楊 勇，王佳欣，王 斌，姚宇蘢

(1.廣東技術(shù)師范大學(xué)機(jī)電學(xué)院，廣州 510635；2.廣州長(zhǎng)仁工業(yè)科技有限公司，廣州 511356)

0 引 言

隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，印制電路板向著結(jié)構(gòu)更加繁雜、工藝更加多樣化的方向發(fā)展。銅作為電鍍陽(yáng)極，是印刷電路板生產(chǎn)的重要原料，在銅中添加磷元素可以有效改善其鑄造組織及性能，其中磷含量是保證陽(yáng)極磷銅材料質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，且磷銅的質(zhì)量與磷膜的生成速率相關(guān)。在銅中加入磷，還可有效避免陽(yáng)極溶解過(guò)快，使得陽(yáng)極溶解過(guò)程中產(chǎn)生的泥渣較少。較高的磷含量會(huì)加速銅表面磷銅膜(Cu3P膜)的形成，而磷銅膜具有導(dǎo)電性能，可加快銅的氧化[1]。目前，常用的電鍍陽(yáng)極磷銅材料的形狀包括球狀、柱狀、角狀等。在角狀和柱狀磷銅的生產(chǎn)中采用的是先擠壓或澆鑄銅棒，再切斷的工藝流程；該工藝比較簡(jiǎn)單，但是該工藝生產(chǎn)的磷銅會(huì)存在銳利邊和毛刺，在陽(yáng)極籃中極易產(chǎn)生搭橋現(xiàn)象，影響電鍍效果[2]。多層高密度互連積層板基于印制電路技術(shù)與厚膜制備技術(shù)制成，屬于精密電路板的一種。在使用微盲埋孔技術(shù)使線路分布密集化的過(guò)程中，陽(yáng)極磷銅球的需求量較大[3]。

磷銅球的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝為連鑄→鍛造→拋光，該工藝耗能高，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)的產(chǎn)品表面比較粗糙[4]。目前，磷銅球的典型生產(chǎn)工藝包括冷鐓和軋制工藝。其中：冷鐓工藝是在常溫下對(duì)金屬施加壓力使其在預(yù)定模具內(nèi)成形的加工工藝，該工藝易使磷銅球出現(xiàn)冷作硬化現(xiàn)象，且會(huì)在磷銅球表面覆蓋一層少量的加工油并產(chǎn)生環(huán)帶；軋制是一種高效、綠色的近凈成形技術(shù)，目前主要采用偏斜軋制工藝[5]，該工藝又稱為螺旋揉搓滾壓工藝，但該工藝會(huì)破壞磷銅球表層組織使表面生成氧化物，對(duì)磷銅球的純度產(chǎn)生影響，且后期用到的冷卻乳化液會(huì)污染環(huán)境[2,6]。趙長(zhǎng)忠等[7]在冷鐓工藝基礎(chǔ)上優(yōu)化得到一種較新的改進(jìn)型磷銅球生產(chǎn)工藝——鐓制工藝，與冷鐓工藝相比，采用該工藝生產(chǎn)的磷銅球不會(huì)出現(xiàn)冷作硬化現(xiàn)象。磷銅球的生產(chǎn)工藝直接影響新一代高端電子技術(shù)產(chǎn)品的供應(yīng)和性能。電鍍陽(yáng)極磷銅球在具有均勻致密顯微組織的前提下，應(yīng)嚴(yán)格強(qiáng)化晶粒的細(xì)化程度，抑制粗大晶粒的產(chǎn)生。目前，已有的研究側(cè)重于單一生產(chǎn)工藝對(duì)磷銅球質(zhì)量、環(huán)保、節(jié)能以及導(dǎo)電性能、力學(xué)性能等影響方面[8]，但是鮮見(jiàn)有關(guān)磷銅球不同生產(chǎn)工藝的對(duì)比研究。為了對(duì)不同工藝生產(chǎn)的磷銅球質(zhì)量和性能進(jìn)行對(duì)比，作者以直徑25 mm的磷銅球?yàn)閷?duì)象，研究了目前主要采用的軋制與鐓制生產(chǎn)工藝對(duì)其顯微組織、硬度及生產(chǎn)結(jié)束時(shí)表面溫度的影響，以期為改進(jìn)磷銅球生產(chǎn)工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)磷銅球制造質(zhì)量與成本的最優(yōu)化提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為某公司在軋制與鐓制2種不同工藝下生產(chǎn)的直徑25 mm的磷銅球，其化學(xué)成分如表1[9]所示，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 20302-2006和CPCA 4305-2005。磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.040%～0.065%，防止對(duì)電鍍液以及環(huán)境造成污染，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于 0.002%，以在脫氧完全的條件下確保鍍銅液的純凈[10]。軋制工藝采用HY-zq型磷銅球軋球機(jī)，工藝參數(shù)為軋球機(jī)功率35 kW，轉(zhuǎn)速1 500 r·min-1，最大軋制力98 kN，力矩9 800 N·m，軋制溫度1 050～1 200 ℃，軋輥直徑250 mm，切斷缸徑150 mm，壓力8 MPa。鐓制工藝采用GZCR-CQ25型高速鐓球機(jī)，工藝參數(shù)為棒料最大直徑12 mm，銅球最大直徑26 mm，電動(dòng)機(jī)功率15 kW，轉(zhuǎn)速725 r·min-1，鐓鍛滑塊行程146 mm，鐓制直徑350 mm，壓力6 MPa。

表1 磷銅球的化學(xué)成分

用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量磷銅球的尺寸。在軋制和鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球上沿軋制方向截取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光，用由30 mL鹽酸、0.01 kg氯化高鐵、120 mL水組成的溶液腐蝕后，采用DMI5000M型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。在磷銅球生產(chǎn)成形后，分別在接近出口槽與遠(yuǎn)離出口槽的位置利用PC10+型非制冷焦平面熱像儀對(duì)磷銅球表面溫度進(jìn)行紅外掃描測(cè)量。用HR-150A型洛氏硬度計(jì)測(cè)磷銅球的表面硬度和心部(靠近中心點(diǎn)的一圈)硬度，其中在表面等距離測(cè)4個(gè)點(diǎn)，心部等距離測(cè)3個(gè)點(diǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌

測(cè)得2種工藝生產(chǎn)磷銅球的直徑為25 mm。由圖1可以看出：軋制工藝生產(chǎn)的磷銅球表面比較粗糙，這與軋制過(guò)程中的滾壓時(shí)間短有關(guān)；鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球表面較光滑，但是存在明顯的鐓制邊界，即在半球附近存在明顯的環(huán)帶，且存在兩極。

圖1 軋制與鐓制工藝生產(chǎn)磷銅球產(chǎn)品的外觀

2.2 顯微組織

由圖2可見(jiàn)，軋制工藝生產(chǎn)的磷銅球組織由α相與β相組成，晶界不明顯，存在少量纖維狀組織，晶粒尺寸不均勻且比較粗大，柱狀晶較多，β相呈帶狀分布，晶粒因受到擠壓而沿不同方向有拉長(zhǎng)的趨勢(shì)，并出現(xiàn)滑移帶[11]，這是由于磷銅棒在螺旋槽滾動(dòng)下在直徑方向被壓縮，長(zhǎng)度方向被拉長(zhǎng)，在軋制力作用下晶粒產(chǎn)生了不規(guī)則變形，并在應(yīng)力最大處形成了滑移帶。黑色組織為含磷量較高的α相，α相分布不均勻，說(shuō)明磷分布不均勻。

圖2 軋制工藝生產(chǎn)磷銅球的顯微組織

由圖3可知：鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球晶界清晰，晶粒主要為等軸晶，相比于軋制工藝組織中柱狀晶較少，晶粒密集分布，晶界清晰；黑色含磷量較高的α相分布均勻，說(shuō)明磷元素分布均勻；β相與α相相間分布[12]，這說(shuō)明在鐓制過(guò)程中材料的流向呈規(guī)律性變化，即先向兩半球模具方向流動(dòng)，再向兩極(球體的末端)流動(dòng)?？梢?jiàn)鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球的成形質(zhì)量較好。

圖3 鐓制工藝生產(chǎn)磷銅球的顯微組織

2.3 生產(chǎn)結(jié)束時(shí)的表面溫度

由圖4可以看出，采用鐓制工藝生產(chǎn)結(jié)束時(shí)遠(yuǎn)離與接近出口槽處磷銅球的表面最高溫度較低，約為41 ℃，接近室溫，而在軋制工藝下遠(yuǎn)離與接近出口槽處表面最高溫度高于60 ℃，這與2種工藝的冷卻方式有關(guān)。軋制工藝的冷卻方式為渦流式乳化液冷卻，鐓制工藝的冷卻方式為液壓方式下的水霧化冷卻，水霧化冷卻方式增大了冷卻接觸面積，冷卻速率更快。磷銅球較低的表面溫度可有效避免表面發(fā)生氧化，可知鐓制工藝更適合磷銅球的生產(chǎn)。

圖4 鐓制與軋制工藝生產(chǎn)磷銅球結(jié)束時(shí)不同位置的表面溫度

2.4 硬 度

由圖5可以看出:在相同工藝下，磷銅球表面硬度比心部硬度高，說(shuō)明在變形過(guò)程中心部的加工硬化程度較低;在軋制工藝下表面的硬度波動(dòng)較大，說(shuō)明軋制過(guò)程中磷銅球中成分的不均勻程度較高。鐓制工藝生產(chǎn)磷銅球的心部硬度明顯比軋制工藝生產(chǎn)的磷銅球高，這與鐓制工藝使磷銅球組織細(xì)化且元素分布較均勻有關(guān)。在鐓制過(guò)程中磷銅球內(nèi)部組織因壓實(shí)致密而得到強(qiáng)化，因此整體硬度較高。

圖5 不同工藝生產(chǎn)磷銅球的表面硬度和心部硬度

2.5 鐓制和軋制工藝的對(duì)比

若磷銅球中加入磷的含量過(guò)低，則在電鍍過(guò)程中其表面產(chǎn)生的磷銅膜太薄,電鍍后的產(chǎn)品表面粗糙,若磷含量過(guò)高，則會(huì)導(dǎo)致磷銅膜太厚，減弱電鍍效果。所生產(chǎn)的磷銅球嚴(yán)格按照表1所示的元素成分進(jìn)行配制，可生產(chǎn)出具有較好的物理性能、力學(xué)性能及工藝性能的磷銅球。在軋制過(guò)程中不能及時(shí)冷卻，則會(huì)造成磷銅球表面過(guò)熱而氧化變色，影響尺寸精度，且表面較粗糙，后續(xù)需要對(duì)磷銅球清洗；同時(shí)對(duì)于軋制過(guò)程中產(chǎn)生的乳化液、加工油等雜質(zhì)，需要用雙氧水和硫酸來(lái)處理，增大了工作量，且對(duì)環(huán)境有污染。鐓制工藝可以很好地控制加工過(guò)程中的溫度，采用該工藝制備的磷銅球表面更加光滑。對(duì)于同一種原材料，與軋制工藝相比，鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球組織更細(xì)小，成分分布更均勻，硬度更高，這與不同工藝下，原材料受到的力作用方向、大小及作用效果有關(guān)。在軋制工藝下，磷銅棒受到來(lái)自螺旋槽的滾子軸揉搓滾壓及軋制輥的二向壓應(yīng)力/一向拉應(yīng)力；而在鐓制工藝下，磷銅棒受到滑動(dòng)板上的動(dòng)模機(jī)構(gòu)處的半圓形腔及靜模機(jī)構(gòu)的半圓形腔的合模以及切斷推送機(jī)構(gòu)一起構(gòu)成的三向壓應(yīng)力[10,13-14]。軋制工藝生產(chǎn)磷銅球表面半球附近存在明顯的環(huán)帶，且存在兩極。球坯成形是過(guò)程性的，在球坯材料接近模具底部時(shí)，變形抗力的徑向分力變小，導(dǎo)致材料很難自由向兩端流動(dòng)，但是整體變形抗力仍然在不斷增大，使得材料只能向模具接觸的方向流動(dòng)，以致形成環(huán)帶；磷銅球在形成環(huán)帶后，模具合模處的變形抗力繼續(xù)變大且超出兩端處的變形抗力，在軸向分力的作用下，兩端中心處的材料受擠壓向兩極流動(dòng)[6，15]。與軋制工藝相比，鐓制工藝在強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力作用下，制備得到磷銅球組織中晶界更明顯，晶粒細(xì)化，晶粒分布更緊密，晶粒主要為等軸晶，柱狀晶數(shù)量明顯減少，鐓制力對(duì)晶粒拉長(zhǎng)的程度較小。

3 結(jié) 論

(1)與軋制工藝相比，鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球表面更光滑，晶粒明顯細(xì)化，晶界清晰，元素分布均勻，晶粒分布緊密，晶粒主要為等軸晶，柱狀晶數(shù)量明顯減少。

(2)采用鐓制工藝成形后，接近與遠(yuǎn)離出口槽處磷銅球的表面最高溫度均低于軋制工藝；鐓制工藝生產(chǎn)磷銅球的心部硬度明顯比軋制工藝生產(chǎn)的磷銅球高，且表面的硬度波動(dòng)較小。相比軋制工藝，采用鐓制工藝生產(chǎn)的磷銅球具有質(zhì)量好、環(huán)保、耗能低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。