中金研究
铜是新能源行业重要的导电材料之一，在诸多镀铜工艺中，水电镀的经济性优势突出，且能够通过持续的技术进步来帮助下游降本，以此来维持良好的竞争格局。我们认为，水电镀工艺是被市场低估的底层技术平台。
Abstract
摘要
水电镀在镀铜工艺中经济性优势突出，通过持续技术进步维持良好格局。铜是自然界中性价比较高的优良导体，可通过镀铜工艺广泛应用于通用五金、PCB、复合铜箔、光伏电镀铜和泛半导体等领域。镀铜工艺分为干法（磁控溅射/蒸镀等）和湿法（化学镀/水电镀等）。在众多工艺中，水电镀凭借其速度快、功耗低等优势，性价比较高。水电镀的技术壁垒在于改善“边缘效应”，提升镀膜的均匀性、一致性和稳定性。我们认为，复合铜箔和光伏电镀铜等新场景对水电镀设备的技术进步较为敏感，具体表现为要求速度更快、均匀性更好、幅宽更宽和良率更高，技术进步推动持续降本，有利于维持设备环节良好竞争格局。
为什么说复合铜箔量产，水电镀工艺不可或缺？我们认为复合铜箔量产的核心是要解决降本问题，而水电镀不可或缺。本篇报告着重对复合铜箔一步法和两步法成本结构进行详细拆分，找到影响成本的关键变量。我们测算，磁控溅射和磁控蒸镀一体机理论成本分别约为5.16和4.39元/平方米，其靶材和电费成本较为刚性，效率较低，可能并非量产最优路径；化学镀效率低、结合力差、成本高，尚不具备量产条件；磁控溅射+水电镀两步法理论成本约为2.91元/平方米，优点在于铜价和电费成本低，速度快，考虑技术进步，其成本有望降至2.5元/平方米以下，或为最优路径。
光伏电镀铜有望复制复合铜箔产业化进程。我们认为光伏以铜代银为长期趋势，水电镀在复合铜箔和光伏电镀铜中的应用，其底层工艺具备相通性，复合铜箔技术难点在于提高速度、幅宽的同时，改善“边缘效应”保障均匀性，光伏电镀铜技术难点在于提高水电镀自动化速度的同时，降低碎片率。
风险
复合铜箔和电镀铜产业化进度不及预期；技术路线变化超预期；成本测算可能存在误差；一步法成本下降超出预期。
Text
正文
水电镀是性价比最高的镀铜工艺，底层技术具备延伸性
铜是自然界具备高性价比的优良导体
铜是高性价比的优良导体。横向对比铜、银、铝的导电性，在20℃下，铜电阻率为16.78 nΩ·m，较银高5.8%，而铜价则低于银价近百倍，使得铜成为难得的廉价优良导体，得到广泛应用。然而，铜的劣势主要在于其化学稳定性较弱，在大气和水中易氧化形成氧化薄膜而影响应用性能，通常需要进一步防氧化处理。
图表1：铜、银、铝的自然特性各异
资料来源：Wind，中金公司研究部。注：电阻率为20摄氏度下数据
水电镀为实现铜层沉积最具经济性的方式之一
水电镀为铜层沉积最具性价比的方式。实现铜层沉积的主要方式，主要分为干法镀铜及湿法镀铜。我们在图表2中详细对比了各类方式的技术原理、优缺点，并以复合铜箔的制造为例，对比了其生产成本。综合来看，我们认为水电镀是实现铜层沉积最具性价比的方式，其广泛应用于通用五金、PCB、半导体电镀等领域，侧面亦说明了水电镀具备较高性价比，同时其“边缘效应”等问题可以通过厂商优化电流密度控制等方式而降低。
图表2：实现铜层沉积的主要方式
资料来源：公司公告，公司官网，中金公司研究部。注：磁控一步法及磁控+蒸镀一体机成本采用后文测算值
水电镀底层技术具备延伸性，新场景对设备技术进步要求更高
水电镀底层工艺相通，常用于PCB、通用五金电镀，并延伸至新能源领域
电镀铜底层工艺具备良好的延展性，过去广泛应用于通用五金、PCB、半导体等领域。伴随新能源新技术涌现，电镀铜性价比优势凸显，在锂电复合铜箔、光伏电镀铜等新领域崭露头角。
► 通用五金电镀：电镀为制造业表面处理环节重要工艺，下游分布广泛。通用电镀可加工金属件、塑料件、陶瓷件等材质，下游应用于五金卫浴、汽车、机械、航空航天等领域。以龙门式电镀设备为主，可完成挂镀、滚镀等多种电镀形式。
► PCB电镀：PCB工艺流程中电镀设备价值量占比约13%。PCB表面及孔内电镀金属可改善材料导电性能，影响PCB产品集成性、导通性、信号传输等方面。我们以景旺电子新建产能为例，电镀设备在PCB设备总价值量中约占13%。
► 半导体电镀：用于晶圆制造及先进封装的铜互连，目前被国外设备厂商垄断。芯片制造过程中，将电镀液中的金属离子电镀到晶圆，在晶圆上沉积一层致密、无孔洞、无缝隙、分布均匀的铜，再配以气相沉积设备、刻蚀设备、清洗设备等，完成铜互连线工艺。
► 锂电复合铜箔：实现高分子材料表面金属化，电镀为性价比较高的方式。锂电负极集流体推动新材料变革，复合铜箔相较于传统电解铜箔具备更高安全性、更高能量密度、更低量产成本的优势，我们预计首批复合铜箔材料或将于2Q23实现量产。相比磁控溅射、化学镀等方式，水电镀是复合铜箔材料加工性价比最高的方式，第二章我们将详细展开阐述。
► 光伏电池片镀铜：以铜代银后，电极金属化的最优选择为电镀工艺。新型电池去银化或为长期趋势，电镀铜工艺兼具降本增效。我们认为用电镀铜代替银浆丝网印刷，直接在硅片上镀更密更细的铜线，增加电子吸收能力，提升光电转化效率，并有望降低电池片成本。
图表3：电镀铜底层工艺具备较强的延展性
资料来源：公司公告，中金公司研究部
复合铜箔和光伏电镀铜新场景对技术要求更高，技术进步驱动降本
首先，PCB电镀设备仍存升级空间，主要由于PCB产能高阶化发展，电镀难度提升。PCB高阶化发展，集成密度提升、线宽/线距缩小、层厚数提升。根据公司公告，以IC封装载板为例，其线宽/线距最小达到8μm/8μm，对比普通PCB线宽/线距约50μm以上。线宽/线距的缩小，对电镀均匀性[1]要求提升；层厚数提升，对电镀贯孔率[2]要求提升。为保证电镀更高均匀性、高贯孔能力，客户对电镀设备的传动稳定性、电流密度分布均匀度以及电镀液喷淋效率提出更高要求。在IC封装载板等高端领域，电镀设备多由日韩等外资及中国台湾厂商垄断，目前国内龙头东威科技等逐步推出高端产品，实现国产替代。
图表4：PCB高阶化发展，电镀设备均匀性和贯孔率要求提升
资料来源：公司公告，中金公司研究部。注：以东威科技PCB电镀设备主要产品为例；纵横比（板厚/孔径）越大，对PCB孔内电镀越困难；贯孔率（孔径内平均镀铜厚度/表面平均镀铜厚度）越大，说明孔内电镀的表现越好
进一步地，在新能源新技术领域，电镀难度较PCB有大幅提升。无论是锂电复合铜箔还是光伏电镀铜，相比于PCB电镀，镀铜基材发生改变，对成本更为敏感，因此要求电镀设备速度更快、均匀性更好、良率更高，电镀设备的技术迭代成为生产成本下降、大规模产业化落地的关键。具体看，二者镀铜技术难度各有侧重：
► PCB电镀迁移至复合铜箔电镀，难度体现在基材更薄、易变形，镀膜均匀性要求提升。相比PCB中难度较高的FPC电镀，复合铜箔PET/PP基材厚度降低（由24μm降低至4.5μm）、幅宽增加（由0.5m提升至1.2m以上）、更易变形（FPC软板变为薄膜）。复合铜箔基膜需要在电镀槽液体中水平穿行几十米的距离，传输过程中若传动轮速不均匀，张力控制不当，材料容易出现拉伸变形，因此对于设备传动平稳性要求提升。与此同时，镀膜厚度降低至1μm，均匀性需要至少达到±0.1µm以内，对电流密度控制要求提升，尤其是当电镀速度加快后，对均匀性控制的难度更高。
► PCB电镀迁移至光伏电镀铜，难度体现在硅片更薄、更易碎，速度要求提升。相比PCB镀铜，光伏电池片为达到更低的成本，电镀铜自动化速度要求更快。我们测算在硅片上栅线镀铜面积仅占1%，但整个硅片均需通过铜槽。在给定电流密度的情况下，设备需要提升产线运行速度、增加运行长度，以达到量产成本要求。在自动化速度提升的同时，考虑到硅片轻薄易碎，为降低生产成本，需保证较低的碎片率。
综上所述，水电镀技术进步表现在对于均匀性的要求提升、速度更快、良率更高，我们认为龙头设备企业有望凭借先发优势和持续的技术进步，以确保竞争优势和良好的竞争格局。
图表5：PCB电镀 vs 复合铜箔 vs 光伏电镀铜
资料来源：公司公告，中金公司研究部。注：PCB及复合铜箔电镀以东威科技设备为例；光伏电镀铜速度以罗博特科VDI电镀设备为例；碎片率及均匀度要求以东威科技第三代光伏电镀铜设备为例
复合铜箔：为什么说水电镀工艺不可少？
必须明确，我们认为复合铜箔产业化的核心问题是解决量产问题，量产问题的核心是如何降本，而不是材料能不能制作出来的问题。
从技术实现路径上来看，实现高分子表面金属化的技术主要分为干法镀膜（PVD）和湿法镀膜（化学镀/水电镀）两种，复合铜箔制作一般为以上几种工艺的排列组合。PVD又分为磁控溅射、蒸发镀等[3]。目前，复合铜箔所采用的加工方式均为以上各种技术的组合，例如三孚新科和道森科技分别推进化学镀与磁控溅射为主的一步法，重庆金美推进磁控溅射+蒸镀+水电镀的三步法，而宝明科技、双星新材、胜利精密等厂商则以磁控溅射+水电镀的两步法为主。
我们认为，在上述诸多路线中，要实现降本，水电镀工艺不可或缺。由于水电镀需要在导电材料上电镀，因此需要前道环节增加一步金属化打底，而磁控溅射因其结合力较优，成为金属化打底的主流方式，目前看磁控溅射+水电镀的两步法或将成为未来复合铜箔规模量产的主要方式。而一步法因其成本较高、效率相比水电镀更低，我们认为短期内尚不具备量产的条件。
图表6：水电镀是复合铜箔产业化最具经济性的方式
资料来源：公司公告，中金公司研究部。注：成本为量产条件下的测算值，并考虑设备技术进步后的降本空间；性能综合考虑厂商的制造水平及工艺难度
磁控溅射一步法：可能并非量产最优路径
工艺路线：磁控溅射多用于两步法纳米级金属化打底，一步法亦有尝试
复合铜箔两步法中，磁控溅射用于第一道工序——纳米级的金属化打底。PET/PP等高分子材料的结晶度大、极性小、表面能低，会影响镀层与基材之间的黏合力，且高分子材料大多为不导电的绝缘体，因此无法直接进行电镀，需要先对高分子材料进行表面处理、活化等，使其表面沉积20-70nm的导电金属膜，再进行电镀[4]。磁控溅射真空镀膜技术，可以对PET/PP等非金属材料的表面进行金属化处理，实现材料导电，并保证膜层的致密度和结合力。
图表7：磁控溅射+水电镀为复合铜箔工艺的主要步骤
资料来源：广东腾胜科技公司官网，中金公司研究部
图表8：复合铜箔与传统铜箔具体工艺流程对比
资料来源：重庆金美环评报告，中金公司研究部。注：酸性离子置换即为电镀。
磁控溅射亦有厂商推进一步法路线，具体分为纯磁控溅射、磁控溅射+蒸镀一体机。由于磁控溅射结合力较好但速率较慢，因此磁控+蒸镀一体机的路线可能成为一步法破局的新思路。
► 对比蒸镀，磁控溅射优点在于均匀度好、膜层致密、结合力好，因为溅射原子能量比蒸发原子能量高出1-2个数量级（溅射为1-10eV，蒸镀为0.1-1eV）。实验测试磁控溅射平均附着力为25N，电子束蒸发镀约9.8N[5]；溅射镀膜理论密度可达98%，蒸镀约为95%[6]。此外，蒸镀需要对材料加热气化（镀铝时蒸发源温度高达1300℃以上），磁控溅射的镀膜温度远低于蒸镀，避免了薄膜产生热形变甚至烫伤，降低了金属原子对于薄膜的热辐射。
► 对比蒸镀，磁控溅射的缺点在于速率较慢，这是由于镀膜原理不同所致。以复合铜箔为例，采用磁控溅射工艺溅射几十纳米厚度的铜膜速度约20m/min，而采用蒸镀工艺有可能达到100m/min以上，因此有部分厂商推出磁控溅射+蒸镀一体机方案，以提升一步法的加工速度。然而，增加蒸镀设备后膜材料的加工难度将会提升，考虑到蒸镀设备制程温度较高，膜在受热的同时要进行急速降温以保证基材不受热形变，温度控制难度更高，同时高温环境对于基膜的稳定性、抗拉强度和延伸率都提出更高要求。
图表9：磁控溅射和蒸镀工艺对比
资料来源：真空技术与设备网，深圳森丰官网，汇成真空官网，《电子束蒸发与磁控溅射镀铝的性能分析研究》（陈荣发，2003），蒂姆（北京）新材料官网，中金公司研究部
具体到蒸镀设备，电子束[7]蒸镀设备难度较高，但设备运行速率较高。蒸镀设备目前主要应用于复合铝箔的制备，同时也有部分厂商将其用于复合铜箔领域（磁控+蒸镀+水电镀三步法，磁控+蒸镀一体机）。而根据蒸发源加热方式的不同，蒸发卷绕镀膜设备又分为：电阻蒸发、感应蒸发和电子束蒸发卷绕镀膜。
► 电阻蒸发：电阻加热蒸发镀膜，良品率低，镀膜的均匀性和结合力较差，且电阻加热不能蒸发各种难熔金属[8]。
► 电子束蒸发：电子束轰击热源的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度，可以使高熔点材料蒸发，并且能有较高的蒸发速率，以应用材料TopBeam系统为例，通过电子束蒸发Al，可以在卷绕速度超过700m/min时沉积形成厚度为25nm的膜层；然而，尽管电子束有潜力取代电阻式或感应加热，但其设备投资成本高，技术较为复杂，目前国内设备相比国外仍有差距，参与厂商数量比较少[9]。
图表10：蒸镀设备的分类
资料来源：《真空卷绕镀膜》（张以忱，2020），中金公司研究部
情形推演：磁控溅射一步法镀膜成本较高，短期尚不具备量产条件
我们认为，磁控溅射一步法由于成本较高，当前阶段尚不具备量产条件。我们认为如果采用纯磁控溅射进行镀膜，可能成品的性能指标良好，但是速度难以大幅提升，成本很难降低到比两步法更占优的水平；若想要提升一步法的运行速度，部分厂商提出磁控+蒸镀一体机的路线，尽管其速度相比纯磁控溅射有所提升，但我们认为仍需考虑一体机设备本身的制造难度、加工环节难度提升带来的良率损失、设备功耗提升带来的电费成本等因素。在量产条件下，我们测算得到磁控溅射一步法的成本约为5.16元/平方米，若采用磁控+蒸镀一体机成本约4.39元/平方米，对比两步法成本为2.91元/平方米。
具体看，磁控溅射一步法的高成本主要来自：1）价格更贵的高纯度靶材；2）沉积速率更慢；3）设备功耗更高；4）设备制造成本增加。
#1：磁控溅射高纯度铜靶材价格高于普通铜材，且存在靶材的损耗
► 靶材价格：铜靶材纯度要求越高，其技术难度和附加值越高。根据我们产业链调研，复合铜箔磁控溅射铜靶材纯度至少需达到4N（99.99%），价格则因厂商而异，选用的靶材纯度、供应渠道、是否批量采购等因素均会影响价格。根据我们产业链调研，部分厂商反馈铜靶材价格至少比铜价高50%-100%。本文我们暂且按照靶材价格溢价50%进行测算。
► 靶材利用率：由于正交电磁场对溅射离子的作用关系，将其约束在闭合磁力线中，使得靶材在溅射中产生不均匀冲蚀，一旦被刻蚀穿即报废，因此靶材利用率较低[10]。根据文献，圆形的平面阴极靶利用率通常小于50%，通过磁场优化设计，部分厂商靶材利用率可以超过70%，此外旋转靶材利用率较高, 一般可达到70%-80%以上[11]。本文我们暂且按照75%进行测算。
#2：磁控溅射本身速率较低，为提升速率需改进设计、加大功耗，将带来额外成本
目前国内多数厂商推出的磁控溅射设备单次镀膜厚度为几十纳米，主流厂商溅射50nm左右的铜膜速度约为20-30m/min，部分厂商或可通过工艺改进提升到60-80m/min。因此，若要达到1μm的铜厚则需要反复溅射十余次。在1μm的相同厚度条件下，纯磁控溅射的加工效率（约4m/min）远低于水电镀（大于10m/min，部分厂商可达到15-20m/min）。
图表11：1μm厚度下各类设备镀膜速度的对比
资料来源：公司公告，公司官网，中金公司研究部
工艺改进可以提升磁控溅射的镀膜速度，但速度提升存在上限，且需付出额外的成本。如果要提升单次磁控溅射的厚度，需要在设备功率、结构设计、靶材数量等方面进行升级。同时，溅射膜厚与沉积时间呈正向关系，如果对于镀膜厚度有一定要求的话，镀膜的时间不能太短，否则会导致磁控溅射来不及形成完整的晶格，薄膜结构中会存在大量的空位、位错等缺陷，生成晶格不整齐效应，膜在生长过程中会产生应力，薄膜会出现剥落、龟裂等现象[12]。因此，我们认为纯磁控溅射设备的速度提升存在上限，而且增加靶材数将使设备结构更复杂，增大设备功率会额外增加电费成本。以上成本的增加，或将抵消设备速率提升产生的效益。
#3：磁控+蒸镀一体机理论上可以提速，但需考虑额外增加的功耗及设备制造成本
蒸镀工艺的镀膜速度高于磁控溅射，因此若采用磁控+蒸镀一体机的设计，理论上可以提升设备运行速度（部分厂商披露磁控+蒸镀一体机镀1μm铜膜速度可以达到10m/min），但我们认为需要考虑其额外增加的能耗及设备制造成本。
► 设备功耗提升：蒸镀设备本身功耗较高，约为磁控溅射设备的数倍，电费成本将会提升。根据海格锐特官网披露，其磁控溅射设备功耗范围在40-150KW/h，而蒸镀设备功耗范围在200-380KW/h。我们合理推测，若采用磁控+蒸镀一体机，想要达到较快的镀膜速度，设备功耗有可能会更高。
► 核心零部件依赖进口：蒸镀设备本身价值量较高，尤其是电子束蒸镀设备，主要由于其部分核心部件（大功率电子枪等）仍需依赖进口，成本较高。若综合考虑其他零部件成本，设备造价或将高出两步法设备。
► 设备制造难度提升：一体机目前国内能做的厂商比较少，设备制造难度有所提升，更为复杂的设计结构，或将带来更高的设备制造成本。
► 良率损失：除了额外增加的成本，加入蒸镀设备还需要考虑复合铜箔成品的良率，因为蒸镀镀膜温度远高于磁控溅射，温度控制难度提升，对基膜要求更高，这些均为材料厂商需要考虑的工艺难点。
图表12：电子枪为电子束蒸镀设备的核心部件
资料来源：一种电子束蒸发双面镀膜的卷对卷设备（广东腾胜科技，实用新型专利申请号：202220418232.9），中金公司研究部
图表13：腾胜科技复合型多功能双面卷绕镀膜机专利
资料来源：一种复合型多功能双面卷绕镀膜机（广东腾胜科技，实用新型专利申请号：CN202022594812.7），中金公司研究部
磁控溅射>磁控+蒸镀一体>两步法生产成本，主要因高纯度靶材/蒸发料及电费成本较为刚性。综合以上假设，在量产条件下，我们测算得到磁控溅射一步法成本约5.16元/平方米，若采用磁控+蒸镀一体机成本约4.39元/平方米，对比两步法成本为2.91元/平方米。同时，我们针对影响原材料成本、设备折旧、电费的关键因素进行了敏感性分析（图表16-18）。假设磁控+蒸镀一步法的设备单GWh投资额下降至比两步法更低的水平，或者设备幅宽增加、良率提升，仍无法做到比两步法综合成本更低，这主要由于高纯度铜靶材（或蒸发料）和电费的成本更为刚性，下降空间相对有限。
图表14：磁控溅射一步法与两步法成本测算假设
资料来源：公司公告，公司官网，中金公司研究部。注：以上均为量产条件下的测算，目前尚未实现规模量产的生产成本可能高于以上测算值；假设设备全年运行300天，每天运行20小时（考虑两步法中间需要人工上下料，假设两步法设备运行时间为18小时），电费0.6元/千瓦时；假设1GWh对应1200万平方米复合铜箔
图表15：磁控溅射一步法与两步法成本对比
资料来源：公司公告，公司官网，中金公司研究部
图表16：磁控溅射一步法成本敏感性分析——设备折旧
资料来源：公司公告，公司官网，中金公司研究部。注：设备速度单位为m/min
图表17：磁控溅射一步法成本敏感性分析——设备折旧
资料来源：公司公告，公司官网，中金公司研究部。注：设备速度单位为m/min
图表18：磁控溅射一步法成本敏感性分析——材料成本
资料来源：公司公告，公司官网，中金公司研究部
产业进展：厂商多数围绕两步法布局，少数推进一步法路线
目前行业内磁控溅射设备厂商进度：
► 腾胜科技：推出双辊多腔室磁控卷绕真空镀膜机，设备为双辊多室结构，多达12个镀膜腔室、24支磁控靶位，适合多层膜的镀制工艺。2022年末，广东腾胜第2.5代锂电池复合铜箔真空镀膜设备完成调试和出厂验收，并正式交付客户。
► 汇成真空：推出超薄复合铜箔卷绕镀膜设备，实现在厚度3.0-4.5µm、幅宽600-1650mm的PET/PP塑料薄膜表面一次完成双面镀铜膜，设备工艺走速0.5-30m/min；双面镀制一层20-70nm的铜膜，方阻约0.5-2Ω，实现薄膜表面金属化。
► 海格锐特：推出磁控溅射卷绕镀膜机（双面），实现3-6μm超薄基材双面同时沉积，幅宽500-2000mm，根据幅宽不同，功耗从40-150KW/h，最大卷绕速度0.5-50m/min[13]。
► 东威科技：2022年12月东威科技真空磁控溅射双面镀铜首台设备正式下线出货，膜材双面一次镀铜，单面厚度20~40nm，镀膜靶位采用12靶，薄膜厚度4.5μm，薄膜宽幅1290mm-1350mm。同时公司披露将研制24靶的真空磁控设备，速率有望进一步提升。
► 道森股份：公司重点研发复合铜箔一体机设备，该设备以真空磁控溅射为核心，计划于23年1季度完成组装调试，正式推向市场。公司披露真空磁控溅射一体机通过实验测试，双面镀铜1微米的设计生产速度为10米/min。公司近期披露拟投资约10亿元建设新能源高端装备制造项目，项目完全达产后公司预计实现年产真空磁控溅射设备100套、真空蒸镀设备100套、复合铜箔一体机成套设备100套、锂电生箔机成套设备200套及阳极板6000套等。
化学镀一步法：结合力低、速率较慢、成本较高，短期不具备量产条件
作用原理：化学镀与水电镀的直观区别，在于是否依靠电流沉积
化学镀（Chemical plating）：又称自催化镀（Autocatalytic plating）或不通电镀（Electroless plating），是指在没有外加电流的条件下，利用处于同一溶液中的金属盐和还原剂在具有催化活性的基体表面上进行自催化氧化还原反应，在基体表面化学沉积金属镀层[14]。
化学镀的基本原理决定其化学反应必须在具有自催化性的材料表面进行。图20中以钯为例展示了铜膜生长的原理，采用钯活性剂处理绝缘基材，使其表面吸附一层钯催化粒子，铜离子首先在金属钯粒子上被还原，然后被还原的金属铜原子具有自身催化作用，使得铜离子的还原反应在新的铜晶核表面继续进行，逐步形成一定厚度的金属铜沉积[15]。
水电镀（Electroplating）：利用电沉积原理[16]，将待加工的镀件接通阴极放入电解质溶液（例如硫酸铜）中，将金属板接通阳极（例如铜球），在外界直流电的作用下，金属铜以二价铜离子的形式进入镀液，并不断迁移到阴极表面发生还原反应，在阴极上得到电子还原成金属铜，逐步在镀件上形成金属铜镀层[17]。
水电镀的基本原理决定其必须通过外界电流，来实现铜层的沉积。根据法拉第电解定律，电解过程中，沉积在电极表面的物质质量与通过电极的电量成正比，意味着电流值越高，电镀时间越长，电镀铜厚度越高。因此，对于电流密度的控制、减少电流分布不均匀而产生的“边缘效应”是核心技术难点。东威科技推出的卷对卷水平镀膜设备的均匀性可以做到1μm±0.1μm。
图表19：水电镀主要利用外界电流实现铜层沉积
资料来源：《印制电路板填孔电镀铜添加剂的研究》（周朝花，2019），中金公司研究部
图表20：化学镀主要利用催化剂实现铜膜沉积
资料来源：<Evolution of microstructure and electrical conductivity of electroless copper deposits on a glass substrate>(Cui, Hutt & Conway, 2012)，中金公司研究部
应用场景：化学镀常用于PCB水平沉铜环节，使得孔金属化
PCB制造过程中，化学镀主要起到孔金属化的作用，但增厚环节仍以水电镀为主，侧面反映了水电镀的高性价比。因为钻孔后孔内没有铜层，需要在绝缘的孔壁上用化学方法沉积一层薄薄的化学铜层，作为后面电镀铜的基底导电层。根据天承科技，化学镀沉铜工艺通常在孔壁上沉积上一层0.2-1微米的薄铜，但铜层的厚度还达不到电子元件信号传输和机械强度需要的厚度，通常要求孔内铜厚达到20微米以上，因此需要用电镀的方法加厚。
图表21：PCB化学镀沉铜用于孔壁的金属化
资料来源：公司公告，中金公司研究部
图表22：化学镀沉铜与水电镀为前后道工序
资料来源：公司公告，中金公司研究部
情形推演：化学镀结合力低、成本较高、速率较慢，短期不具备量产条件
目前化学镀总生产成本约6-6.5元/平米。根据三孚新科披露，目前其估算的化学镀一步法的生产成本大约在6-6.5元/平米以上；相较两步法厂商宝明科技所披露的成本高出1倍以上。我们认为主要由于化学镀的化学药水耗材成本较高、化学镀速率较慢导致设备折旧成本较高。
图表23：PET等非导电材料的化学镀铜流程及药水构成
资料来源：《PET膜的光接枝改性及化学镀铜研究》（张惠冲，2012），《化学镀铜原理、应用及研究展望》（马立涛等，2009），中金公司研究部.
#1：活化环节需添加贵金属钯等催化剂，导致化学药水耗材成本较高
化学镀活化环节需要添加贵金属钯等作为催化剂，导致其耗材成较高。根据三孚新科估算，在一步法化学镀铜过程中，专用化学品成本约2.5-5元/平米，其中金属钯催化成本约占总化学品成本的30-50%左右。贵金属钯较为稀有，其单位价格在400元/克以上，高于黄金。我们以PCB化学沉铜为例，硫酸钯（贵金属钯溶解于硫酸）在其原材料成本中占比45-60%。
图表24：金属钯的价格
资料来源：Wind，中金公司研究部
图表25：2020年电子化学品原材料成本构成
资料来源：公司公告，中金公司研究部。注：以三孚新科电子化学品为例，电子化学品主要用于PCB水平沉铜、PCB化学镍金及高耐蚀化学镍工艺等
潜在成本下降路径：降低贵金属钯的应用，实现低钯或无钯催化。目前学界对于低钯或无钯的研究思路主要分为以下几类[18]，但尚未大规模应用：
► 胶体法：由于钯价格较高，故尝试采用铜、钴、银等金属粒子胶体取代胶体钯。
► 中间层法：在基体表面和作为后续催化中心的金属（例如铜）之间形成中间层，通过中间层与基体和金属离子（例如铜）的键合作用，将塑料基体与金属离子连接起来，并还原为具备催化活性的金属原子，作为催化中心催化后续的化学镀，以实现无钯活化。镀层结合力较高，但是催化活性不如钯活化，同时金属原子定位稍差。
► 激光处理法：激光诱导直接沉积，利用激光对化学反应的加速作用在基体表面，直接沉积金属，实现低钯活化；或者激光活化，激光对掺杂在基体的金属有机复合物进行烧灼，是的金属与C、O等元素的共价键断裂，使催化性金属暴露在基材表面，催化后续化学镀。
一步法需要继续跟踪相应厂商化学药水配方升级的进度。根据天承科技披露，PCB领域传统离子钯槽液中钯离子浓度超过200ppm，其研发的离子钯活化液通过加入特殊表面活性剂和促进剂，可以降低至40-150ppm，降低活化成本。根据三孚新科披露，公司在研无钯催化技术，公司预计2023年可以投入量产应用。
#2：化学镀沉积速率较慢，结合力较低，导致生产效率较低，设备折旧成本或更高
化学镀的沉积速率较慢，结合力弱于磁控溅射。根据相关文献，水电镀的沉积速率约为化学镀的10倍以上[19]，若按此估算则意味着化学镀较难通过规模效应大幅降低成本。此外，化学镀的结合力或低于两步法磁控溅射打底的结合力。根据三孚新科专利，化学镀的镀层结合力约为16N/cm[20]；对比磁控溅射打底的结合力或可达到20N/cm以上[21]。我们认为，若化学镀无法大规模提升沉积速率，或改良结合力提升产品良率，其设备折旧成本可能难以大规模下降。
潜在成本下降路径：提升沉积速率或设备幅宽，以提升单线产能、降低设备折旧。
► 幅宽增加：因为化学镀的工艺无需通电，因此并不存在电流密度分布不均匀导致的“边缘效应”，对于膜的幅宽并无限制，理论上可以加大幅宽实现单位时间内产出的增加。但是我们判断，通过提升设备幅宽想要降低至与水电镀相当的成本仍比较困难，首先做大幅宽后，下游客户的幅宽需求是否存在冗余尚未明确，其次设备占地面积增加，对于客户的厂房土地资源占用较多。
► 沉积速率提升：如何加快化学镀铜的沉积速度是过去业界研究热点之一，通过优化镀铜液的配方（采用不同络合剂体系、提升还原剂浓度、提升温度等）可以实现速率提升，然而我们查阅文献后，发现配方优化升级对速率尚无法实现指数级的提升，同时在提升沉积速率的同时，需要兼顾沉积镀层的稳定性，尤其是当还原剂浓度以及温度提升后，镀液的稳定性会出现明显下降。
光伏电镀铜：产业化进程有望复制复合铜箔
新型电池去银化或为长期趋势，电镀铜工艺兼具降本增效
银浆用量大、价格贵是HJT电池成本高的主要原因之一。根据CPIA，2021年P型电池平均银浆耗量（正银+背银）96.4mg/片，TOPCon电池银浆耗量（正银+背银）耗量145.1mg/片，HJT电池双面低温银浆消耗量约190mg/片。根据我们测算，到2022年底，PERC电池片银浆成本约占一体化组件总成本3%，TOPCon中约占5%，HJT中约占9%。我们预计，浆料成本下降成为新型电池降本的主要动力，少银化和去银化成为行业长期发展趋势。
光伏电镀铜工艺兼具降本与增效：
► 降本：铜价约为银浆的1.2%，采用价格较低的铜等金属完全替代银粉，是光伏电池片非硅成本下降的关键。根据中金机械组深度报告《从0到1，光伏电镀铜蓄势待发》测算，假设电镀铜整线量产+良率95%，电镀铜总成本约0.13元/W。我们估算，HJT目前低温银浆成本大约为0.16元/W，若考虑金属化环节的设备折旧和人工水电，大约在0.18元/W。若电镀铜工艺量产且良率过关，我们认为其相对于丝网印刷具备优势。
► 增效：铜栅线更窄，高宽比更高，可以减少栅线的遮挡，提升光电转化效率。此外低温银浆中8-9%为分散性粘结剂和玻璃粉，这些材料会阻碍导电，导致其电阻率高于铜栅线。捷得宝预计电镀铜有望比丝网印刷在效率上高出0.2%，未来有望达到0.5%以上。进一步地，我们认为效率提升有望带来全流程单W成本降低，以及组件端销售溢价。
在电极金属化环节，电镀铜工艺优势凸显
以铜代银后，电极金属化的最优选择为电镀工艺。尽管丝网印刷工艺简单、快速，且更换金属材料后仍能沿用既有生产线，但丝网印刷铜浆会导致电阻和线宽增加。对比铜电镀及铜浆，二者电阻水平分别为＜2Ω/cm和4-5Ω/cm，线宽水平分别为20-40μm和＞60μm。因此，以铜代银后，电极金属化的最优方式仍为电镀工艺。
图表26：电镀铜是细线宽、高导电性的金属化方法
资料来源：<SILICON HETEROJUNCTION METALLIZATION AND MODULES APPROACHES>（CSEM，2016），中金公司研究部
电镀铜工艺具体路线尚存分歧，仍需产业验证
电镀铜工艺可以分为“种子层制备→图形化→电镀及后处理”三大环节，每个环节均有较多技术路径可以选择，目前尚未定型。以HJT电池为例，电镀铜具体工艺流程包括种子层制备、图形化工艺和电镀及后处理。
图表27：电镀铜工艺流程及方法
资料来源：CPIA，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，《硅异质结太阳电池接触特性及铜金属化研究》（俞健，2019），中金公司研究部
光伏电镀步骤主要分为垂直电镀、水平电镀以及VDI混合式电镀，目前各个技术路线均在客户处进行技术验证与改进，仍需进一步观察产业验证结果。
► 垂直电镀：又称挂镀，使用夹具夹上电池片后浸入含铜离子的药水进行电镀。挂镀技术在PCB应用已经很成熟，工艺较为简单稳定，但其难点在于提升自动化速度、占地面积较大。目前国内采用垂直电镀方法的厂商包括东威科技等。东威科技于2022年12月底推出第三代光伏电镀铜垂直连续镀设备，并计划于2023年7月提供给国电投验证测试。
► 水平电镀：将电池片水平放置后通过传送带浸入药水，药水用量很小，优势在于自动化较为容易实现，但目前存在稳定性不足、释氢后部分硅片镀不上而影响良率的问题。目前国内主要采用水平电镀的公司是捷得宝等。
► VDI电镀（混合式）：罗博特科在2022年12月末交付首台新型异质结电池VDI铜电镀设备至国电投，截至2月该设备已经在客户端完成第一阶段的验证，公司预计在2月底或3月初将进入第二阶段验证，与自动化设备全面对接，收集整线跑通数据结果。公司认为其优势在于占地面积大幅降低、产能配置弹性大等。
图表28：光伏水平电镀设备
资料来源：《一种光伏电池片水平电镀的设备》（申请号201922134654.4，申请人：单伶宝，捷得宝），中金公司研究部
图表29：光伏垂直电镀设备
资料来源：《一种合夹装置及电镀线》（申请号202122785134.7，申请人：东威科技），中金公司研究部
光伏电镀铜元年，有望复制复合铜箔发展路径
光伏电镀铜元年，有望复制复合铜箔的新技术扩散路径。站在当前时点，我们认为光伏电镀铜发展阶段可类比2021年年底的复合铜箔，均处于新技术导入初期、渗透率从0到1。往前看，我们认为光伏电镀铜或有望复制其复合铜箔的发展路径，产业化初期或将涌现更多客户，纷纷购置先进设备用于测试验证，而伴随产业化推进、量产方案成熟、成本下降，设备厂商有望率先受益资本开支的增长。
图表30：复合铜箔 vs 光伏电镀铜产业化进程
资料来源：公司公告，中金公司研究部
风险提示
复合铜箔和电镀铜产业化进度不及预期
尽管复合铜箔的性能优势较为突出，但是实现产业化需综合考虑多方面因素。材料端，尽管已有复合铜箔材料厂商完成循环测试，但仍有部分材料厂商尚未彻底解决材料附着力较低等问题，同时PET、PP基膜路线尚未完全确定，或将延后其产业化进度；设备端，相关设备厂商的产能扩张及交付速度若低于预期，可能导致行业产业化进度低于预期；电池端，除了头部厂商进展较快，其他电池厂商目前仍在解决超声波焊接的工艺难点，若短期内无法解决，或将延后其他电池厂的推进速度。
光伏电镀铜技术路线尚未完全确定，且当前设备投资额仍比较高，若设备技术进步速度低于预期，有可能导致光伏电镀铜成本下降速度低于预期，进而使得其产业化进度延后。
技术路线变化超出预期
复合铜箔存在的前提是负极集流体导电层仍采用金属铜，而非铝等其他金属。我们了解到下游钠离子电池或可采用金属铝作为负极集流体，尽管短期内钠离子电池大规模取代锂离子电池的可能性较低，但如果负极集流体的技术路线变革速度超出我们预期，则可能导致复合铜箔渗透率提升低于预期。
成本测算可能存在误差
本文的成本测算均基于一定的假设前提，测算结果有可能存在一定误差，包括但不限于：1）目前行业内尚未正式交付磁控溅射+蒸镀一体机设备，设备单GWh投资额需参考厂商最终定价，此处我们仅为估算值；2）靶材/蒸发料的成本及利用率为产业链调研数据，实际情况可能根据厂商加工工艺、是否批量采购、靶材/蒸发料实际纯度等存在差异。3）相比一步法，水电镀设备占地面积更大，且电镀液需要进行环保处理，此外可能存在材料损耗等，以上成本尚未量化测算，最终结果可能高于我们的理论测算值。
一步法成本下降超出预期
如果磁控溅射及蒸镀一体机设备由于工艺改进、设计优化等因素导致速度提升、材料利用率提升、功耗下降，或者靶材/蒸发料价格大幅下降，或者设备核心零部件大规模国产化后价格大幅降低，则有可能导致成本降幅超出我们预期。如果化学镀一步法通过工艺优化实现速度提升，或者通过配方优化大幅降低催化剂等化学药水成本，则有可能导致成本降幅超出我们预期。
[1] 镀层分布的均匀程度，是衡量电镀效果的关键指标，电镀层最厚值与最薄值的极差值越小说明电镀效果越好
[2] 深孔电镀能力，印制电路板中孔内平均铜厚与表面平均铜厚的比例，数值越高，孔内镀层厚度与表面镀铜层厚度越接近，电镀效果越好
[3] 资料来源：谢菁琛, 李丽波, 杨秀春. 高分子材料的金属化[J]. 电镀与环保, 2011, 31(6):5.
[4] 资料来源：姚卫国, 鲁姗姗, 窦艳丽,等. 高分子表面金属化技术[J]. 化工进展, 2018, 37(5):8.
[5] 资料来源：陈荣发. 电子束蒸发与磁控溅射镀铝的性能分析研究[J]. 真空, 2003(02):11-15.
[6] 资料来源：徐万劲. 磁控溅射技术进展及应用(上)[J]. 现代仪器, 2005, 11(6):6.
[7] 注：电子束是指朝一定方向运动的电子汇集成束的高速电子流，作为加热源对材料进行加热处理。
[8] 资料来源：一种电子束蒸发双面镀膜的卷对卷设备（实用新型专利申请号：202220418232.9）广东腾胜科技
[9] 资料来源：陈捷豪, 贺 涛, 陈星宇,等. 卷对卷电子束蒸镀高阻隔膜研究进展[J]. 材料科学, 2022, 12(9):14.
[10] 资料来源：孙振华, 沈丽如. 提高平面磁控溅射靶材利用率方法分析[J]. 真空, 2016(4):3.
[11] 资料来源：徐万劲. 磁控溅射技术进展及应用(上)[J]. 现代仪器, 2005, 11(6):6.
[12] 资料来源：董西英, 马刚领. 磁控溅射淀积速率影响因素及最佳工艺参数研究[J]. 无线互联科技, 2010(4):4.
[13] 资料来源：http://www.highgreat.com/page168
[14] 资料来源：马立涛, 郭忠诚, 朱晓云,等. 化学镀铜原理、应用及研究展望[J]. 南方金属, 2009(2):4.
[15] 资料来源：王群, 孙宇曦, 张波. 印制电路板沉铜制程低钯消耗量工艺研究[J]. 印制电路信息, 2022(030-005).
[16] 注：电沉积是指在电流的作用下，电沉积液中受电场作用的金属离子/电活性的有机分子通过氧化还原反应在阴极的表面沉积金属镀层/聚合物膜层
[17] 资料来源：唐明星. 印制电路板酸性电镀铜电镀添加剂的应用及其机理研究[D]. 重庆大学, 2018.
[18] 资料来源：提高化学镀铜溶液稳定性与沉积速率的研究_孔德龙
[19] 资料来源：徐火平,孙静静.超声波对印制板电镀铜和化学镀铜的影响研究[J].电子工艺技术,2017,38(5):5.
[20] 资料来源：《一种PET表面粗化液及其制备方法》（三孚新材料，专利申请号202111225262.4）
[21] 资料来源：宋文龙, 邓建新, 赵金龙. 磁控溅射薄膜附着性能的影响因素[J]. 工具技术, 2007, 41(10):20-23.
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文章来源
本文摘自：2023年3月22日已经发布的《复合集流体系列03：为什么水电镀不可少？》
丁健 分析员 SAC 执证编号：S0080520080002 SFC CE Ref：BRQ847
陈显帆 分析员 SAC 执证编号：S0080521050004 SFC CE Ref：BRO897
张贤 联系人 SAC 执证编号：S0080121070238
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