从GB300到微观战场，阴极辊如何撑起AI时代的铜箔革命？
黄仁勋在Computex 2025现场举起GB300芯片时，全场沸腾了——这颗功耗高达1400W的“怪兽”，将AI大型语言模型的响应时间从Hopper时代的1.5分钟压缩到10秒！
这可不是什么“挤牙膏”式升级，而是一次产业链重构的算力革命。想象一下，一块巴掌大的芯片，功耗直奔1400W（比你家微波炉还猛），还得泡在“冷水”里才能工作……是不是像极了科幻片里的“热核反应堆”？
GB300的横空出世，让CoWoP封装工艺再次成为科技圈的焦点,将直接重构AI硬件生态链。这款被寄予厚望的AI芯片，在追求*算力的路上，对内部互联的“血管”——超薄铜箔提出了更为苛刻的要求：几微米的厚度里，每一丝纹路的粗细、每一寸表面的光滑度，都直接关乎算力能否奔腾如流。
产业链的超级风口在哪里？
要造出这样“吹弹可破”却又性能强悍的超薄铜箔，离不开一位幕后功臣——阴极辊。这根看似普通的钛辊，正随着AI芯片的升级浪潮，从产业链的深处走到台前，成为产业供应链里不可小觑的关键角色。
高端PCB作为AI芯片和服务器等先进电子设备的关键原材料，其质量深度依赖电解铜箔的品质，而阴极辊是电解铜箔生产的“心脏”，直接决定铜箔的厚度均匀性、表面粗糙度等关键指标是否能够满足高端PCB微米级精度要求。
阴极辊工作原理
在电解铜箔制造过程中，通过轴承架和安装在阴极辊钢轴两端的轴承，将阴极辊悬空架置在电解阳极槽内弧面中。由于阳极槽内弧面内安装涂层阳极板，这样使阴极辊和涂层阳极板之间形成一个电解工作区域。将电源正极连接电解阳极槽，电源负极连接阴极辊，然后通电；电流同时从阴极辊钢轴两端的导电环导人到两端导电铜排，再从两端导电铜排导入到两端导电铜板，再导入到整个钢辊芯面，最后导入到整个钛辊面。
同时，从阳极槽底部的进液口，通过净液泵将硫酸铜溶液送入到阳极槽内的涂层阳极板上，进入电解工作区域，进行电解。由于阴极辊为负极导电体，所以导入到阴极辊辊面的电流必须充分均匀，这样铜离子才能向阴极辊辊面迁移，并均匀沉积。随着阴极辊驱动端减速机带动齿轮的转动，安装在阴极辊钢轴驱动端的齿轮也带动阴极辊连续匀速圆周转动；同时，随着硫酸铜溶液连续不断地循环，电解工作区域内铜离子增多，不断地向阴极辊工作区域的辊面迁移沉积。整个辊面沉积的铜箔由薄变厚，通过剥离装置，将铜箔从阴极辊辊面剥离并收卷。
电解铜箔生产流程
阴极辊组成
阴极辊是由钢轴、钛端板、钛堵盖、钛环、塑料环、密封圈、钛筒、钢辊芯组焊而成，如图所示。其中，钢轴、钛筒、钢辊芯为阴极辊关键零部件，对于最终阴极辊生成铜箔的质量起着关键作用。所以这几个关键零部件每一步制作，都需要严格控制。
钢轴
钢轴作为阴极辊关键零部件之一，起着支撑阴极辊，承受阴极辊所有重力的作用，钢轴的材料选择强度、塑性都较高的45钢，经过调质处理，提高钢轴的金相组织均匀性和力学性能后方可使用。钢轴的结构、尺寸选择匹配合理，经模拟软件测试其工作状态下满足所有承受力及疲劳强度后方可。对于成品钢轴，必须通过动平衡、静平衡相关实验调整到一定范围内，表面跳动也有非常严格的要求。
钢辊芯
钢辊芯由钢轴、导电铜排、保护钛套、定位块、导电铜板、铜钢复合板、支撑筋板、支撑钢板、钢筒等组焊而成。钢辊芯是阴极辊受力的支撑主体，保持阴极辊的几何形状不变形，不发生微变、蠕变。
钛筒
由阴极辊工作原理可以看出，阴极辊在生产中，辊面上要有足够充分的电流，而且分布到整个辊面的电流要十分均匀。若辊面局部电流不均匀时，辊面局部就会出现过热、电击。同时，生成的铜箔不同部位克重有偏差，整个铜箔的厚度不均匀，影响铜箔的成品质量。而且，提高电流密度是提高产量的重要措施。所以，电流在阴极辊表面均匀分布是铜箔正常生产，保证质量的前提。而影响辊面充分导电及导电均匀性的因素主要是导电系统和钛筒体。
在阴极辊制作中，钛筒体的控制更是重中之重。阴极辊钛筒体的外观和微观质量决定着铜箔成品的外观和微观质量。辊面应光滑平整，无光斑、色差、网纹；辊面粗糙度值越低，几何尺寸均匀性越好，生成的铜箔表面才会光滑、无色差。辊面微观晶粒越细小、大小相当，排列一致性越好，才能生成超薄超韧性的铜箔。
阴极辊面机械加工光洁度高了，辊面状态就相对稳定些。这样使阴极表面的电力线密度会更高，电场能才会更均匀。辊面沉积的铜箔微观晶粒就会更致密。
如何生产高品质的电解铜箔？
阴极辊研磨工艺
由于电解铜箔是在阴极辊表面沉积而成的，是阴极辊表面结构的映射，因此阴极辊的表面状态就直接决定了铜箔的表面状态。阴极辊表面越均匀，越细腻，则生产出的铜箔表面越均匀；反之，阴极辊表面越粗糙，铜箔表面色泽越不均匀，会有雪花斑，严重时甚至出现亮面铜粉、乌化等现象。
阴极辊的表面状态不但直接影响铜箔的表面品质，更对铜箔的晶粒结构产生作用。铜离子在沉积到阴极辊的过程中，阴极辊表面不同的粗糙度首先会影响阴极表面积的大小，进而影响电解过程的电流密度，最终影响到铜箔晶粒的大小、形状和分布，严重时甚至导致渗透孔的出现。而这些都与阴极辊表面状态息息相关。
要生产出高品质的电解铜箔，对阴极辊的表面提出以下要求：阴极辊晶粒细小，表面色泽均一，粗糙度均匀，表面洁净、无氧化、无深划痕、少亮线、无明暗带等。
电解铜箔在生产过程中，阴极辊表面的机械腐蚀和电化学腐蚀会逐渐加剧。生产时间越长，阴极辊表面腐蚀越严重，进而影响铜箔的表面品质。目前市场对同一卷铜箔表面一致性要求极高。因此，阴极辊在使用一段时间后必须进行抛光，将阴极辊表面因腐蚀而产生的银色氧化膜以及附着在阴极辊表面的杂质一并去除，恢复阴极辊表面平整光滑的工作状态。
修复阴极辊途径 主要有在线抛光和离线抛光两种方式。
在线抛光是指阴极辊不调离生产线，对阴极辊表面进行轻度清洁，去除表面氧化皮和杂质，一般采用阴极辊专用磨刷。因为无需将阴极辊调离，所以在线抛光对生产影响较小，操作相对方便。一般可以调整抛光时间间隔、磨刷粒度、磨刷硬度等条件，使得阴极辊始终保持较好的表面状态，维持电解铜箔的表面一致性。
当阴极辊表面出现碰伤或者划伤而不能由在线研磨进行修复时，就需要将阴极辊调离生产线，使用研磨力更强的聚乙烯醇研磨轮在专用的磨床上进行修复，此所谓离线抛光。离线抛光需要停产，会影响生产效率，同时在拆装过程中要非常小心，阴极辊表面不能再产生碰伤和划伤。
磨刷结构
磨刷的结构
磨刷有3种形式：叠合形式，飞翼形式，卷紧形式。3种形式满足了不同金属的研磨需要。其中叠合形式和卷紧形式多应用于不锈钢。对于钛辊的在线研磨，考虑到钛是比较软的金属，且需提供均匀一致的清洁效果和较强的研磨力，所以大多采用飞翼形式。飞翼形式可以通过改变研磨材料的种类和片数来调整磨刷的研磨力和均匀性。联系电话：19921272900
磨料选择
常见的磨料类型及形状如下图所示，每种磨料的硬度、韧性和适用的材质均有不同。阴极辊的材质为钛，是一种对研磨温度极度敏感且非常难加工的金属。针对钛金属的抛光清洁应用，推荐采用黑碳化硅磨料进行研磨，主要原因是相对于其他磨料，碳化硅外形更加尖锐，同时矿砂比较容易破碎，在研磨钛表面时研磨力强，不容易粘着，矿砂在破碎的过程中能维持研磨力。
磨料类型与形状
磨刷粒度
粒度是指磨料颗粒的粗细程度，磨料的粗细规格用粒度号来表示。目前各国所采用的粒度划分标准不同，如日本采用JIS标准，美国采用ANSI标准，欧洲采用FEPA标准，中国的GB标准与FEPA一样。磨料颗粒越粗，研磨力越强，去除氧化皮杂质的效果越好，同时研磨后阴极辊表面越粗糙；颗粒越细，研磨力越弱，研磨出来的阴极辊表面越细腻、均匀。
不同磨粒标准的粒径对照表
磨刷研磨力
磨刷的研磨力主要通过2个方面来调整：一是不织布研磨材料本身的研磨力；二是磨刷的硬度(或者片数)。其中不织布研磨材料对研磨过程起决定性作用。
不织布研磨材料由3个部分构成：矿砂、纤维、结合剂。在研磨阴极辊的过程中，这3个要素相互影响。磨粒在研磨中起主要作用，结合剂的力学性能、纤维的结构强度等也同样影响研磨效果。简言之，通过这3个部分的调整可以获得具有不同研磨力和均匀性的研磨材料，进而影响最终的抛光效果。
无纺布研磨材料结构及弹性研磨原理
与普通的砂纸不同，无纺布研磨材料的基材是尼龙，磨粒对工件表面更多的只是表面清洁、抛光等作用，这个过程被称为“弹性研磨”。弹性研磨主要改变工件的表面状态，不改变工件的本体尺寸，这一点在钛辊清洁中非常重要。
研磨效果评价指标
阴极辊研磨后的粗糙度是研磨效果的核心控制参数，其中以Ra、Rz最为常见。
Ra是指一个取样长度内，被测轮廓线上各点距中线距离的算术平均值。它反映了整体平均的粗糙度水平。
Ra的定义
Rz是在取样长度内5个*的轮廓峰高的平均值与5个*的轮廓谷深的平均值之和，它反映了表面的均匀性。
Rz的定义
阴极辊在线研磨常见工艺
(1) 粗磨，其主要目的是初步清除表面的氧化层和杂质，将这些杂质和氧化层从钛辊表面转移到磨刷表面。
(2) 清洁磨刷，将磨刷表面的杂质洗去，使磨刷表面恢复清洁。
(3) 精抛，即再次用磨刷抛光钛辊表面，使得钛辊表面达到均匀一致的效果。
由于生箔设备生产厂家不同，每个铜箔制造企业会根据自身的设备情况对研磨步骤进行调整。重点是避免出现由于杂质累积而造成的明暗带、磨刷表面堵塞等情况。
官网：yuanjuxing.com
阴极辊在线研磨影响要素和研磨效果之间的关系研究框架
钛辊表面研磨效果需要考察以下几个方面：阴极辊表面是否均匀，无划伤或亮线；阴极辊表面氧化层、杂质是否研磨干净，进而影响阴极辊的氧化周期；阴极辊表面的Ra、Rz是否稳定可控，能否满足不同厚度、不同粗糙度铜箔的生产要求；阴极辊研磨后生成的铜箔有无针孔、撕边、过氧化等情况。
影响因素包括：无纺布材料本身的配方、粒度选择，无纺布加工成刷子的工艺、片数选择，以及现场设备的工艺参数调整等。
在线研磨常见问题及解决方案
阴极辊表面出现亮线/深划痕
在阴极辊研磨过程中时常会有深划痕出现。其主要原因是磨刷表面出现杂质或者大的胶砂颗粒。可以选择不同种类的无纺布研磨材料来改善亮线和深划痕的问题，同时适当降低磨刷的工作压力或者调整磨刷的软硬度。
阴极辊表面粗糙度不达标
粗糙度是研磨效果的综合反映，主要由磨刷的选择和工艺参数所决定。通过调整工艺参数和磨刷可以改变在线研磨后阴极辊表面的粗糙度。
研磨后阴极辊的表面粗糙度与目标值相差较大可能是磨刷的粒度选择出现误差。不同粒度的磨刷在同等参数下研磨出的光亮度和粗糙度完全不同，需要根据客户的目标进行适当选择。
亮线/深划痕示意图
在工艺参数方面，适当增大(减小)研磨压力会令粗糙度增大(减小)，转速、摆动频率、磨刷的旋转方向等也会影响阴极辊的粗糙度。通过调整这些工艺参数可获得不同的表面粗糙度。
氧化周期过短或者不稳定
氧化周期是指钛辊在线使用过程中两次研磨间隔的时间。磨刷的研磨力和钛辊的清洁效果息息相关，而表面清洁效果直接影响到钛辊的氧化周期：如果阴极辊清洁不干净，阴极辊很快就会再次氧化，必须停机进行再次研磨；反之，钛辊表面深度清洁干净则可以保持较长久的时间不需要研磨，从而保证长时间连续生产。
氧化周期过短可能是因为磨刷本身的研磨力不够，或者是因为磨刷使用过程中表面累积了污染而造成研磨力不够，清洁不干净。磨刷研磨力的调整方法为：选用同一粒度、但是研磨力更强的磨刷，或者选用粒度更大的磨刷。更换磨刷之后需要适当调整工艺参数，以满足生箔的要求。
需要特别注意的是，当磨刷表面污染累积到一定程度时，很难通过水流的冲洗来达到清洁的目的，只能通过离线的外圆修整来去除表面污物。通过调整磨刷定期离线修磨的频率和尺寸可以解决磨刷表面污染累积的问题。
阴极辊表面出现明暗带
新磨刷上机后，在研磨若干次阴极辊之后，有时会在阴极辊表面留下明暗带，这时需要观察两点：
(1)明暗带对应磨刷的位置是否有杂质残留；
(2)阴极辊明暗带和磨刷喷水口的位置是否有对应关系。
阴极辊表面明暗带示意图
依据现场经验，明暗带的产生与磨刷表面杂质的累积相关。有杂质累积的地方，磨料的暴露较少，研磨力不够，而没有杂质的地方，磨料正常裸露。这导致了磨刷表面光泽不均匀，最终在阴极辊表面产生明暗带。
短期的解决方法是降低转速，减少杂质在磨刷表面的累积。长期的解决方案是通过调整喷水口的流量和位置，加速清洁磨刷表面，使其在使用时一直保持清洁。
阴极辊钛材晶格结构
微合金化技术
阴极辊钛材的晶格结构与耐腐蚀性能密切相关。河南省科学院材料研究所宋克兴教授团队研究发现，通过微量Sc元素微合金化处理，可显著改善钛材的耐腐蚀性能。具体表现为：
微观结构优化
微量Sc添加能促进钛表面形成致密的TiO₂、Sc₂O₃钝化膜，同时抑制氢原子在晶格中的扩散，减少腐蚀产物膜裂纹的产生和扩展，从而增强晶格稳定性。
腐蚀机制
Sc元素通过增强H原子吸附能力，抑制氢气释放，并降低Fe杂质元素对晶界腐蚀的促进作用，进一步延缓晶格破坏。
实际应用
该技术已应用于电解铜箔生产中的阴极辊设计，通过优化晶粒尺寸（细小均匀）和耐腐蚀性能，提升铜箔表面质量及设备长寿命运行能力。
循环热处理工艺
采用“搅拌摩擦焊接+循环热处理”工艺，通过905-915℃高温保温后快速冷却，重复3-4次；再经595-605℃低温保温，最终实现晶粒均匀化。该方法成本低且可控性强，适用于工业量产。
异质结构调控
通过多步热处理在Ti-55531合金中构建粗细α相层状交替分布的异质结构。粗大α相提供强度支撑，细小α相增强塑性，形成“强-韧”协同效应。该技术需结合相场模拟优化成分分布，目前仍处于实验室阶段。
微合金化适用于高端精密制造，循环热处理适合大规模生产，异质结构则追求极限性能突破。
阴极辊国产化加速趋势
阴极辊生产商主要集中在中国和日本。2022年，这两个地区占据了全球90%以上的产量份额。近年来电动汽车、太阳能、5G等下游产业推动了电解铜箔行业快速增长。但由于技术壁垒，更多产能无法快速释放，导致市场上阴极辊供应较紧张。与此同时，中国企业近几年在铜箔生产设备领域技术进步明显，部分企业在阴极辊直径、晶粒度以及粗糙度等方面已经获得突破，性能指标与进口设备相比，差距进一步缩小。此外国内设备具有价格低、售后维护方便、供货周期相对较短等优势，相较于进口设备，国产阴极辊市场份额正逐步攀升。
直径1500毫米的阴极辊仍是市场主流产品。然而，随着对生产效率和质量的要求，更大直径的阴极辊需求正在增加。2700毫米和3000毫米直径的阴极辊将是未来产品的主要趋势。
2016年1月30日，航天科技四院首件直径2.7米的金属钛筒旋压成型获得成功，当年5月1日，国内首台拥有完全自主知识产权的直径2.7米阴极辊在该厂顺利下线，一举打破了日美等国外企业长期对该技术市场领域的垄断，填补了国内空白，获国家授权专利30余项。
2022年9月22日，由航天科技四院自主研制并率先合格交付客户的国内*直径3米的新能源锂电铜箔核心装备阴极辊新产品在西安发布面市，标志着我国超大直径阴极辊制造技术实现了新的突破。这是中国航天科技集团四院所属西安航天动力机械有限公司继2016年成功研制直径2.7米阴极辊，一举打破日美等国外企业长期对高端大直径阴极辊技术市场垄断后，取得的又一重大成果，再次填补了国内行业技术空白。
2022年11月19日西安泰金工业电化学技术有限公司发布新产品——“3.6米直径阴极辊和生箔一体机”，实现关键核心技术自主可控，标志着西安泰金掌握了全球*直径的阴极辊和生箔一体机成套核心技术。
上海洪田科技等公司采用冷旋压技术，相比于日本企业广泛采用的焊接技术，不需加热即可直接旋成钛圈，有助于将钛圈的晶粒度提升至12级。
2023年7月31日国内*的600吨立式旋压机在上海昭晟机电（江苏）有限公司一次试产成功，生产出合格的大直径电解铜箔阴极辊，这是上海昭晟机电的历史性时刻，也标志着中国*完成了电解铜箔、电解槽全套系统的整体配套，为中国电解铜箔行业制造装备打破国外垄断、实现完全自主配套取得了重大进步。
2024年4月12日，诺德股份湖北黄石高端电解铜箔生产基地一期项目正式投产。该基地可以生产全球最薄的3.5微米铜箔，也是使用3.6米阴极辊全球规模*的电解铜箔生产基地。
受益于各种政策支持，铜箔行业市场空间极大，这也为阴极辊行业的发展提供了有力的支持。2022年全球阴极辊市场规模达为2.95亿美元，预计2029年将达到6.09亿美元，2023年至2029年之间的复合增长率（CAGR）为10.06%。
阴极辊应用领域与发展新机遇
锂电铜箔领域的关键作用
在锂电铜箔生产中，阴极辊堪称核心中的核心，是决定铜箔质量与性能的关键所在。随着新能源汽车行业的蓬勃发展，对锂电铜箔的需求呈现出爆发式增长，这也使得阴极辊的重要性愈发凸显。
在锂电铜箔的生产过程中，阴极辊通过电解原理，将铜离子均匀地沉积在其表面，形成一层薄薄的铜箔。这一过程对阴极辊的表面精度、导电性及稳定性提出了极高的要求。高精度的阴极辊能够确保铜箔的厚度均匀性控制在极小的误差范围内，一般要求厚度偏差不超过±1μm。同时，良好的导电性可以提高电解沉积效率，降低能耗，从而提高生产效率。此外，阴极辊的稳定性也至关重要，它直接影响着铜箔的质量稳定性和生产过程的连续性。
为了满足锂电铜箔不断升级的需求，阴极辊技术也在持续创新。例如，通过采用新型的材料和制造工艺，提高阴极辊的表面光洁度和耐腐蚀性；引入智能化的控制系统，实现对阴极辊运行状态的实时监测和*调控，进一步提升铜箔的质量和生产效率。
电子电路铜箔领域的应用
在电子电路铜箔领域，阴极辊同样发挥着不可或缺的作用。电子电路铜箔广泛应用于印制电路板（PCB）的制造，是电子产品实现信号传输和电气连接的关键材料。随着电子产品向小型化、轻量化、高性能化方向发展，对电子电路铜箔的精度、平整度和可靠性提出了更高要求，这也对阴极辊的性能提出了新的挑战。
在电子电路铜箔的生产中，阴极辊需要具备更高的表面平整度和更低的粗糙度，以确保铜箔能够满足高精度PCB制造的需求。同时，为了提高生产效率和降低成本，阴极辊还需要具备更高的生产速度和更长的使用寿命。据市场研究机构的数据显示，全球电子电路铜箔市场规模在过去几年中保持着稳定增长，预计未来几年仍将保持一定的增长态势。这也为阴极辊在该领域的发展提供了广阔的市场空间。
新兴应用领域的探索与展望
除了锂电铜箔和电子电路铜箔领域，阴极辊在一些新兴领域也展现出了巨大的应用潜力。在太阳能电池领域，随着光伏产业的快速发展，对高效、低成本的太阳能电池的需求日益增长。阴极辊可以用于生产太阳能电池的电极材料，通过优化阴极辊的性能，可以提高电极材料的质量和性能，进而提升太阳能电池的转换效率。
在氢燃料电池领域，阴极辊也有望发挥重要作用。氢燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换装置，被广泛认为是未来能源发展的重要方向之一。阴极辊可以用于制造氢燃料电池的关键组件，如电极和双极板等，为氢燃料电池的产业化发展提供技术支持 。随着科技的不断进步和新兴产业的崛起，阴极辊的应用领域还将不断拓展，为其市场发展注入新的活力。
阴极辊作为新能源产业中的关键设备，正处于行业发展的黄金时期。尽管面临着技术创新、市场竞争等诸多挑战，但也蕴含着巨大的发展机遇。相信在行业内企业的共同努力下，阴极辊行业将不断创新发展，为新能源产业的繁荣做出更大的贡献。
文章参考资料：富牛投研、微钛空间、机器人在线智造营、向阳萱笔记、硬氪、镀涂学堂、五矿金通、中信证券、QYResearch、锂电商情、高工锂电、黄石广播电视台、VIC市场调研报告
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