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掃描電鏡在電解銅箔中的應用

歐波同 2024-09-05 | 閱讀：1962

金屬銅具有優異的導電性、可塑性和導熱性，制出的銅箔工藝成熟，成本低，已被廣泛運用于各個行業。在電子制造行業中，銅箔是生產印制電路板（PCB）的主要原材料，高密度互聯技術的發展，對印刷電路板提出更密、更薄、更平的要求；在鋰電行業，電解銅箔作為負極集流體，是制備鋰離子電池的基礎原材料，同樣輕薄化也是未來鋰電銅箔的發展方向。

銅箔的分類

近年來，隨著智能消費類電子產品、5G 通信和動力汽車的迅猛發展帶動了銅箔行業的繁榮，銅箔已成為國民經濟不可或缺的基礎性原材料。常規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其進行分類：

按應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行分類。

圖1：電解銅箔的分類

電解銅箔的應用

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

電解銅箔工藝較成熟，生產效率高成本低。電解銅箔是以硫酸銅溶液為原料，在電解槽中進行電解達到的。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，溶液中的銅沉積到陰極輥筒的表面形成銅箔。這種方法的優勢在于生產工藝相對壓延法簡單，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已較為成熟，高性能電解銅箔已廣泛應用于PCB與鋰離子電池制造中。

圖2.電解生箔的工序流程

電解銅箔的生產壁壘主要在添加劑和陰極輥的選擇。陰極輥是生箔機的核心及關鍵部件，其質量決定銅箔的檔次和品質。由于陰極輥長期處于強腐蝕性的工作環境中，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

如何評價電解銅箔表面晶粒的均勻性是表征銅箔性能的重要指標。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小緊密且均勻，結晶組織為等軸、球形晶粒結構。銅箔粗化面呈現較淺而圓的輪廓狀，而傳統工藝生產的厚銅箔(圖3左)是鋸齒狀或山丘形的表面狀態。

圖3:不同工藝生產的PCB銅箔毛面形貌

銅箔由于具有良好的導電性、柔韌性和適中的電位，耐卷繞和輾壓，制造技術成熟，且價格相對低廉，在電池充放電過程中便充當石墨等負極活性材料載體，同時作為負極集流體，將電池活性物質產生的電流匯集起來，以產生更大的輸出電流。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極活性物質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。全中文操作界面，日常操作無需光闌合軸，內置的用戶使用指南方便任何人員進行操作，最大程度降低了設備操控性。不僅如此，Axia的高穩定樣品倉設計，還可以容納大而重的樣品。標配5種探測器，完善的探測系統和直觀的導航系統，可幫助用戶快捷、全面的掌握樣品信息。