扫描电镜在电解铜箔中的应用

金属铜具有优异的导电性、可塑性和导热性，制出的铜箔工艺成熟，成本低，已被广泛运用于各个行业。在电子制造行业中，铜箔是生产印制电路板（PCB）的主要原材料，高密度互联技术的发展，对印刷电路板提出更密、更薄、更平的要求；在锂电行业，电解铜箔作为负极集流体，是制备锂离子电池的基础原材料，同样轻薄化也是未来锂电铜箔的发展方向。

近年来，随着智能消费类电子产品、5G 通信和动力汽车的迅猛发展带动了铜箔行业的繁荣，铜箔已成为国民经济不可或缺的基础性原材料。常规而言铜箔是指厚度小于200 μm 的铜薄膜材料，目前常采用以下几类方法对其进行分类：

按应用可分为印制线路板铜箔、覆铜层压板铜箔、装饰用铜箔和锂电池用铜箔等。按生产工艺可分为压延铜箔和电解铜箔。除此之外，还可以按照铜箔厚度和表面形貌进行分类。

图1：电解铜箔的分类

压延铜箔延展性优、工艺更复杂且成本高。压延铜箔是通过轧制厚铜板并进行一系列表面处理后形成的铜箔，其优点在于屈服强度和延展性较高、表面粗糙度较低，致密度和弹性较好。缺点在于生产工艺复杂、流程长、成本高，且极限厚度和宽度受到轧辊限制，因此应用受限。

电解铜箔工艺较成熟，生产效率高成本低。电解铜箔是以硫酸铜溶液为原料，在电解槽中进行电解达到的。电解槽中以不溶性材料为阳极、阴极辊为阴极，其中阴极辊底部浸在硫酸铜电解液中旋转，溶液中的铜沉积到阴极辊筒的表面形成铜箔。这种方法的优势在于生产工艺相对压延法简单，成本低，铜箔厚度和宽度可控范围大。目前电解铜箔制造技术已较为成熟，高性能电解铜箔已广泛应用于PCB与锂离子电池制造中。

图2.电解生箔的工序流程

电解铜箔的生产壁垒主要在添加剂和阴极辊的选择。阴极辊是生箔机的核心及关键部件，其质量决定铜箔的档次和品质。由于阴极辊长期处于强腐蚀性的工作环境中，表面腐蚀快，要求阴极辊辊面钛材料的微观组织均匀细微化，晶体尺寸一致和低含氢量等，才能保证铜离子在阴极上均匀沉积，得到厚度均匀的铜箔。

如何评价电解铜箔表面晶粒的均匀性是表征铜箔性能的重要指标。扫描电镜作为材料微观尺寸分析的重要工具，在铜箔表面晶粒观察中起到了不可替代的作用。

如下图3所示，采用赛默飞智能型钨灯丝扫描电镜AxiaChemiSEM所获的的PCB铜箔毛面形貌图。图3右图铜箔晶体晶粒细小紧密且均匀，结晶组织为等轴、球形晶粒结构。铜箔粗化面呈现较浅而圆的轮廓状，而传统工艺生产的厚铜箔(图3左)是锯齿状或山丘形的表面状态。

图3:不同工艺生产的PCB铜箔毛面形貌

铜箔由于具有良好的导电性、柔韧性和适中的电位，耐卷绕和辗压，制造技术成熟，且价格相对低廉，在电池充放电过程中便充当石墨等负极活性材料载体，同时作为负极集流体，将电池活性物质产生的电流汇集起来，以产生更大的输出电流。相比于电子铜箔，锂电铜箔要求铜箔的厚度更薄，表面更光滑，晶粒更细小且均匀。

铜箔厚度越薄，在电芯体积不变的条件下，可以增大活性材料的用量，浆料涂覆厚度增厚，使电芯能量密度提高。除此之外，铜箔表面粗糙度和晶粒大小也直接影响负极活性物质在铜箔表面的附着力。

如图4采用赛默飞智能型钨灯丝扫描电镜AxiaChemiSEM所拍摄的锂电铜箔表面形貌。从图中可以看出，铜箔毛面非常平整、无明显缺陷，说明该工艺配方具有较好的整平效果，得到的铜箔组织均匀且具有较好的外观。

图4. 不同放大倍数下锂电铜箔表面形貌

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