CN1126614C - 轧制铜箔及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

在不牺牲其它特性的情况下，本发明改善了现有轧制铜箔的抗弯曲性。一种优良抗弯曲性的具有立方织构的轧制铜箔，使得在对其进行200℃下的热处理达30分钟成为再结晶的结构的状态下，由X射线衍射确定的轧制表面的200面强度(I)对于微铜粉200面的X射线衍射强度(Io)有I/Io＞20的关系。一种制造轧制铜箔的方法，包括热轧制铜锭块，交替重复冷轧和退火，最后冷轧工件到厚度不超过50μm，在最后冷轧前立即进行的退火是在能使退火的再结晶晶粒具有5到20μm之间的平均晶粒尺寸和确保最后冷轧的压下率设定为不小于90%的条件下实现的。

Description

轧制铜箔及其制造方法
本发明涉及具有良好抗弯曲性适用于诸如柔性印刷电路的柔性印刷布线部件的轧制铜箔及其制造方法。
基于有机物质的印刷电路板一般分成两类：具有由玻璃环氧树脂和纸苯酚基体构成的刚性覆铜叠层件的刚性类型和具有由聚酰亚胺和聚酯基体构成的柔性覆铜叠层件的柔性类型。铜箔主要用作印刷电路板的导电材料。按照所用制造工艺，箔产品分成电镀箔和轧制箔。
在印刷电路板中，柔性印刷电路的电路板(此后称作PFC)是通过将铜箔叠到树脂基体并将各层用粘接剂或者加热加压连接而制成整板来制备的。近年来，已知作为复合板的多层板作为高密度封装或安装的有效装置获得了广泛地应用。用于形成FPC的元件的铜箔中绝大部分是轧制的铜箔。
FPC大量用在印刷机头、硬盘驱动器和其它要求有可移动部件的布线的地方。它们在使用中要经过百万次的弯曲。这要求形成FPC元件的轧制铜箔有较大的抗弯曲性。随着近来装置小型化和较高性能水平的发展趋势，抗弯曲性的要求比以往更苛刻。
作为FPC用的铜箔材料，采用韧火精铜或无氧铜。通过热轧制这种材料的锭块，然后交替重复冷轧制和退火直到获得预定的厚度来制造该箔。轧制的铜箔然后电镀使表面粗糙来增强对树脂基体的粘着力，。接着粗糙化电镀之后是将铜箔切成块并层叠到树脂基体。为层叠目的，使用例如为环氧树脂的热固性树脂的粘合剂。该粘合剂然后通过加热130到170℃达1至24小时被固化。刻蚀铜箔形成各种布线图形。结合到FPC的箔有时折叠或者是工作在和器件的接触点上。
通过再结晶退火可以使铜箔的抗弯曲性比轧制时的性能得到显著的改善。由于这个原因，铜箔作为FPC元件使用其退火状态。该退火或者通过粗糙电镀和切成块状之后进行热处理或者通过利用在粘接到树脂基体时刻加热来完成。
当铜箔被热处理到成为再结晶结构时，该退火通过在130到250℃加热达15分钟至24小时是有效的，通常为200℃下达30分钟。
正如上述，要求作为FPC材料的轧制铜箔具有高的抗弯曲性。近来装置向较小尺寸和较高水平的发展趋势已使对弯曲的要求比先前更为严格。
本发明的目的是在不牺牲其延伸率和其它特性的情况下改善传统轧制铜箔的抗弯曲性。
作为改善轧制铜箔抗弯曲性的手段，已经提出增加最终冷轧中的压下率的制造工艺(日本专利公开号平4-228553)。
为了检验参考发明的效果，本发明人和合作者制作了具有最终压下率为90-97％的各种铜箔并对它们进行抗弯曲性的测试。发现它们并不总呈现出稳定的和令人满意的抗弯曲性。
鉴于这些，本发明人认真地研究了获得具有稳定的优良抗弯曲性的轧制铜箔的方式。结果，发现不仅调节最终冷轧的压下率是重要的，而且要调节最终冷轧前的退火条件，例如这种方式下使得由退火导致的再结晶晶粒的平均晶粒尺寸在5至20μm的范围，然后在不小于90％的压下率下完成最终冷轧。
因此所生产的铜箔具有稳定优良的抗弯曲性，并且发现可定义出这样的铜箔：在对其进行200℃达30分钟的热处理之后成为用于FPC的再结晶结构的状态中，该箔具有立方体织构，其中由X射线衍射确定的轧制表面的200面积分强度(I)与微铜粉200面的X射线衍射积分强度(Io)之间为I/Io＞20。本发明轧制铜箔具有优良的抗弯曲性，在后述的弯曲实验中表现出不小于30,000弯曲循环周期的弯曲疲劳寿命。
基于上述发现，本发明提供了：
(1)具有优良抗弯曲性并以立方织构为特征的轧制铜箔，使得在对其进行200℃达30分钟热处理后成为再结晶结构的状态中，由X射线衍射确定的轧制表面的200面强度(I)与微铜粉200面的X射线衍射强度(Io)之间有I/Io＞20。
(2)一种通过热轧韧火精铜或无氧铜锭块、交替重复冷轧与退火，最后冷轧工件到不超过50μm的厚度来制造(1)的轧制铜箔的方法，特征在于：在最后冷轧前立即进行的退火是在能使退火的再结晶晶粒具有5到20μm之间的平均晶粒尺寸和确保最后冷轧的压下率设定为不小于90％的条件下实现的。
图1是用于确定试验箔的弯曲疲劳寿命的弯曲试验机的示意图。
图2是表示最终轧制的压下率、最后轧制前退火所得晶粒尺寸和I/Io之间关系的曲线。
图3是表示I/Io和疲劳寿命(弯曲循环周期数)之间关系的曲线。
本发明所用轧制铜箔的材料主要是韧火精铜或无氧铜。轧制铜箔基本上由热轧韧火精铜或无氧铜锭块、交替重复冷轧和退火工件及通过最后冷轧将工件控制到等于或小于50μm厚度制成。根据本发明，在最后冷轧前立即进行的退火是在使退火的再结晶晶粒具有5到20μm之间的平均晶粒尺寸和确保最后冷轧的压下率设定为不小于90％的条件下实现的。
例如，所进行退火的条件是：用连续退火炉操作，温度在500到800℃之间，按照该温度的退火周期在5到600秒之间，或者，在间歇操作，温度在130到500℃之间，时间1到24小时。
现在来说明为什么这样的退火条件对产品的抗弯曲性有明显的影响。
当纯铜退火进行再结晶时，其立方织构((100)面，<001>方向，以及(100)面和200面是相等的)形成。公知的现象是，随着退火前压下率的上升，立方织构的形成变得显著。本发明的预测基于这样的发现，即轧制前晶体晶粒尺寸也明显影响着立方织构的形成，晶粒尺寸越小，形成立方织构越多，立方织构形成越多，抗弯曲性越好。正如在日本专利公开号昭55-54554中所解释的，这可能归因于降低了在形变方向的杨氏模量的效果，随着立方织构的形成，其是改善铜疲劳特性的基础。
正如从前述可知，仅仅轧制压下率的增加并不足以能有效地获得稳定优良的抗弯曲性；还有必要优化先前退火操作的条件。因此，如果铜箔是在使得再结晶晶粒的平均晶粒尺寸不超过20μm，继之最后以压下率不小于90％冷轧工件的条件下退火制备的，则可稳定地获得高的抗弯曲性。所产生的立方织构使得由X射线衍射确定的轧制表面的200面强度(I)对于微铜粉200面的X射线衍射强度(Io)有I/Io＞20的关系。
选择微铜粉由X射线衍射获得的200面的强度(Io)作为晶体无择优取向(不形成200面的状态)之状态的基准值。
按照本发明指定的铜箔再结晶结构和获得该铜箔结构的制造方法的原理概括如下：
(1)在加热200℃达30分钟之后由X射线衍射确定的轧制表面200面的强度规定为I/Io＞20，因为当立方织构的形成度(I/Io)大于20时可取得令人满意的抗弯曲性。
(2)再结晶晶粒的平均晶粒尺寸规定为在5到20μm的范围，因为当晶粒尺寸不大于20μm时，可获得I/Io＞20和从而得到良好抗弯曲性。另一方面，小于5μm的晶粒尺寸降低了延伸率并产生诸如弯曲裂缝的问题。因此，晶粒尺寸调节到不小于5μm是重要的。
(3)压下率规定为不小于90％是因为若压下率小于90％，尽管调节在先退火条件也不能得到I/Io＞20，并且不能得到良好的抗弯曲性。
因此所得到的轧制铜箔具有优良的抗弯曲性，并在后面所述的弯曲试验中表现出超过30,000次弯曲周期的弯曲疲劳寿命。
                              例子
下面结合例子和比较例来全面说明本发明。
制作韧火精铜(含氧：250ppm)和无氧铜(含氧：2ppm)锭块，每个测量厚度为200mm，宽度为600mm。它们热轧到10mm厚度。在重复退火和冷轧之后，与轧制一样得到给定厚度(tmm)的薄片。如表1所示，薄片在加热炉退火预定的时间，其中保持在300到900℃范围变化的温度。随着去掉氧化屑，它们被冷轧到0.035mm厚度。下述公式给出通过最后冷轧的压下率R
                   R＝(t-0.035)/t×100(％)
最后退火之后，从通过符合JIS G0551的切割方法获得垂直于轧制方向的剖面可确定退火的晶粒尺寸。
                           表1：加工过程与样品性能
序号 铜材料            最后退火条件   最后轧制压下率(％)            加热200℃30分钟后
炉温(℃)   加热时间(秒)   晶粒尺寸(μm)   I/Io   弯曲寿命(弯曲循环数)     延伸率(％)
发明例子     1 韧火精铜   800   20   8   95   50.7   64500     13.3
    2 韧火精铜   800   30   15   95   37.2   51100     15.6
    3 韧火精铜   800   40   18   95   31.4   42800     16.4
    4 韧火精铜   700   40   10   93   39.1   40700     15.2
    5 韧火精铜   700   50   13   93   33.4   48700     16.2
    6 韧火精铜   700   60   17   93   25.7   39200     17.6
    7 韧火精铜   600   90   7   98   64.2   82800     12.0
    8 韧火精铜   600   150   15   98   48.8   72300     13.6
    9 韧火精铜   500   300   8   92   39.1   49300     15.2
    10 无氧铜   500   600   11   92   33.4   32800     16.3
    11 无氧铜   800   30   15   95   37.2   68000     15.3
    12 无氧铜   700   60   17   93   25.7   45300     17.6
    13 无氧铜   600   90   7   98   64.2   93200     11.6
    14 无氧铜   500   600   11   92   33.4   59200     16.1
比较例子     1 韧火精铜   800   10   3   95   60.3   85400     6.2
    2 无氧铜   800   60   27   95   14.1   19700     19.4
    3 无氧铜   700   20   3   94   56.5   91600     7.7
    4 韧火精铜   350   1200   4   93   50.7   72700     8.4
    5 无氧铜   800   30   15   88   10.3   17600     20.1
    6 韧火精铜   700   60   17   85   6.2   7300     23.9
    7 韧火精铜   800   10   3   98   73.7   92500     7.1
借助在可变退火条件下和可变最后轧制压下率下生产的铜箔测试样品，其特性评价如下。
(1)立方织构
每个样品在200℃下加热30分钟，并找到轧制表面由X射线衍射确定的200面的整数值强度(I)。该值被细铜粉(325目)的200面的预定整数值强度(Io)除，计算I/Io。
(2)抗弯曲性
为再结晶，每个样品在200℃下加热30分钟，然后使用图1所示弯曲测试机确定其弯曲疲劳寿命。测试机包括振动驱动单元4和与驱动单元连接的振动传输部分3。测试箔1固定在由箭头所示的总共四个点，螺钉2端部和部分3下部的位置。随着振动部分3上下驱动，箔1的中部类似发针被以给定的曲率半径r弯曲。在检查的测试中，弯曲按下述条件重复进行，用以计数弯曲循环的次数，直到弯曲失败为止。
测试条件是：样品宽度＝12.7mm；样品长度＝200mm；取样方向＝截取每个样品使得其长度方向平行于轧制方向；曲率半径r＝2.5mm。振动冲程＝25mm；振动速度＝1500次/分钟。
当弯曲疲劳寿命超过30,000次弯曲循环时，就认为该样品具有优良的抗弯曲性。该测试是加速测试，样品是在比实际应用更苛刻的条件下弯曲的。
(3)延伸率
每个样品通过在200℃下加热30分钟进行再结晶，然后经过拉伸实验，其中拉伸方向做成平行于轧制方向。用每个宽12.7mm、长150mm及测量长度(gage length)50mm的样品来测量延伸率。
表1概括了所评估实验样品的加工过程及特性变化。根据本发明的轧制铜箔展示了大于20的I/Io值和超过30,000次弯曲循环的优良弯曲寿命。它们还展示出超过10％的合适的延伸率值。
另一方面，比较例1，3，4，和7给出了低于10％的低延伸率值，这是因为最后退火后的晶粒尺寸小于5μm。比较例2在退火后具有大于20μm的晶粒尺寸，比较例5和6具有低于90％的最后轧制压下率，因此这些样品在200℃加热30分钟时展示了不足的(200)织构，因此压下率有小于20,000次的较短的弯曲循环的弯曲寿命。
根据表1所给出的数据，最后轧制的压下率、最后轧制前退火后的晶粒尺寸和I/Io之间的关系图解地示于图2中。显然，再结晶结构随着压下率的增加和晶粒尺寸的降低而形成。
图3表示I/Io和疲劳寿命(弯曲循环次数)之间的关系。该曲线概括了考虑最后轧制前退火条件和压下率而变化数据，并且表示出再结晶结构的形成增强了抗弯曲性。
作为原材料比较了韧火精铜和无氧铜，后者提供了具有稍微长弯曲寿命的箔。差别是由于在韧火精铜中出现相当大量的促进裂缝生长和传播的Cu2O杂质，而无氧铜则包含极少的Cu2O杂质。
本发明提供的轧制铜箔具有优良的抗弯曲性，且最适合作为柔性印刷电路的柔性布线材料等，还提供了制造该铜箔的有效方法。

Claims (2)

1.一种轧制铜箔，具有优良的抗弯曲性，其特征在于，所述轧制铜箔具有这样的立方织构；在对其进行200℃下的热处理达30分钟成为再结晶的结构的状态下，由X射线衍射确定的轧制表面的200面强度(I)对于微铜粉200面的X射线衍射强度(Io)有I/Io＞20的关系。
2.一种制造权利要求1的轧制铜箔的方法，包括：热轧制韧火精铜或无氧铜锭块，交替重复冷轧和退火，最后冷轧工件到厚度不超过50μm，其特征在于：在最后冷轧前立即进行的退火是在温度为500-800℃下连续操作5-600秒，或者在温度为130-500℃下间歇操作1-24小时，使得热轧制的锭块中的退火的再结晶晶粒具有5到20μm之间的平均晶粒尺寸的条件下实现的，并且最后冷轧的压下率不小于90％。
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