用于电路板或电池电极的卷绕式铜膜真空镀膜设备

技术领域：

本发明涉及一种镀膜设备，尤其是一种真空环境下在柔性PI基材上镀铜膜的设备。

背景技术：

随着科技发展，特别是柔性电路板技术以及锂电池技术的发展，对电池电极和电路板的轻薄柔性化需求越来越高。PI材料具有良好的耐温耐腐蚀的化学稳定性以及优越的机械稳定性，是作为铜膜基材的最佳选择。

但是，由于PI基材上CU的附着力比较差，一般采用其他过渡金属打底的方式，即使如此，附着力也只能达到0.4N/mm，与附着力在0.7N/mm以上的要求差距比较大。

发明内容：

为克服现有PI基材上CU的附着力比较差的问题，本发明实施例提供了一种用于电路板或电池电极的卷绕式铜膜真空镀膜设备。

一种用于电路板或电池电极的卷绕式铜膜真空镀膜设备，至少包括依次设置的放卷室、工艺室、及收卷室；放卷室用于通过加热器对柔性PI基材进行一次烘烤并通过放卷辊将柔性PI基材放卷向前输送，收卷室用于通过收卷辊对生成Cu功能层的铜膜进行卷收处理；工艺室至少包括：

表面活化工艺室，用于对输送而来的柔性PI基材进行二次烘烤，并通过离子源对柔性PI基材进行材料表面活化处理；

改性工艺室，用于通过金属源注入Cu离子，使经表面活化处理的柔性PI基材表面，形成由Cu离子和PI材料表面原子或分子相结合的改性嵌入层；

弧靶离子镀膜工艺室，用于通过弧源离子源注入Cu离子，使改性嵌入层上形成Cu过渡层；以及

磁控溅射镀膜工艺室，用于通过磁控溅射源以直流溅射的方式在Cu过渡层上形成Cu功能层。

本发明实施例，工艺室由表面活化工艺室、改性工艺室、弧靶离子镀膜工艺室、磁控溅射镀膜工艺室构成，可分别对PI基材实现表面活化处理、改性处理、离子镀和磁控溅射等工艺处理，经工艺室真空镀膜制成的铜膜，其表面附着力满足大于0.7N/mm的要求。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的用于电路板或电池电极的卷绕式铜膜真空镀膜设备的示例性布局示意图；

图2为本发明实施例的放卷室的结构示意图；

图3为本发明实施例的表面活化工艺室的结构示意图；

图4为本发明实施例的改性工艺室的结构示意图；

图5为本发明实施例的弧靶离子镀膜工艺室的结构示意图；

图6为本发明实施例的磁控溅射镀膜工艺室的结构示意图；

图7为本发明实施例的收卷室的结构示意图；

图8为本发明实施例的加热器的主视图；

图9为本发明实施例的加热器的俯视图；

图10为本发明实施例的冷却辊的结构示意图；

图11为本发明实施例的冷却辊的剖视图；

图12为本发明实施例的摆辊的结构示意图；

图13为本发明实施例的真空镀膜设备制备的铜膜产品样品一的平面展开示意图；

图14为本发明实施例的真空镀膜设备制备的铜膜产品样品二的平面展开示意图。

具体实施方式：

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

当本发明实施例提及“第一”、“第二”等序数词时，除非根据上下文其确实表达顺序之意，应当理解为仅仅是起区分之用。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供了一种用于电路板或电池电极的卷绕式铜膜真空镀膜设备，如图1所示，至少包括依次设置的放卷室1、工艺室、及收卷室6；放卷室1用于通过加热器11对柔性PI基材01进行一次烘烤，以去除PI基材01表面附着的水分子，并通过放卷辊12将柔性PI基材01放卷向前输送，收卷室6用于通过收卷辊61对生成Cu功能层的铜膜进行卷收处理；工艺室至少包括：

表面活化工艺室2，用于通过加热器11对输送而来的柔性PI基材进行二次烘烤，并通过离子源对柔性PI基材进行材料表面活化处理；

改性工艺室3，用于通过金属源注入Cu离子，使经表面活化处理的柔性PI基材表面，形成由Cu离子和PI材料表面原子或分子相结合的改性嵌入层；

弧靶离子镀膜工艺室4，用于通过弧源离子源注入Cu离子，使改性嵌入层上形成Cu过渡层；以及

磁控溅射镀膜工艺室5，用于通过磁控溅射源以直流溅射的方式在Cu过渡层上形成Cu功能层。

本发明实施例，工艺室由表面活化工艺室、改性工艺室、弧靶离子镀膜工艺室、磁控溅射镀膜工艺室构成，可分别对PI基材实现表面活化处理、改性处理、离子镀和磁控溅射等工艺处理，经工艺室真空镀膜制成的铜膜，其表面附着力满足大于0.7N/mm的要求。

本发明实施例中，柔性PI基材的厚度为4.5-75μm，优选4.5μm，而其幅宽为260mm。经过表面活化工艺室、改性工艺室、弧靶离子镀膜工艺室、磁控溅射镀膜工艺室处理生成的铜膜，其整体厚度为100nm，电阻率为5-6E-6Ω·cm，方阻不均匀性小于5％。

进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，如图5所示，弧靶离子镀膜工艺室4的弧源离子源包括第一弧源离子源41和第二弧源离子源42，其中，第一弧源离子源41位于弧靶离子镀膜工艺室4左侧偏上位置，并用于在柔性PI基材正面的改性嵌入层上形成Cu过渡层；而第二弧源离子源42位于弧靶离子镀膜工艺室4右侧偏下位置，并用于在柔性PI基材背面的改性嵌入层上形成Cu过渡层。在柔性PI基材的正反面分别设置弧源离子源，采用圆弧源离子镀技术，安装磁偏转结构，通过磁偏转弧源技术，可减少大液滴对材料和膜层的污染，保证镀膜质量，做好CU膜层的打底；同时，在柔性PI基材的正反两面同时形成Cu过渡层，提高镀膜效率，双面同时一次完成镀膜，减少往复卷绕导致的良率以及效率的损失。本实施例中，弧靶离子镀膜工艺室的工作压强为0.05-0.1Pa。

再进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，如图5所示，弧靶离子镀膜工艺室4内靠近第一弧源离子源41处设有上下设置的第一冷却辊411和第二冷却辊412，第一冷却辊411和第二冷却辊412之间设有第一纵向冷却板401，该第一纵向冷却板401与第一弧源离子源41相对，并用于对柔性PI基材的背面进行冷却处理。结构简单，通过冷却辊的设置，可方便调整工艺温度；同时，通过设置纵向冷却板，可减少温升导致的膜层形变，从而可有效控制镀膜产品和工艺室的温度。

更进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，如图5所示，弧靶离子镀膜工艺室4内靠近第二弧源离子源42处设有上下设置的第三冷却辊423和第四冷却辊424，第三冷却辊423和第四冷却辊424之间设有第二纵向冷却板402，该第二纵向冷却板402与第二弧源离子源42相对，并用于对柔性PI基材的正面进行冷却处理。结构简单，通过冷却辊的设置，可方便调整工艺温度；同时，通过设置纵向冷却板，可减少温升导致的膜层形变，从而可有效控制镀膜产品和工艺室的温度。

更进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，如图6所示，磁控溅射镀膜工艺室5的磁控溅射源包括第一磁控溅射源51、第二磁控溅射源52、第三磁控溅射源53和第四磁控溅射源54，其中，第一磁控溅射源51和第二磁控溅射源52位于磁控溅射镀膜工艺室5左侧，用于在柔性PI基材背面的Cu过渡层上形成Cu功能层；第三磁控溅射源53和第四磁控溅射源54位于磁控溅射镀膜工艺室5右侧，用于在柔性PI基材正面的Cu过渡层上形成Cu功能层。在柔性PI基材的正反面各配置两个磁控溅射源，具体为圆柱磁控溅射阴极，采用小功率模式直流溅射的方案，可双面同时一次完成镀膜，减少往复卷绕导致的良率以及效率的损失。本实施例中，磁控溅射镀膜工艺室的工作压强为0.2-0.5Pa。

又进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，如图6所示，磁控溅射镀膜工艺室5内靠近第一磁控溅射源51和第二磁控溅射源52的右侧设有上下设置的第五冷却辊55和第六冷却辊56，第五冷却辊55和第六冷却辊56之间设有第三纵向冷却板503，该第三纵向冷却板503与第一磁控溅射源51和第二磁控溅射源52相对，并用于对柔性PI基材的正面进行冷却处理。结构简单，通过冷却辊的设置，可方便调整工艺温度；同时，通过设置纵向冷却板，可减少温升导致的膜层形变，从而可有效控制镀膜产品和工艺室的温度。另外，磁控溅射源，采用悬浮镀膜配合纵向冷却板，可以小功率模式溅射镀膜，从而可保证镀膜厚度及电阻率要求。

再进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，如图6所示，磁控溅射镀膜工艺室5内靠近第三磁控溅射源53和第四磁控溅射源54的左侧设有上下设置的第七冷却辊57和第八冷却辊58，第七冷却辊57和第八冷却辊58之间设有第四纵向冷却板504，该第四纵向冷却板504与第三磁控溅射源53和第四磁控溅射源54相对，并用于对柔性PI基材的背面进行冷却处理。结构简单，通过冷却辊的设置，可方便调整工艺温度；同时，通过设置纵向冷却板，可减少温升导致的膜层形变，从而可有效控制镀膜产品和工艺室的温度。另外，磁控溅射源，采用悬浮镀膜配合纵向冷却板，可以小功率模式溅射镀膜，从而可保证镀膜厚度及电阻率要求。

再进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，如图4所示，改性工艺室3的金属源包括第一金属源31和第二金属源32，其中，第一金属源31位于改性工艺室3左侧偏上位置，并用于在柔性PI基材正面形成由Cu离子和PI材料表面原子或分子相结合的改性嵌入层；而第二金属源32位于改性工艺室3右侧偏下位置，并用于在柔性PI基材背面形成由Cu离子和PI材料表面原子或分子相结合的改性嵌入层。双面同时一次完成镀膜，减少往复卷绕导致的良率以及效率的损失。本实施例中，改性工艺室的工作压强为0.002-0.004Pa。

本实施例中，用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。注入离子直接和材料表面原子或分子结合，形成改性层，改性层和基底材料没有清晰的界面，结合牢靠，不存在脱落的现象。改性工艺室内于柔性PI基材正反面各安装一套离子注入金属源，可实现CU材和基材之间的嵌入改性，改善应力，提高附着力。

又进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，如图4所示，改性工艺室3内靠近第一金属源31处设有上下设置的第九冷却辊39和第十冷却辊30，第九冷却辊39和第十冷却辊30之间设有第五纵向冷却板305，该第五纵向冷却板305与第一金属源31相对，并用于对柔性PI基材的背面进行冷却处理。结构简单，通过冷却辊的设置，可方便调整工艺温度；同时，通过设置纵向冷却板，可减少温升导致的膜层形变，从而可有效控制镀膜产品和工艺室的温度。

再进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，如图4所示，改性工艺室3内靠近第二金属源32处设有上下设置的第十一冷却辊311和第十二冷却辊312，第十一冷却辊311和第十二冷却辊312之间设有第六纵向冷却板306，该第六纵向冷却板306与第二金属源32相对，并用于对柔性PI基材的正面进行冷却处理。结构简单，通过冷却辊的设置，可方便调整工艺温度；同时，通过设置纵向冷却板，可减少温升导致的膜层形变，从而可有效控制镀膜产品和工艺室的温度。

又进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，如图4所示，改性工艺室3内还设有用于调整张力大小的摆辊，该摆辊的具体结构如图12所示，其包括一摆动输出轴330、周向固定设置于摆动输出轴330上的左摆臂333和右摆臂334、设于摆动输出轴330上并位于左摆臂333和右摆臂334之间的定辊331、以及安装于左摆臂333和右摆臂334之间并位于定辊331下方的调节摆动辊332。在张力处于正常范围大小时，定辊331可以摆动输出轴330为中心自由旋转，调节摆动辊332可以左摆臂333和右摆臂334之间的横向轴线为中心自由旋转，使穿绕于定辊331和调节摆动辊332之间的PI膜层能实现自由输送。在张力出现超出正常范围值的波动时，摆动输出轴330旋转，带动左摆臂333、右摆臂334、以及调节摆动辊332以摆动输出轴330为中心左右摆动，以在输送PI膜的行进过程中吸收张力波动。可使张力波动小于1N，PI膜输送速度在0.5-1m/min，优选0.5m/min，而输送张力在10-100N之间，优选32-67N。

更进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，弧靶离子镀膜工艺室4包括左右对称设置的第一弧靶离子镀膜工艺室和第二弧靶离子镀膜工艺室；通过设置两个对称的弧靶离子镀膜工艺室，可进一步提高和保证生成的Cu过渡层的厚度。本发明实施例中，Cu过渡层的厚度为5-15nm，优选Cu过渡层的厚度为10nm。

再进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，磁控溅射镀膜工艺室5包括左右对称设置的第一磁控溅射镀膜工艺室和第二磁控溅射镀膜工艺室。通过设置两个对称的磁控溅射镀膜工艺室，可进一步提高和保证最终镀膜产品铜膜的整体厚度，本发明实施例中，铜膜的整体厚度达100nm。

更进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，如图2所示，放卷室1内于放卷辊12的上方及左右两侧分别设有加热器11，用于对柔性PI基材进行一次烘烤，烘烤温度可达300℃以上，以去除PI基材表面附着的水分子。

又进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，加热器11的具体结构如图8、图9所示，其至少包括电发热丝111、以及位于电发热丝111上方的热辐射板112，发热丝111在同一平面内迂回弯曲设置，而热辐射板112包括上下间隔设置的三层热辐射板，通过热辐射板112，将热量辐射并传递至柔性PI基材，达到均匀加热的目的。

再进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，如图3所示，表面活化工艺室2的左上方和右下方分别设有加热器11，其中，左上方的加热器11用于对柔性PI基材的正面进行二次烘烤，右下方的加热器11用于对柔性PI基材的背面进行二次烘烤；以进一步去除PI基材表面残留的水分子。

更进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，如图3所示，表面活化工艺室2的离子源位于左上方和右下方的加热器之间，包括第一离子源21和第二离子源22，其中，第一离子源21位靠近左上方的加热器11并用于对柔性PI基材的背面进行材料表面活化处理，第二离子源位22靠近右下方的加热器11并用于对柔性PI基材的正面进行材料表面活化处理。双离子源的设置，用于提高柔性PI基材的表面活化程度，破坏水分子。本发明实施中，表面活化工艺室2的工作压强为0.05-0.2Pa，离子源处理效果如下表所示：

又进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，第一冷却辊411、第二冷却辊412、第三冷却辊423、第四冷却辊424、第五冷却辊55、第六冷却辊56、第七冷却辊57、第八冷却辊58、第九冷却辊39、第十冷却辊30、第十一冷却辊311、第十二冷却辊312的结构相同，其结构可参考图10、图11所示。冷却辊的内设置有相互循环的中心输入冷却通道、中心输入冷却通道与冷却辊表面之间的回流冷却通道，通过冷却液的循环流动，将热量带走，以降低冷却辊的内部及表面温度，从而方便调整工艺温度。

再进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，所述第一纵向冷却板401、第二纵向冷却板402、第三纵向冷却板503、第四纵向冷却板504、第五纵向冷却板305、第六纵向冷却板306，均为内部设置有水流通道方便冷却液可循环流入流出的冷却板，冷却板内的水流通道，可以是直接贯穿冷却板前后侧面并可通过外部管路实现循环的方形通道，也可以是迂回设置于冷却板内的圆形通道，结构简单，可减少温升导致的膜层形变，从而可有效控制镀膜产品和工艺室的温度。

更进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，图13所示为经本发明镀膜设备制备的铜膜产品样品一的平面展开示意图，其幅宽为260mm，按照图13所示并标定三行五列测试区域，其中三行标记依次为A1、A2、A3，五列标记依次为a、b、c、d、e，各行的上下间距及各列的左右间距均为100mm，对该铜膜样品一进行方阻均匀性测试的结果如下：

又进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，图14所示为经本发明镀膜设备制备的铜膜产品样品二的平面展开示意图，其幅宽为260mm，按照图14所示并标定三行五列测试区域，其中三行标记依次为B1、B2、B3，五列标记依次为a、b、c、d、e，各行的上下间距及各列的左右间距均为100mm，对该铜膜样品二进行方阻均匀性测试的结果如下：

由上两样品的方阻测试结果可知，本镀膜设备制备的铜膜产品，不论是被标定的哪一行或哪一列测试区域，其方阻的不均匀性均小于5％。

再进一步地，作为本发明的一种优选实施方式而非限定，对样品一和二的a列标定区域进行表面附着力测试时(采用IPC-TM-6502.4.9)，其测试结果如下：

由上两样品的表面附着力测试结果可知，本镀膜设备制备的铜膜产品，其表面附着力满足大于0.7N/mm的要求。

如上所述是结合具体内容提供的一种或多种实施方式，并不认定本发明的具体实施只局限于这些说明。凡与本发明的方法、结构等近似、雷同，或是对于本发明构思前提下做出若干技术推演或替换，都应当视为本发明的保护范围。