圖 1銅箔母材和不同加工狀態(tài)壓延銅箔ND面的SEM形貌
Figure 1.SEM morphology of copper foil base metal (a) and rolled copper foil on ND surface in different processing states (b–c): (b) cold-rolled state and (c) annealed state
0. 引言
壓延銅箔作為關鍵信號傳輸介質,在電子工業(yè)、柔性印刷電路板、鋰離子電池、人工智能和航空航天等領域得到了廣泛的應用[1-5]。合格的壓延銅箔厚度應不大于100μm,并且表面光滑,無氣孔、皺褶或劃痕等缺陷。壓延銅箔常采用軋制工藝制備,在軋制過程中會不可避免地產生殘余應力。殘余應力的存在會對壓延銅箔的延展性、疲勞強度以及疲勞壽命產生影響,導致后續(xù)加工時出現(xiàn)翹曲、變形或者開裂等問題,影響其質量和使用性能[6]。軋制后的銅箔需要進行退火處理,以消除應力[7-11]。已有研究[12-14]表明：對純銅進行足夠高的預變形（96%的應變）并在低退火溫度下保持合適的退火時間,可以使其拉伸性能和電學性能之間實現(xiàn)良好的平衡；12μm厚壓延銅箔在經過180℃保溫60min的熱處理后,斷后伸長率和導電率同時達到最大。
35μm厚壓延銅箔具有較低的生產成本和較高的成品率,在成本敏感的電子領域中具有明顯的競爭優(yōu)勢,但有關35μm厚壓延銅箔研究的文獻報道較少。作者將150μm厚銅箔冷軋至35μm厚并進行退火處理,研究了軋制和退火過程中顯微組織、殘余應力以及力學性能的變化,擬為35μm厚壓延銅箔的制備及應用提供試驗參考。
1. 試樣制備與試驗方法
銅箔母材由山西北銅新材料科技有限公司提供,厚度為150μm,化學成分（質量分數/%）為0.01273O,0.00101Ag,0.00053Fe,0.00062S,0.00109P,余Cu。將銅箔母材在X-MILL型六輥可逆精軋機上進行4道次冷軋,得到35μm厚壓延銅箔,軋制壓力為40~60t,軋制速度為650m·min−1,箔卷開合卷張力為20~30kN。將軋制后的壓延銅箔用有機溶劑（C10H22）清洗,去除表面附著的油脂、污垢和其他雜質后,置于溫度為180℃的鐘罩式光亮退火爐中,保溫1h退火,爐冷。
在銅箔母材、軋制態(tài)壓延銅箔、退火態(tài)壓延銅箔上取樣,經鑲嵌、預磨和拋光后,使用5g FeCl3+10mL HCl+100mL H2O的混合溶液腐蝕20~30s,以使晶界顯現(xiàn),采用JSM-IT510型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察ND面（ND為軋制面的法向）微觀形貌,采用Image Pro Plus 6.0軟件統(tǒng)計不同晶粒的數量和尺寸。采用SmartLab型X射線衍射分析儀（XRD）、sin2ψ法進行表面殘余應力檢測,采用銅靶,工作電壓為40kV,工作電流為35mA,掃描范圍為0°~100°,掃描速率為4（°）·min−1,波長為0.154nm。采用HMAS-D1000SMZ型數顯維氏硬度計進行硬度測試,載荷0.25N,保載時間10s,在試樣中心測7個點,去除偏差較大的2組數據后取平均值。在銅箔上取若干全厚度試樣進行折彎和拉伸試驗,試樣長度和寬度均分別為150,12.5mm,折彎試樣的長度方向與軋制方向平行,拉伸試樣的長度方向平行于軋制方向。采用HT-8636A型耐折性試驗機對試樣進行耐折彎疲勞壽命測試,將試樣從中間對折,用上下壓頭固定兩邊后,施加4.9N載荷進行折彎,折彎半徑為25mm,折彎角度為135°。將試樣發(fā)生疲勞破壞時的循環(huán)次數記為耐彎折疲勞壽命,測5個平行試樣取平均值。采用EZ-LX1KN型萬能試驗機進行室溫拉伸試驗,拉伸速度為0.2mm·min−1,測5個平行試樣取平均值。采用SJ-210型表面粗糙度測量儀測試RD面（RD為軋制方向）和TD面（TD為軋板橫向）的表面粗糙度,利用高精度探針探測表面的微小起伏,從而量化粗糙程度,測5組,去除偏差較大的2組數據后取平均值。
2. 試驗結果與討論
2.1 顯微組織
由圖1可知：銅箔母材的晶粒尺寸較大且分布較均勻,小尺寸晶粒較少,晶粒方向隨機,無明顯規(guī)律性；冷軋后壓延銅箔的晶粒尺寸顯著減小,晶粒沿軋制方向被拉長,長條形晶粒偏多,晶粒的寬度被限制在1~15μm,長度有的可達30~40μm；退火態(tài)壓延銅箔相比軋制態(tài)晶粒尺寸又有所增加,仍存在少數長條形晶粒,但出現(xiàn)了大量無方向性的大尺寸晶粒。
由圖2可知：銅箔母材的晶粒尺寸在0~35μm內,其中尺寸在11~15μm內的晶粒較多,在3~10μm內的晶粒較少,并且還存在極少數大尺寸晶粒；軋制態(tài)壓延銅箔晶粒尺寸分布在0~28μm內,其中尺寸在3~8μm內的晶粒極多；退火態(tài)壓延銅箔晶粒尺寸分布在0~29μm內,其中尺寸在6~10μm內的晶粒較多,同時還存在一些尺寸在15~29μm的較大晶粒。銅箔母材以及軋制態(tài)和退火態(tài)壓延銅箔的平均晶粒尺寸分別為（13.7±1.75）,（5.7±1.34）,（9.4±1.15）μm。
圖 2銅箔母材和不同加工狀態(tài)壓延銅箔的晶粒尺寸分布
Figure 2.Grain size distribution of copper foil base metal (a) and rolled copper foil in different processing states (b–c): (b) cold-rolled state and (c) annealed state
在軋制過程中,在高應變速率和高應力的作用下,銅箔原有的大晶粒經歷斷裂、拉伸和扭曲過程,同時在晶界的阻礙作用下,晶粒逐漸分解,形成更多且更小的晶粒。由于外力的作用,晶粒還會發(fā)生位移和旋轉,其取向更趨向于與外力作用方向一致。在隨后的退火處理過程中,銅箔獲得足夠的能量使得其原子得以重新排列和遷移,晶粒經歷再結晶過程并重新長大,但受到原始厚度和退火條件的限制,晶粒尺寸不會無限增大。退火過程中的再結晶過程還會打破晶粒原有的定向排列結構,使得晶粒取向趨于隨機分布[15-17]。
由圖3和圖4可見：銅箔母材的織構強度FMax為14.203,以退火織構為主,Cube織構〈001〉占比最大,為53％,Copper織構〈1
圖 3銅箔母材和不同加工狀態(tài)壓延銅箔的取向分布函數圖
Figure 3.Orientation distribution function plot of copper foil base metal (a) and rolled copper foil in different processing states (b–c): (b) rolled state and (c) annealed state
圖 4銅箔母材和不同加工狀態(tài)壓延銅箔中不同織構的占比
Figure 4.Proportion of different textures of copper foil base metal and rolled copper foil in different processing states
2.2 力學性能
銅箔母材以及軋制態(tài)和退火態(tài)壓延銅箔的表面殘余應力分別為218.21,543.02,237.47MPa。冷軋后壓延銅箔的表面殘余應力顯著增加,退火處理后雖下降但仍高于冷軋前。在軋制過程中,連續(xù)的擠壓和拉伸作用力使得銅箔的晶粒尺寸減小,大量形變織構產生,晶格結構畸變,晶格錯配和形狀不匹配,導致晶界處應力累積；同時大量的位錯在晶體中運動、傳播,與其他缺陷相互作用,形成復雜的位錯網絡,阻礙晶粒之間的相對運動和應力傳遞,導致應力累積,因此,冷軋后壓延銅箔表面殘余應力增大。在隨后退火處理過程中銅箔內部原子獲得能量,克服相鄰原子間的勢壘而發(fā)生擴散。原子的擴散會使由軋制引起的原子不均勻分布導致的應力集中降低,同時也使晶格錯配降低,部分晶粒發(fā)生重新排列,形變織構向退火織構轉變,原本集中的應力得到釋放,新的晶格排列結構和再結晶形成的新晶界能更均勻地分配應力[18],因此退火態(tài)壓延銅箔的表面殘余應力相比軋制態(tài)降低。
銅箔母材以及軋制態(tài)和退火態(tài)壓延銅箔的硬度分別為42,135,58HV?？梢妼~箔從150μm厚軋制到35μm厚后,其硬度急劇增加,經過退火處理后,其硬度顯著降低但仍高于銅箔母材。在軋制過程中,銅箔經歷了強烈的塑性變形,表面殘余應力急劇增加,使得受到外力作用時銅箔很難發(fā)生變形,同時軋制過程中的壓力和剪切力作用會使晶粒發(fā)生破碎和細化,單位體積內晶界的數量增加,對位錯運動的阻礙作用增強,需要更大的外力才能使材料發(fā)生變形,因此硬度急劇增加。在隨后退火處理過程中,銅箔發(fā)生再結晶,晶粒重新排列形成新的晶粒,從而消除或降低了軋制時產生的畸變,軋制過程中產生的殘余應力降低,同時晶粒長大使得晶界數量減少,晶界對位錯運動的阻礙作用降低,因此退火態(tài)壓延銅箔硬度相比于軋制態(tài)降低。較薄厚度下材料的表面積與體積之比（即比表面積）較大,表面能較大,在受到外力作用時相比于較厚材料更難發(fā)生變形,因此35μm厚退火態(tài)壓延銅箔的硬度與150μm厚銅箔母材相比增加了約38％。
銅箔母材以及軋制態(tài)和退火態(tài)壓延銅箔的平均耐彎折疲勞壽命分別為7,15,33次?？梢妼?50μm厚銅箔冷軋至35μm厚度后,其平均耐彎折疲勞壽命顯著延長,再經退火處理后再次延長。冷軋?zhí)幚砗笃骄蛷澱燮趬勖难娱L主要歸因于3個因素：首先,減薄效應使得銅箔的比表面積顯著增大,材料的尺寸比例改變,使應力分布更加均勻,從而降低了彎折過程中裂紋或斷裂發(fā)生的概率；其次,軋制使得壓延銅箔的晶粒逐漸細化,細小的晶粒更易變形,能更均勻地分布應力,減少了晶粒間的局部應力集中,使得裂紋萌生的臨界值提高；最后,軋制使得銅箔的晶粒在厚度方向逐漸減薄,相同厚度內晶界數量逐漸增加,對位錯滑移的阻礙作用增強,從而抑制了裂紋擴展[19]。與軋制態(tài)壓延銅箔相比,退火態(tài)壓延銅箔的平均耐彎折疲勞壽命的延長則可歸因于以下3個因素：一是退火處理減小了軋制過程中銅箔內部積累的殘余應力,從而降低了應力集中,提升了材料的耐久性和抗變形能力；二是退火導致的再結晶減少了材料內部的位錯和缺陷,使得銅箔的微觀結構更加均勻和穩(wěn)定,從而有助于材料在彎折過程中的均勻變形,降低裂紋產生的風險；三是退火使得Cube織構增加,晶粒尺寸增大,裂紋萌生的臨界值增大,從而進一步延長了平均耐彎折疲勞壽命[20]。
由圖5可知,軋制態(tài)壓延銅箔的斷后伸長率從銅箔母材的39％斷崖式下降至1.19％,抗拉強度由銅箔母材的247MPa增至442MPa。軋制過程是一個劇烈的塑性變形過程,在此過程中銅箔在高壓力和高應變速率作用下的變形率高達76％。在高變形條件下,銅箔內部晶粒產生大量位錯和晶格畸變,導致晶粒的細化和晶界密度增加,位錯運動受到的阻礙增加,從而顯著提升了銅箔的硬度和強度。但劇烈的塑性變形也會導致銅箔的塑性降低。由圖5還可知,經過退火處理之后,斷后伸長率從1.19％回復至10.01％,抗拉強度從442MPa下降為179MPa。在退火過程中,銅箔內部部分原子重新排列,殘余應力和冷加工硬化減弱,銅箔部分恢復塑性變形能力；同時銅箔發(fā)生再結晶,減少了軋制過程中產生的位錯和晶格畸變,使銅箔內部的微觀結構更加均勻和穩(wěn)定。因此,銅箔的塑性變形能力和斷后伸長率提高,抗拉強度則降低。
圖 5銅箔母材和不同加工狀態(tài)壓延銅箔沿軋制方向的拉伸性能
Figure 5.Tensile properties of copper foil base metal and rolled copper foil in different processing states along rolling direction
2.3 表面粗糙度
由圖6可知,銅箔母材以及軋制態(tài)和退火態(tài)壓延銅箔RD面的表面粗糙度接近,約為0.065μm,TD面的表面粗糙度變化明顯,分別為0.199,0.059,0.068μm。在冷軋過程中,銅箔受到高壓力作用發(fā)生強烈的塑性變形,RD面變得光滑,同時細化的晶粒能夠填補表面的微觀缺陷,TD面的表面粗糙度同樣降低。在隨后退火處理過程中,銅箔內部發(fā)生再結晶,晶粒逐漸長大,并且內部殘余應力逐漸釋放,導致材料表面發(fā)生微小的變形或起伏,進而使TD面的表面粗糙度升高[21]。
圖 6銅箔母材和不同加工狀態(tài)壓延銅箔RD面和TD面的表面粗糙度
Figure 6.Surface roughness of copper foil base metal and rolled copper foil in different processing states on RD surface and TD surface
3. 結論
（1）經過冷軋?zhí)幚砗?壓延銅箔的晶粒顯著細化,沿軋制方向拉長,平均晶粒尺寸減小至5.7μm,織構以形變織構為主,Copper織構{121}〈1
（2）經過冷軋?zhí)幚砗?由于晶粒細化、晶格錯配和形變織構的轉變,壓延銅箔的表面殘余應力從銅箔母材的218.21MPa增加至543.02MPa。退火處理后,晶粒發(fā)生回復再結晶,表面殘余應力又下降至237.47MPa。
（3）經過冷軋?zhí)幚砗?壓延銅箔的硬度從銅箔母材的42HV增加到135HV,平均耐彎折疲勞壽命由7次翻倍至15次,耐彎折性能和抗拉強度顯著提高,斷后伸長率大幅下降,RD面的表面粗糙度基本不變,TD面的表面粗糙度大幅減小。退火處理后,壓延銅箔的硬度又降至58HV,平均耐彎折疲勞壽命增加為33次,耐彎折性能進一步提升,抗拉強度降低,斷后伸長率有所提高,RD面的表面粗糙度基本不變,TD面的表面粗糙度略有增加。
文章來源——材料與測試網