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掃描電鏡在電解銅箔中的應(yīng)用

歐波同 2024-09-05 | 閱讀：524

金屬銅具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、可塑性和導(dǎo)熱性，制出的銅箔工藝成熟，成本低，已被廣泛運(yùn)用于各個(gè)行業(yè)。在電子制造行業(yè)中，銅箔是生產(chǎn)印制電路板（PCB）的主要原材料，高密度互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)印刷電路板提出更密、更薄、更平的要求；在鋰電行業(yè)，電解銅箔作為負(fù)極集流體，是制備鋰離子電池的基礎(chǔ)原材料，同樣輕薄化也是未來鋰電銅箔的發(fā)展方向。

銅箔的分類

近年來，隨著智能消費(fèi)類電子產(chǎn)品、5G 通信和動(dòng)力汽車的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了銅箔行業(yè)的繁榮，銅箔已成為國民經(jīng)濟(jì)不可或缺的基礎(chǔ)性原材料。常規(guī)而言銅箔是指厚度小于200 μm 的銅薄膜材料，目前常采用以下幾類方法對(duì)其進(jìn)行分類：

按應(yīng)用可分為印制線路板銅箔、覆銅層壓板銅箔、裝飾用銅箔和鋰電池用銅箔等。按生產(chǎn)工藝可分為壓延銅箔和電解銅箔。除此之外，還可以按照銅箔厚度和表面形貌進(jìn)行分類。

圖1：電解銅箔的分類

電解銅箔的應(yīng)用

壓延銅箔延展性優(yōu)、工藝更復(fù)雜且成本高。壓延銅箔是通過軋制厚銅板并進(jìn)行一系列表面處理后形成的銅箔，其優(yōu)點(diǎn)在于屈服強(qiáng)度和延展性較高、表面粗糙度較低，致密度和彈性較好。缺點(diǎn)在于生產(chǎn)工藝復(fù)雜、流程長、成本高，且極限厚度和寬度受到軋輥限制，因此應(yīng)用受限。

電解銅箔工藝較成熟，生產(chǎn)效率高成本低。電解銅箔是以硫酸銅溶液為原料，在電解槽中進(jìn)行電解達(dá)到的。電解槽中以不溶性材料為陽極、陰極輥為陰極，其中陰極輥底部浸在硫酸銅電解液中旋轉(zhuǎn)，溶液中的銅沉積到陰極輥筒的表面形成銅箔。這種方法的優(yōu)勢在于生產(chǎn)工藝相對(duì)壓延法簡單，成本低，銅箔厚度和寬度可控范圍大。目前電解銅箔制造技術(shù)已較為成熟，高性能電解銅箔已廣泛應(yīng)用于PCB與鋰離子電池制造中。

圖2.電解生箔的工序流程

電解銅箔的生產(chǎn)壁壘主要在添加劑和陰極輥的選擇。陰極輥是生箔機(jī)的核心及關(guān)鍵部件，其質(zhì)量決定銅箔的檔次和品質(zhì)。由于陰極輥長期處于強(qiáng)腐蝕性的工作環(huán)境中，表面腐蝕快，要求陰極輥輥面鈦材料的微觀組織均勻細(xì)微化，晶體尺寸一致和低含氫量等，才能保證銅離子在陰極上均勻沉積，得到厚度均勻的銅箔。

電解銅箔的微觀形貌

如何評(píng)價(jià)電解銅箔表面晶粒的均勻性是表征銅箔性能的重要指標(biāo)。掃描電鏡作為材料微觀尺寸分析的重要工具，在銅箔表面晶粒觀察中起到了不可替代的作用。

如下圖3所示，采用賽默飛智能型鎢燈絲掃描電鏡AxiaChemiSEM所獲的的PCB銅箔毛面形貌圖。圖3右圖銅箔晶體晶粒細(xì)小緊密且均勻，結(jié)晶組織為等軸、球形晶粒結(jié)構(gòu)。銅箔粗化面呈現(xiàn)較淺而圓的輪廓狀，而傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的厚銅箔(圖3左)是鋸齒狀或山丘形的表面狀態(tài)。

圖3:不同工藝生產(chǎn)的PCB銅箔毛面形貌

銅箔由于具有良好的導(dǎo)電性、柔韌性和適中的電位，耐卷繞和輾壓，制造技術(shù)成熟，且價(jià)格相對(duì)低廉，在電池充放電過程中便充當(dāng)石墨等負(fù)極活性材料載體，同時(shí)作為負(fù)極集流體，將電池活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集起來，以產(chǎn)生更大的輸出電流。相比于電子銅箔，鋰電銅箔要求銅箔的厚度更薄，表面更光滑，晶粒更細(xì)小且均勻。

銅箔厚度越薄，在電芯體積不變的條件下，可以增大活性材料的用量，漿料涂覆厚度增厚，使電芯能量密度提高。除此之外，銅箔表面粗糙度和晶粒大小也直接影響負(fù)極活性物質(zhì)在銅箔表面的附著力。

如圖4采用賽默飛智能型鎢燈絲掃描電鏡AxiaChemiSEM所拍攝的鋰電銅箔表面形貌。從圖中可以看出，銅箔毛面非常平整、無明顯缺陷，說明該工藝配方具有較好的整平效果，得到的銅箔組織均勻且具有較好的外觀。

圖4. 不同放大倍數(shù)下鋰電銅箔表面形貌

賽默飛Axia ChemiSEM

賽默飛Axia ChemiSEM全新智能型鎢燈絲掃描電鏡，具備操作方便，適用人群廣泛的特點(diǎn)。全中文操作界面，日常操作無需光闌合軸，內(nèi)置的用戶使用指南方便任何人員進(jìn)行操作，最大程度降低了設(shè)備操控性。不僅如此，Axia的高穩(wěn)定樣品倉設(shè)計(jì)，還可以容納大而重的樣品。標(biāo)配5種探測器，完善的探測系統(tǒng)和直觀的導(dǎo)航系統(tǒng)，可幫助用戶快捷、全面的掌握樣品信息。