面向高強極薄銅箔制造過程的多維度質量控制系統設計

黃開程，姜洪權, *，苗東，周智，陳富民，馬飛，高建民，楊祥魁，包宏偉，程虎躍

1.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，陜西 西安 710049

2.西安泰金新能科技股份有限公司，陜西 西安 710049

3.西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室，陜西 西安 710049

4.山東金寶電子有限公司，山東 招遠 265400

電解銅箔是覆銅板(CCL)、印制線路板(PCB)、鋰電池集流體等電子產品的關鍵基礎材料。新能源汽車、5G 通信等產業的快速發展驅動著電解銅箔朝更薄且綜合性能更強的方向發展。例如，在新能源領域，高能量密度電池要求銅箔的厚度由傳統的12 μm、9 μm 降到8 μm、6 μm，甚至4.5 μm，同時要求銅箔有更高的抗拉強度和延伸率[1-2]。高強極薄銅箔是指厚度為1.5 ～ 4.5 μm 的高端高性能銅箔，目前仍處于試驗研發階段，其制造過程復雜且耦合性高，產品質量控制因素多且管控方式復雜[3]。因此，開展高強極薄銅箔制造過程的質量控制技術及相關質量控制系統的研究，對于實現高強極薄銅箔的高質量穩定性和智能化生產具有重要意義。

在銅箔質量控制技術方面，目前企業一般通過人工巡檢方式進行管控，即發現質量問題后及時調整相關設備或參數，直至銅箔品質恢復至合格水平。例如，在發現銅箔產品質量問題后，根據各階段制造工藝數據、設備運行狀態數據等信息進行原因分析。在銅箔制造過程中各中間產品的質量評定上，主要采取人工核查關鍵質量指標數據的方式。隨著統計過程控制(SPC)等技術的發展，基于SPC 的質量控制技術早已用于電子器件制造行業[4]，也逐步在銅箔制造領域推廣。但以上技術主要用于監測及分析關鍵工藝參數、主要質量狀態指標等方面。

在面向銅箔制造過程的質量控制方面，雖然銅箔制造企業一般都采用了信息化系統，如ERP(企業資源計劃)、MES(制造執行系統)等，但面向質量控制的系統還比較缺乏?，F有關注產品質量的系統如DCS(分布式控制系統)、溶銅制液控制系統、生箔機控制系統、表面處理機控制系統等，主要是圍繞銅箔制造過程單個階段、關鍵質量管控參數進行系統研發與應用。例如，劉相杰等設計的生箔機控制系統主要由PLC(可編程邏輯控制器)、觸摸屏、傳感器、控制電機等組成，具有參數監控、輥子啟停、自動報警等功能[5]；嘉元科技研發的生箔機監測系統可以實現張力、陰極輥轉速、烘箱溫度、生產電流及電壓等參數的監控，并具有在線測厚功能[6]；葉敬敏等設計的表面處理機控制系統主要由驅動控制系統、張力檢測及控制系統、處理槽電解電流檢測及報警系統等構成[7]；曹福強等針對溶銅造液、生箔制備和表面處理3 個制造工序所設計的控制系統可以實時監測各種溶液的濃度，并控制其在設定范圍內變化[8]。

綜上所述，現有面向銅箔制造過程的質量控制系統主要關注關鍵工藝、關鍵設備參數等單一維度的控制，缺乏從設備運行狀態、制造工藝狀態、產品質量狀態等多維度進行集成監控與分析，難以適應高強極薄銅箔這種各階段耦合性強、質量影響因素復雜的制造過程的質量管控。其次，雖然現有質量控制技術及控制系統可以實現撕邊、斷箔、工藝及設備參數超限等常規質量問題的監測與控制，但由于缺乏整個制造過程質量數據的集成機制，難以對工藝知識優化、質量異常原因等方面進行深入分析，更無法為質量大數據分析、人工智能等先進技術的集成應用提供基礎平臺及數據支持。再者，銅箔制造與擠吹塑制造[9]、壓鑄制造[10]等生產過程相似，是一類典型的集中式制造過程，即以若干關鍵設備為核心制造單元，經過相互緊密連接的流程來實現產品的高效制造，因此還需要關注以生箔機、表面處理機等關鍵設備為核心的生產系統的運行質量控制。

針對以上問題，本文圍繞高強極薄銅箔制造過程及其質量穩定性的生產需求，研究并提出了一套面向高強極薄銅箔制造過程的多維度質量控制系統框架設計方案，并從產品質量評定、工藝質量保證和系統運行質量監測3 個維度對系統主要功能內涵及邊界進行了分析，從而為高強極薄銅箔制造過程的集成質量控制提供技術支持與保障，并為質量控制領域自主工業軟件的研發提供工程指導。

1 高強極薄銅箔制造過程簡介

高強極薄銅箔的結構如圖1a 所示，主要由載體箔、剝離層、極薄銅箔、表面處理層等構成[3]。其生產制造流程如圖1b 所示，一般分為溶銅造液、載體箔制備、剝離層與極薄銅箔制備、表面處理及分切包裝。

圖1 高強極薄銅箔的結構(a)及生產制造流程(b)Figure 1 Structural sketch (a) and manufacturing process (b) of high-strength and ultra-thin copper foil

1) 溶銅造液：即在溶銅造液系統中用硫酸、去離子水將銅料制成硫酸銅溶液，并經過多層級過濾，為載體箔和極薄銅箔的制備提供高純低雜的電解液[11]。

2) 載體箔制備：即在生箔機系統中利用電沉積原理使得硫酸銅電解液中的銅離子在陰極輥表面還原沉積(Cu2++ 2e-→ Cu)，并經過陰極輥的連續轉動、剝離等工序，收卷制成載體箔[12]。

3) 剝離層制備：即在表面處理機系統若干個處理槽中進行載體箔清洗、有機剝離層[例如苯并三氮唑(BTA)、羧基苯并三唑(CBTA)等]或無機剝離層(例如Ni–Co、Ni–Cr 等合金層)制備[13]。

4) 極薄銅箔制備：此工序也是在表面處理機中進行，完成剝離層的制備后，在鍍銅電解液中通過電沉積方式在剝離層上沉積一層1.5 ～ 4.5 μm 的極薄銅箔[14]。

5) 表面處理：該工序同樣是在表面處理機系統中進行，通過對極薄銅箔進行粗化、固化、防氧化、硅烷偶聯化等處理，提高極薄銅箔表面與樹脂的剝離強度、抗氧化性等物理化學性能[15]，即完成極薄銅箔的生產。

6) 分切包裝：根據客戶對銅箔的品質、尺寸等要求，對銅箔進行分切、檢驗、包裝，屬于最后的工序。

從上述制造流程可以看出，高強極薄銅箔的生產涉及多個工序，工藝要素眾多且影響關系復雜，各工序耦合性很強，產品質量管控要素多且需分階段進行管控[16]。因此要實現高強極薄銅箔的高質量和智能化生產，必須建立完整的各制造階段質量控制技術及面向整個過程的質量控制系統。

2 面向制造過程的多維度質量控制系統的需求分析及框架設計

2.1 現有控制系統的功能現狀分析

通過查閱資料和對大量銅箔制造企業及銅箔生產設備制造商(如山東金寶、廣州方邦、西安泰金等)的實地調研，發現當前在銅箔制造過程中涉及的質量控制系統主要有以下7 類：

1) 溶銅造液控制系統：以溶銅造液為應用對象，主要實現該工序的溶液濃度、溫度、流量等參數的監測與控制，也可通過調節溶銅泵和補液泵的循環速率，使得硫酸銅電解液的濃度保持在穩定的區間。

2) 生箔機控制系統：以生箔機系統為應用對象，實現陰極輥轉速、生產電流、輔助陰極電流、收卷張力等參數的監測與控制，少部分新系統還具有在線測厚、斷箔報警、撕邊報警等功能。

3) 表面制液控制系統：該系統是表面處理機系統的重要控制系統之一，一般呈現為分布式控制，主要包括表面造液酸性系統、表面造液堿性系統等，可監測與控制槽體溶液的溫度、流量、濃度等主要參數。

4) 表面處理機控制系統：該系統的應用對象也是表面處理機系統，可以實現轉速、收卷張力、各步驟(包括粗化、固化、防氧化等)處理電流等參數的監測與控制。

5) 鍍液成分自動監控系統：一般采用X 熒光檢測等先進技術，可以實現整個制造過程中各種溶液(如電解液、粗化液、固化液、防氧化液等)的成分(主要有Cu、Zn、Fe、H2SO4等)及濃度檢測。

6) 表面缺陷檢測系統：可安裝在生箔機、表面處理機、分切機等設備中，主要是對銅箔表面缺陷進行檢測，可檢測的缺陷類型主要有針孔、滲透點、污跡、折皺等，并對缺陷的位置、大小等進行標注。

7) 分切機控制系統：該系統應用于銅箔制造過程的最后工序，不但可以實現自動分切等功能，也可對分切速率、分切長度等參數進行控制。

2.2 多維度質量控制系統的需求分析

依據2.1 節所述，當前銅箔制造過程及主要設備上都具有一些功能較為完善的控制系統，并具有一定的自動化水平。然而，由于高強極薄銅箔制造過程各工序間流程性強、影響因素耦合性高，現有“單點式、離散式”質量檢測監測系統及控制系統難以滿足其生產穩定性及智能化的需求，這體現在多個方面。

2.2.1 缺乏產品質量狀態評定及質量信息管理

1) 載體箔、剝離層、極薄銅箔等產品是生產過程中重要的階段產品，現有針對以上產品的質量評定大部分采用人工方式，缺乏一套對各階段產品質量狀態的評定方法。

2) 現階段對以高強極薄銅箔為最終產品的質量綜合狀態評價主要依靠人工經驗，沒有結合整個流程的產品質量狀態建立系統化、標準化的定量評價體系與方法。

2.2.2 缺乏制造工藝優化和質量問題溯源

1) 高強極薄銅箔的制造工藝參數眾多、相互影響關系強，當前主要采用經驗試產的方式來確定關鍵的工藝參數，難以滿足生產模式發生變化后快速實現批量生產的要求，試產時間長，且易造成原料浪費。

2) 當前質量問題排查主要依據報警信息，采取人工排查的方式找出導致質量問題的相關因素(如設備運行參數、工藝參數、原料因素等)，效率低下。

2.2.3 缺乏整個生產系統及關鍵部件的服役狀態管理與分析

1) 銅箔生產系統是以溶銅系統、生箔機、表面處理機等關鍵設備為核心的復雜機電系統，其服役狀態對質量穩定性具有重要的影響，現有監測與控制系統各自獨立，缺乏系統整體運行狀態的分析與評判。

2) 銅箔生產系統中存在一類關鍵部件，如圖2 所示的陰極輥和陽極板，由于缺乏這類關鍵部件服役狀態的智能分析手段，因此目前主要憑人工經驗進行定期維護或更換[17]。

圖2 陰極輥(a)和陽極板(b)Figure 2 Cathode drum (a) and anode plate (b)

2.3 面向制造過程的多維質量控制系統的框架設計

依據以上需求，本文從產品質量、工藝質量和系統運行質量3 個維度，提出一種3 層結構的面向高強極薄銅箔制造過程的多維度質量控制系統框架設計方案，如圖3 所示。該系統主要包括制造過程信息集成層、質量大數據分析層及業務應用層。以下簡述各層內涵及邏輯。

圖3 多維度質量控制系統的總體架構Figure 3 Architecture of multidimensional quality control system

2.3.1 制造過程信息集成層

依據高強極薄銅箔制造過程及現有的控制、檢測、監測等系統，實現各制造階段多維度質量數據的集成管理。以產品、工藝和設備3 個維度的數據為核心，集成包括各制造階段的產品(如載體箔、剝離層、極薄銅箔等)質量狀態檢測參數、制造工藝(如溶銅造液、載體箔制備、剝離層制備、極薄銅箔制備、表面處理等)狀態參數和關鍵生產設備(如溶銅系統、生箔機、表面處理機等)的運行狀態參數，從而形成制造過程關鍵要素集成數據庫，為智能化分析及應用提供數據支持。

2.3.2 質量大數據分析層

主要包括產品質量在線評定、工藝質量智能保證、系統運行質量監測等3 個子系統，也是實現對制造過程信息集成層數據智能分析與處理的核心層。

1) 產品質量在線評定系統：主要實現各制造階段的產品質量狀態數據的集成與在線監測，并對載體箔、剝離層、極薄銅箔等產品進行質量等級或合格性評定，以此融合各階段的產品質量評定結果，得到整卷銅箔產品的質量綜合評價結果，該結果可反饋到系統運行質量監測系統，進而評估生產線的運行質量狀態，同時也可為工藝質量智能保證系統提供相應的產品質量信息，使得后者可以完成產品質量問題的溯源和優良工藝的積累工作。

2) 工藝質量智能保證系統：根據銅箔產品質量綜合評價結果及生產線運行質量狀態，將產品質量問題與制造工藝狀態參數、設備運行狀態參數等進行關聯，從而實現產品質量問題的溯源。同時，通過對正常產品質量狀態下的工藝進行分析與積累，建立優良工藝知識庫，當銅箔產品要求或生產設備發生調整時可對所需的制造工藝參數進行優化，實現銅箔高質量、高效益的全流程生產制造。

3) 系統運行質量監測系統：根據銅箔產品質量要求，實時監測生產線上關鍵生產設備的運行狀態和各制造階段的制造工藝狀態，通過對多維度狀態參數進行監測與分析，實現各階段銅箔產品質量的在線監測及異常預警；同時，對關鍵部件的服役狀態進行監測和異常診斷，并建立關鍵部件全服役周期管理信息庫，為生產系統高效、穩定的運行提供保障。

2.3.3 業務應用層

主要面向質量信息管理和質量控制業務需求，構建基于客戶端/服務器架構的軟件系統應用平臺、面向質量控制的數據分析方法庫，以及集成產品質量狀態參數、制造工藝狀態參數及設備運行參數的制造過程關鍵要素集成數據庫，并支持多終端與遠程應用，為企業技術人員實時管控銅箔制造過程的產品質量狀態、工藝質量狀態及生產系統運行狀態提供使能工具。

3 多維度質量控制系統的功能設計

依據2.3 節所述的產品質量、工藝質量、系統運行質量3 個維度的質量控制系統框架，對質量大數據分析層中上述3 個維度對應的系統模塊，即產品質量在線評定系統、工藝質量智能保證系統、系統運行質量監測系統等子系統進行功能設計。

3.1 產品質量在線評定系統的功能設計

產品質量在線評定系統以“產品質量狀態數據集成──產品質量評定──產品質量評價報告生成”為核心功能主線，主要由產品質量在線監測、產品質量在線評定、產品質量評價報告和產品質量信息管理四大功能模塊組成，該系統的功能結構樹如圖4 所示。

1) 產品質量在線監測模塊：主要功能是通過集成以載體箔、剝離層和極薄銅箔為代表的各階段產品質量狀態數據，實現質量狀態數據的在線監測。也就是基于現有的產品質量要素檢測儀器，例如表面粗糙度測量儀、測厚儀、分析天平、剝離強度測試儀、萬能試驗機、表面缺陷檢測系統等，將產品的機械厚度、單位面積質量、剝離強度、(常溫/高溫)抗拉強度、(常溫/高溫)延伸率、表面外觀缺陷等質量狀態數據集成到軟件系統平臺，從而為后續的產品質量在線評定及質量狀態數據的展示提供數據支撐。

2) 產品質量在線評定模塊：該模塊是產品質量在線評定系統的核心，利用產品質量在線監測模塊集成的產品質量狀態數據，通過調用質量評定規則知識庫中特定產品的質量評定方法，能夠實現對載體箔、剝離層、極薄銅箔等各階段產品的質量評定；在此基礎上，融合各階段產品的質量評定結果，實現整卷銅箔產品的質量綜合評價。同時，通過集成各類銅箔產品的檢驗標準(例如GB/T 5230–2020《印制板用電解銅箔》)及下游客戶的產品要求、細則等構建質量評定規則知識庫，實現對不同規格、不同階段的銅箔產品的質量評定；質量評定結果一般包括質量問題發生的位置、質量等級或者質量合格性等，具體的質量評定流程如圖5 所示。

圖5 質量評定流程Figure 5 Quality evaluation process

3) 產品質量評價報告模塊：該模塊通過報告的形式整合并展現載體箔、剝離層與極薄銅箔的質量評定結果和整卷銅箔的產品質量綜合評價結果，同時通過構建質量問題-工藝參數關聯規則與策略，與工藝質量智能保證系統進行交互，為后續產品質量問題溯源提供產品質量信息支持?；诋a品質量評價報告，可將產品質量問題反饋到系統運行質量監測系統，以此評估關鍵設備的運行狀態和各制造階段的工藝狀態，以指導企業技術人員對銅箔制造過程中相關的生產設備或工藝進行調整。

4) 產品質量信息管理模塊：主要功能是對以載體箔、剝離層和極薄銅箔為核心的各階段產品的質量狀態數據進行管理，以實現對不同產品及其對應的制造工藝數據的管理。通過該模塊實現的產品信息-工藝數據的多層級管理，能為工藝質量智能保證系統提供相關的產品質量信息和工藝數據信息。

3.2 工藝質量智能保證系統的功能設計

工藝質量智能保證系統以“產品質量追溯──制造工藝優化”為核心功能主線，主要功能是通過分析銅箔制造過程的質量大數據，追溯產品質量異常的原因，并據此給出相應的工藝改進措施；同時對優良銅箔產品的制造過程數據進行積累，形成優良工藝知識庫，當銅箔產品要求、生產設備、生產模式等發生改變時智能調用知識庫，可以根據制造過程狀態和環境變化，對工藝參數進行調整和優化。如圖6 所示，該系統主要包括三大功能模塊，分別是產品質量診斷分析、制造工藝參數保證和產品-工藝信息管理。

圖6 工藝質量智能保證系統功能樹Figure 6 Function tree of intelligent process quality assurance system

1) 產品質量診斷分析模塊：其核心功能主要集成在問題分析方法庫中，基于領域知識和各類異常變量分析方法建立的問題分析方法庫可以匹配出不同產品質量問題的最佳分析方法，從而實現產品質量問題的精準溯源。換言之，該模塊可以根據產品質量問題名稱或者質量問題發生的時間進行管理與查詢，并對選定的質量問題進行全面分析，智能地診斷出導致載體箔、剝離層、極薄銅箔等各階段產品出現質量問題的原因；在此基礎上自動生成診斷結果及相應的工藝改進措施，從而指導企業技術人員調整相關的工藝或設備，實現高質量生產。其技術流程如圖7 所示。

圖7 質量問題溯源流程Figure 7 Quality problem tracing process

2) 制造工藝參數保證模塊：其核心功能主要為優良工藝知識庫管理和制造工藝參數優化。對于質量等級較高的產品，優良工藝知識庫管理可以積累該產品制造過程中優良的設備運行參數、制造工藝參數、產品質量參數等信息，建立優良工藝知識庫。當生產模式變化時，在相關條件(如溶液成分、添加劑類型等)不變或者相似的情況下，可以自動調用優良工藝知識庫中積累的知識，智能地設置最優的工藝參數，從而為后續的銅箔生產制造提供最優的生產工藝，保證銅箔的高質量生產，其技術流程如圖8 所示。

圖8 工藝參數優化流程Figure 8 Process parameters optimization process

3) 產品-工藝信息管理模塊：該模塊主要對各階段產品的制造工藝狀態數據進行管理，在此基礎上分別實現問題產品-工藝數據的關聯管理和優良產品-工藝數據的關聯管理。問題產品-工藝數據的關聯管理，能為產品質量診斷分析模塊積累并提供基礎的質量數據和工藝數據，而優良產品-工藝數據的關聯管理則負責為優良工藝知識庫的建立提供基礎數據。

3.3 系統運行質量監測系統的功能設計

如圖9 所示，系統運行質量監測系統以“設備狀態監測──工藝狀態監測──產品狀態監測”為核心功能主線，主要包括生產線運行狀態監測、關鍵部件服役狀態監測、系統監測信息配置、設備-部件信息管理等4 個模塊，即通過集成多維度的設備運行狀態數據和制造工藝狀態數據，實現整條產線系統運行狀態的實時監測、產品質量在線預警等功能。該系統基于多維度傳感數據融合分析方法庫，可實時對工藝參數的波動狀態和設備的運行狀態進行監測與分析，為高強極薄銅箔制造過程中各階段的產品質量狀態預警和設備故障診斷提供依據；同時，基于關鍵部件全服役周期管理庫，可對銅箔生產線上的關鍵部件實行服役狀態監測、剩余壽命預測和異常狀態診斷，從而為企業提供一套完整、經濟的關鍵部件監控與檢修方案。

圖9 系統運行質量監測系統功能樹Figure 9 Function tree of operation monitoring system

1) 生產線運行狀態監測模塊：通過構建多傳感數據融合分析方法庫，對多維度的制造工藝狀態參數和設備運行狀態參數進行分析，實現以溶銅造液、載體箔制備、剝離層制備、極薄銅箔制備及表面處理為核心工序的制造工藝狀態，以及以溶銅系統、生箔機與表面處理機為核心生產設備的總體運行狀態的實時監測，并依據上述制造工藝狀態和設備運行狀態監測管理，實現高強極薄銅箔制造過程中各階段產品質量異常狀態的在線預警。其技術流程如圖10 所示。

圖10 生產線狀態監測流程Figure10 Production line status monitoring process

2) 關鍵部件服役狀態監測模塊：基于關鍵部件全服役周期管理庫，對部件自身狀態、溶液質量狀態、產品質量狀態等進行融合分析，不僅實現以陰極輥和陽極板為代表的關鍵部件的運行狀態監測、剩余壽命分析等功能，而且實現常見的陰極輥表面氧化、陽極板腐蝕等異常狀態的診斷與分析，以指導企業及時對這些關鍵部件進行維護或更換。其技術流程如圖11 所示。

3) 系統監測參數配置模塊：該模塊的功能是實現系統運行質量監測所需要信息的配置，主要是對生產產品、生產設備、制造工序及監測參數的信息配置。生產產品配置實現對載體箔、剝離層、極薄銅箔等階段性產品生產要求的配置；生產設備配置實現對溶銅系統、生箔機、表面處理機等核心生產設備及其監測參數的配置；制造工序配置則是對高強極薄銅箔制造過程中溶銅造液、載體箔制備、剝離層制備、極薄銅箔制備、表面處理等5 個主要工序及其對應的監測參數進行配置。通過上述監測信息配置，為“生產線運行狀態監測”和“關鍵部件服役狀態監測”兩個模塊提供基本的監測信息要求。

4) 設備-部件信息管理模塊：其主要功能是對溶銅系統、生箔機、表面處理機等核心設備與陰極輥、陽極板等關鍵部件進行基本信息的管理，為銅箔制造企業更換或者維護設備部件提供系統化、模塊化的管理平臺。

4 結語

依據本文所提出的多維度質量控制系統設計方案，結合本文基金項目的要求，目前已在聯合開發的西安某銅箔設備廠完成現有生產過程控制系統的數據集成，并初步完成了面向高強極薄銅箔制造過程的多維度質量控制系統的原型開發。

后續將進一步對系統進行底層代碼開發，并在銅箔生產線上聯調聯試。預計該系統完成開發并在高強極薄銅箔示范生產線上進行應用后，將有助于銅箔生產企業從產品、工藝和設備系統3 個維度對銅箔制造過程進行更科學的監測與管控，以實現高強極薄銅箔的高質量、智能化和穩定性生產。

本文提出的多維度質量控制系統充分考慮了現有高強極薄銅箔生產系統的特征及質量控制的需求，不但為后續質量系統的高效研發與產業化應用提供基礎方案，也可以為壓力鑄造、擠吹塑制造、冷熱軋制等生產過程的質量控制提供參考與指導。