掉上述添加劑，通過(guò)多套過(guò)濾設(shè)備才完成。

由于電解液是自下向上流動(dòng)的，電解液中的銅離子被電鍍到陰極輥的過(guò)程中會(huì)析出氧氣，產(chǎn)生大量氣泡，氣泡被電解液從陽(yáng)極槽的上端口帶出，形成的硫酸煙氣會(huì)氧化剛從陰極輥上揭下的銅箔表面，會(huì)影響電鍍的效果，對(duì)操作人員也是很大的損害。因此，必須在陽(yáng)極槽口設(shè)置大排量的抽風(fēng)口來(lái)解決這一問(wèn)題。這使得傳統(tǒng)銅箔生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝增多，控制難度大。

2 新型設(shè)備的結(jié)構(gòu)與原理

本公司新開發(fā)的上進(jìn)液式銅箔一體機(jī)設(shè)備，將傳統(tǒng)的陽(yáng)極槽中的電解液由下而上的流動(dòng)，改為由上而下的流動(dòng)，以提高流動(dòng)速度和平穩(wěn)性，使銅箔品質(zhì)得到明顯提高。

2.1 上進(jìn)液結(jié)構(gòu)組成

設(shè)備主要包括由陰極輥、陽(yáng)極槽、電解液輸送裝置、電解液回流接收裝置，陰極輥在陽(yáng)極槽中轉(zhuǎn)動(dòng)，陽(yáng)極槽設(shè)有電解液流入端口和電解液流出端口。其中，電解液輸送裝置與陽(yáng)極槽的電解液流入端口連通，電解液流出端口與電解液回流接收裝置連通，電解液回流接收裝置與陽(yáng)極槽電解液流入端口之間通過(guò)一個(gè)電解液補(bǔ)充裝置連通，電解液補(bǔ)充泵與陽(yáng)極槽電解液流入端口之間連通的管路中設(shè)置有電解液回流流量調(diào)節(jié)閥。電解液輸送通路中設(shè)置有位于陽(yáng)極槽上方的高位槽，高位槽通過(guò)管路與陽(yáng)極槽電解液流入端口連通，在高位槽與陽(yáng)極槽電解液流入端口的管路中設(shè)置有流量調(diào)節(jié)閥，使得電解液從上進(jìn)液裝置流出時(shí)產(chǎn)生的氣泡較少且流量可以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。設(shè)備整體示意圖如圖1所示。

圖1 上進(jìn)液式銅箔一體機(jī)整體示意圖

2.2 工作原理與過(guò)程

上進(jìn)液銅箔一體機(jī)設(shè)備中，電解液從陰極輥中心軸兩側(cè)的陽(yáng)極槽上端口流入，從陽(yáng)極槽底端流出，為了減少陽(yáng)極槽內(nèi)的酸氣、改善銅箔表面的氧化程度、粗糙度和銅箔晶粒的致密度，電解液流入時(shí)流速比較快≥0.5m/s，在陰極輥流入兩側(cè)面形成與氣泡走向相反的流速?zèng)_力，當(dāng)銅箔層表面粗糙度大于設(shè)定值時(shí)，提高電解液的流速；當(dāng)銅箔層表面粗糙度小于設(shè)定值時(shí)，降低電解液的流速?？梢酝ㄟ^(guò)改變電解液的輸送方向來(lái)減少電解液中氣泡的產(chǎn)生和提高電解液的流速，實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極輥表面剝下的銅箔的氧化程度和銅箔晶粒的致密度進(jìn)行控制，并通過(guò)控制電解液在陰極輥表面的流速來(lái)控制銅箔表面的粗糙度。

2.3 新型設(shè)備的特點(diǎn)與效果

電子行業(yè)對(duì)銅箔的均厚有很高的要求，因此在生產(chǎn)電解銅箔時(shí)，對(duì)銅箔均厚的控制就顯得尤為重要。上進(jìn)液式銅箔一體機(jī)設(shè)備，通過(guò)在陽(yáng)極槽電解液流入端口設(shè)置調(diào)節(jié)裝置來(lái)控制銅箔均厚，如圖2所示。具體是在陽(yáng)極槽電解液流入端口設(shè)有均勻分布的矩形板13，其與螺桿、螺母、導(dǎo)軌一起共同組成了進(jìn)液口調(diào)節(jié)裝置。其中，矩形板與螺桿連成一體，螺桿與固定在陽(yáng)極支承上螺母相互轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)矩形板，進(jìn)而準(zhǔn)確調(diào)節(jié)進(jìn)液口不同位置的進(jìn)液量，最終調(diào)節(jié)銅箔橫斷面的均勻厚度。當(dāng)銅箔在一定范圍內(nèi)的平均厚度低于設(shè)定值時(shí)，則提高電解液的流量，當(dāng)銅箔在一定范圍內(nèi)的平均厚度高于設(shè)定值時(shí)，則降低電解液的流量。

圖2 流量調(diào)節(jié)裝置示意圖

3 結(jié)論

與目前市場(chǎng)上其他廠家生產(chǎn)的銅箔設(shè)備相比，本設(shè)備具有突出的優(yōu)點(diǎn):

1)銅箔表面品質(zhì)的控制不再完全依賴添加劑，可以控制電解液在陰極輥表面的較高流速來(lái)控制銅離子的電鍍密度和原箔的表面粗糙度，從傳統(tǒng)的添加劑工藝控制銅箔品質(zhì)到設(shè)備制造精度控制銅箔品質(zhì)，這樣的變革，在銅箔生產(chǎn)歷史上是非常顯著的進(jìn)步。

2)上進(jìn)液式銅箔一體機(jī)設(shè)備，顯著降低了對(duì)過(guò)濾裝置的要求，使設(shè)備比傳統(tǒng)的生箔機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

3)該銅箔一體機(jī)設(shè)備的控制過(guò)程易于操作。

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