杨 勇1,王佳欣1,王 斌1,姚宇茏2

(1.广东技术师范大学机电学院,广州 510635;2.广州长仁工业科技有限公司,广州 511356)

摘 要:对比研究了轧制和镦制2种工艺生产得到直径25mm 磷铜球的显微组织、硬度以及生 产结束时的表面温度。结果表明:与轧制工艺相比,镦制工艺得到磷铜球表面更光滑,晶粒明显细 化,晶界清晰,元素分布均匀,晶粒主要为等轴晶,柱状晶数量较少;采用镦制工艺生产结束时远离 与接近出口槽处磷铜球的表面最高温度均低于轧制工艺;镦制工艺生产磷铜球的心部硬度明显比 轧制工艺制备的磷铜球高,且表面的硬度波动较小。相比轧制工艺,镦制工艺生产的磷铜球具有质 量好、环保、耗能低等技术优势。

关键词:轧制;镦制;磷铜球;显微组织;硬度 中图分类号:TG146.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)08-0053-05

0 引 言

随着5G 通信技术的发展,印制电路板向着结 构更加繁杂、工艺更加多样化的方向发展。铜作为 电镀阳极,是印刷电路板生产的重要原料,在铜中添 加磷元素可以有效改善其铸造组织及性能,其中磷 含量是保证阳极磷铜材料质量的关键指标,且磷铜 的质量与磷膜的生成速率相关。在铜中加入磷,还 可有效避免阳极溶解过快,使得阳极溶解过程中产 生的泥渣较少。较高的磷含量会加速铜表面磷铜膜 (Cu3P膜)的形成,而磷铜膜具有导电性能,可加快 铜的氧化[1]。目前,常用的电镀阳极磷铜材料的形 状包括球状、柱状、角状等。在角状和柱状磷铜的生 产中采用的是先挤压或浇铸铜棒,再切断的工艺流 程;该工艺比较简单,但是该工艺生产的磷铜会存在 锐利边和毛刺,在阳极篮中极易产生搭桥现象,影响 53 杨 勇,等:轧制与镦制工艺生产磷铜球的显微组织和硬度对比 电镀效果[2]。多层高密度互连积层板基于印制电路 技术与厚膜制备技术制成,属于精密电路板的一种。 在使用微盲埋孔技术使线路分布密集化的过程中, 阳极磷铜球的需求量较大[3]。 磷铜球的传统生产工艺为连铸→锻造→抛光, 该工艺耗能高,生产效率低,生产的产品表面比较粗 糙[4]。目前,磷铜球的典型生产工艺包括冷镦和轧 制工艺。其中:冷镦工艺是在常温下对金属施加压 力使其在预定模具内成形的加工工艺,该工艺易使 磷铜球出现冷作硬化现象,且会在磷铜球表面覆盖 一层少量的加工油并产生环带;轧制是一种高效、绿 色的近净成形技术,目前主要采用偏斜轧制工艺[5], 该工艺又称为螺旋揉搓滚压工艺,但该工艺会破坏 磷铜球表层组织使表面生成氧化物,对磷铜球的纯 度产生影 响,且 后 期 用 到 的 冷 却 乳 化 液 会 污 染 环 境[2,6]。赵长忠等[7]在冷镦工艺基础上优化得到一 种较新的改进型磷铜球生产工艺———镦制工艺,与 冷镦工艺相比,采用该工艺生产的磷铜球不会出现 冷作硬化现象。磷铜球的生产工艺直接影响新一代 高端电子技术产品的供应和性能。电镀阳极磷铜球 在具有均匀致密显微组织的前提下,应严格强化晶 粒的细化程度,抑制粗大晶粒的产生。目前,已有的 研究侧重于单一生产工艺对磷铜球质量、环保、节能 以及导电性能、力学性能等影响方面[8],但是鲜见有 关磷铜球不同生产工艺的对比研究。为了对不同工 艺生产的磷铜球质量和性能进行对比,作者以直径 25mm 的磷铜球为对象,研究了目前主要采用的轧 制与镦制生产工艺对其显微组织、硬度及生产结束时 表面温度的影响,以期为改进磷铜球生产工艺技术, 实现磷铜球制造质量与成本的最优化提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为某公司在轧制与镦制2种不同工艺 下生产的直径25mm 的磷铜球,其化学成分如表1 [9] 所示,执行标准为 GB/T20302-2006和CPCA4305- 2005。磷质量分数控制在 0.040% ~0.065%,防止 对电镀液 以 及 环 境 造 成 污 染,硫 质 量 分 数 不 高 于 0.002%,以在脱氧完全的条 件 下 确 保 镀 铜 液 的 纯 净[10]。轧制工艺采用 HY-zq型磷铜球轧球机,工艺 参数为轧球机功率35kW,转速1500r·min -1,最 大轧制力98kN,力矩9800N·m,轧制温度1050~ 1200℃,轧辊直径250mm,切断缸径150mm,压力 8MPa。镦制工艺采用 GZCR-CQ25型高速镦球机, 工 艺 参 数 为 棒 料 最 大 直 径 12mm,铜 球 最 大 直 径 26mm,电动机功率15kW,转速725r·min -1,镦锻 滑块行程146mm,镦制直径350mm,压力6MPa。 表1 磷铜球的化学成分 Table1 Chemicalcompositionofphosphorcopperball % 元素 Cu P Pb Fe Sn Ni Sb As S O 质量分数 ≥99.91 0.040~0.065 ≤0.002 ≤0.0025 ≤0.002 ≤0.002 ≤0.002 ≤0.002 ≤0.002 ≤0.002 用精度为0.02 mm 的游标卡尺测量磷铜球的 尺寸。在轧制和镦制工艺生产的磷铜球上沿轧制方 向截取金相试样,经研磨、抛光,用由30 mL 盐酸、 0.01kg氯化高铁、120mL水组成的溶液腐蚀后,采 用 DMI5000M 型光学显微镜观察显微组织。在磷 铜球生产成形后,分别在接近出口槽与远离出口槽 的位置利用 PC10+型非制冷焦平面热像仪对磷铜 球表面温度进行红外扫描测量。用 HR-150A 型洛 氏硬度计测磷铜球的表面硬度和心部(靠近中心点 的一圈)硬度,其中在表面等距离测4个点,心部等 距离测3个点。 2 试验结果与讨论

2.1 宏观形貌

测得2 种工艺生产磷铜球 的 直 径 为 25 mm。 由图1可以看出:轧制工艺生产的磷铜球表面比较 图1 轧制与镦制工艺生产磷铜球产品的外观 Fig 1 Appearanceofphosphorcopperballproductsbyrolling a and b upsettingprocesses 粗糙,这与轧制过程中的滚压时间短有关;镦制工艺 生产的磷铜球表面较光滑,但是存在明显的镦制边 界,即在半球附近存在明显的环带,且存在两极。

2.2 显微组织

由图2可见,轧 制 工 艺 生 产 的 磷 铜 球 组 织 由α 54 杨 勇,等:轧制与镦制工艺生产磷铜球的显微组织和硬度对比 图2 轧制工艺生产磷铜球的显微组织 Fig 2 Microstructureofphosphorcopperballbyrollingprocess a atlowmagnification b atmedium magnification c athighmagnificationand d atultrahighmagnification 图3 镦制工艺生产磷铜球的显微组织 Fig 3 Microstructureofphosphorcopperballbyupsettingprocess a atlowmagnification b atmedium magnification c athighmagnificationand d atultrahighmagnification 相与β相组成,晶界不明显,存在少量纤维状组织,晶 粒尺寸不均匀且比较粗大,柱状晶较多,β相呈带状 分布,晶粒因受到挤压而沿不同方向有拉长的趋势, 并出现滑移带[11],这是由于磷铜棒在螺旋槽滚动下 在直径方向被压缩,长度方向被拉长,在轧制力作用 下晶粒产生了不规则变形,并在应力最大处形成了滑 移带。黑色组织为含磷量较高的α相,α相分布不均 匀,说明磷分布不均匀。 由图3可知:镦制工艺生产的磷铜球晶界清晰, 晶粒主要为等轴晶,相比于轧制工艺组织中柱状晶 55 杨 勇,等:轧制与镦制工艺生产磷铜球的显微组织和硬度对比 较少,晶粒密集分布,晶界清晰;黑色含磷量较高的 α相分布均匀,说明磷元素分布均匀;β相与α相相 间分布[12],这说明在镦制过程中材料的流向呈规律 性变化,即先向两半球模具方向流动,再向两极(球 体的末端)流动。可见镦制工艺生产的磷铜球的成 形质量较好。

2.3 生产结束时的表面温度

由图4可以看出,采用镦制工艺生产结束时远 离与接近出口槽处磷铜球的表面最高温度较低,约 为41 ℃,接近室温,而在轧制工艺下远离与接近出 口槽处表面最高温度高于60℃,这与2种工艺的冷 却方式有关。轧制工艺的冷却方式为涡流式乳化液 冷却,镦制工艺的冷却方式为液压方式下的水雾化 冷却,水雾化冷却方式增大了冷却接触面积,冷却速 率更快。磷铜球较低的表面温度可有效避免表面发 生氧化,可知镦制工艺更适合磷铜球的生产。 图4 镦制与轧制工艺生产磷铜球结束时不同位置的表面温度 Fig 4 Surfacetemperaturesofdifferentpositionsatendofproducingphosphorcopperballbyupsetting a-b androlling c-d processes a c farawayfromoutlettankand b d nearoutlettank 图5 不同工艺生产磷铜球的表面硬度和心部硬度 Fig 5 Surfacehardness a andhearthardness b ofphosphorcopperballbydifferentprocesses

2.4 硬 度

由图5可以看出:在相同工艺下,磷铜球表面 硬度比心部 硬 度 高,说 明 在 变 形 过 程 中 心 部 的 加 工硬化程度 较 低;在 轧 制 工 艺 下 表 面 的 硬 度 波 动 较大,说明轧 制 过 程 中 磷 铜 球 中 成 分 的 不 均 匀 程 度较高。镦制工艺生产磷铜球的心部硬度明显比 轧制工艺生 产 的 磷 铜 球 高,这 与 镦 制 工 艺 使 磷 铜 球组织细化且元素分布较均匀有关。在镦制过程 中磷铜球内 部 组 织 因 压 实 致 密 而 得 到 强 化,因 此 整体硬度较高。

2.5 镦制和轧制工艺的对比

若磷铜球中加入磷的含量过低,则在电镀过程 56 杨 勇,等:轧制与镦制工艺生产磷铜球的显微组织和硬度对比 中其表面产生的磷铜膜太薄,电镀后的产品表面粗 糙,若磷含量过高,则会导致磷铜膜太厚,减弱电镀 效果。所生产的磷铜球严格按照表1所示的元素成 分进行配制,可生产出具有较好的物理性能、力学性 能及工艺性能的磷铜球。在轧制过程中不能及时冷 却,则会造成磷铜球表面过热而氧化变色,影响尺寸 精度,且表面较粗糙,后续需要对磷铜球清洗;同时 对于轧制过程中产生的乳化液、加工油等杂质,需要 用双氧水和硫酸来处理,增大了工作量,且对环境有 污染。镦制工艺可以很好地控制加工过程中的温 度,采用该工艺制备的磷铜球表面更加光滑。对于 同一种原材料,与轧制工艺相比,镦制工艺生产的磷 铜球组织更细小,成分分布更均匀,硬度更高,这与 不同工艺下,原材料受到的力作用方向、大小及作用 效果有关。在轧制工艺下,磷铜棒受到来自螺旋槽 的滚子轴揉搓滚压及轧制辊的二向压应力/一向拉 应力;而在镦制工艺下,磷铜棒受到滑动板上的动模 机构处的半圆形腔及静模机构的半圆形腔的合模以 及切断推送机构一起构成的三向压应力[10,13-14]。轧 制工艺生产磷铜球表面半球附近存在明显的环带, 且存在两极。球坯成形是过程性的,在球坯材料接 近模具底部时,变形抗力的径向分力变小,导致材料 很难自由向两端流动,但是整体变形抗力仍然在不 断增大,使得材料只能向模具接触的方向流动,以 致形成环带;磷铜球在形成环带后,模具合模处的 变形抗力继 续 变 大 且 超 出 两 端 处 的 变 形 抗 力,在 轴向分力的 作 用 下,两 端 中 心 处 的 材 料 受 挤 压 向 两极流动[6,15]。与轧制工艺相比,镦制工艺在强烈 的三向压应 力 作 用 下,制 备 得 到 磷 铜 球 组 织 中 晶 界更明显,晶 粒 细 化,晶 粒 分 布 更 紧 密,晶 粒 主 要 为等轴晶,柱状晶数量明显减少,镦制力对晶粒拉 长的程度较小。

3 结 论

(1)与轧制工艺相比,镦制工艺生产的磷铜球 表面更光滑,晶粒明显细化,晶界清晰,元素分布均 匀,晶粒分布紧密,晶粒主要为等轴晶,柱状晶数量 明显减少。 (2)采用镦制工艺成形后,接近与远离出口槽 处磷铜球的表面最高温度均低于轧制工艺;镦制工 艺生产磷铜球的心部硬度明显比轧制工艺生产的磷 铜球高,且表面的硬度波动较小。相比轧制工艺,采 用镦制工艺生产的磷铜球具有质量好、环保、耗能低 等技术优势。

来源：材料与测试网