电镀模块

使用电镀模块模拟并控制电镀过程

电镀模块

装饰电镀假定在阳极和阴极上都采用全 Butler-Volmer 动力学的二次电流分布。图中显示了器件正面和背面的沉积厚度。

研究电镀槽的所有重要特性

模拟和仿真是了解、优化和控制电镀过程的最节省成本的方法。典型的仿真可以获得电极表面的电流分布,以及镀层的厚度和组成。仿真用于研究一些重要的参数,例如电镀槽几何结构、电解质组成、电极反应动力场、工作电压和电流,以及温度效应。利用这些相关参数,您可以优化电化学槽的运行条件和掩膜的位置与设计,确保沉积面的质量,同时最大程度降低材料和能量损失。

广泛应用于各种不同的电化学过程

电镀模块适合于一系列广泛的应用,包括:电子器件的金属沉积、腐蚀和磨损保护、装饰电镀、复杂薄结构的电铸、蚀刻、电加工、电解以及精炼等。通过电镀模块,可以考虑所有发生的现象,并一起进行仿真。更具体地说,您可以耦合电流传输和守恒、化学物质传递、电荷平衡和电化学动力场等方程。由于可以考虑多种现象,您能够精确地计算电极表面上沉积的质量、形状和厚度。

电镀模块提供了定义电化学加工过程的工具和物理接口。您可以使用预定义的公式来模拟一次、二次和三次电流分布——这些结果通常可以作为表面处理和产品质量的良好指标。


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电路板铜电镀模型中移动边界的作用。该瞬态模型清楚地表明,由于铜的非均匀沉积导致沟口变窄。 电路板铜电镀模型中移动边界的作用。该瞬态模型清楚地表明,由于铜的非均匀沉积导致沟口变窄。
电感线圈上的电沉积,包括光致抗蚀隔离膜以及抗蚀表面的扩散层。电解质中的铜离子质量传递对沉积动力场具有主要影响,使沉积图案外部的沉积速率较高。 电感线圈上的电沉积,包括光致抗蚀隔离膜以及抗蚀表面的扩散层。电解质中的铜离子质量传递对沉积动力场具有主要影响,使沉积图案外部的沉积速率较高。
旋转圆筒赫尔槽中的一次、二次和三次电流分布模型。 旋转圆筒赫尔槽中的一次、二次和三次电流分布模型。
印刷电路板 (PCB) 的电镀模型。结果显示 PCB 中的电场线和镀铜电路的厚度。“App 开发器”用于构建可以重复模拟相似问题的 App,运行这些 App 不需要深入的仿真知识。 印刷电路板 (PCB) 的电镀模型。结果显示 PCB 中的电场线和镀铜电路的厚度。“App 开发器”用于构建可以重复模拟相似问题的 App,运行这些 App 不需要深入的仿真知识。
根据电镀印刷电路板 (PCB) COMSOL 模型构建的 COMSOL App。结果显示 PCB 中的电场线和镀铜电路的厚度。此 App 可研究不同参数(例如镀速、布局和浴设置)情况下,印刷电路板 (PCB) 中铜电路的厚度和均匀度。此 App 还可用于找出给定均匀度目标的最佳沉积速率,以及找出阳极与 PCB 之间孔径(防护板)的最佳设计。 根据电镀印刷电路板 (PCB) COMSOL 模型构建的 COMSOL App。结果显示 PCB 中的电场线和镀铜电路的厚度。此 App 可研究不同参数(例如镀速、布局和浴设置)情况下,印刷电路板 (PCB) 中铜电路的厚度和均匀度。此 App 还可用于找出给定均匀度目标的最佳沉积速率,以及找出阳极与 PCB 之间孔径(防护板)的最佳设计。
根据电镀印刷电路板 (PCB) 的 COMSOL 模型构建的 COMSOL App 中的设置功能。内置到 App 是能够操作大量不同浴和孔径几何维度,以及上传您自己的设计。这使您可以研究不同参数(例如镀速、布局和浴设置)情况下印刷电路板 (PCB) 中铜电路的厚度和均匀度。此 App 还可用于找出给定均匀度目标的最佳沉积速率,以及找出阳极与 PCB 之间孔径(防护板)的最佳设计。 根据电镀印刷电路板 (PCB) 的 COMSOL 模型构建的 COMSOL App 中的设置功能。内置到 App 是能够操作大量不同浴和孔径几何维度,以及上传您自己的设计。这使您可以研究不同参数(例如镀速、布局和浴设置)情况下印刷电路板 (PCB) 中铜电路的厚度和均匀度。此 App 还可用于找出给定均匀度目标的最佳沉积速率,以及找出阳极与 PCB 之间孔径(防护板)的最佳设计。

使仿真成为建模流程的一部分

与所有化学过程一样,您可以根据自己的目的,在不同尺度下研究电镀过程中的诸多效应。在微尺度级别下,这意味着分析参与反应中的电化学动力学,以及不同平整剂或冲击条件对电镀动力学的影响。在反电极上,可能需要仔细选择电催化剂和电极微结构,特别是对于需要尽量减小损耗的电解沉积。通过模拟这些过程并将其与实验或工艺数据进行比较,您将能了解电极表面的电荷转移反应机理,并推导出电化学动力学参数,例如交换电流密度和每个反应的电荷转移系数。理解了这些机理和参数之后,您可以在更大尺度上模拟沉积或蚀刻的速率和分布。同时,您将能考虑系统的工作条件,例如电池和电极几何、电池电压或施加的电流、遮盖与屏蔽、电解质组成与流动、气体演化与温度等。

标准 COMSOL Desktop® 用户界面是电镀模块的基础平台,也可用于 COMSOL 模块套件中的所有其他专业模块。因此,您可以将描述电镀或蚀刻过程的物理场与其他模块进行耦合,例如,与传热模块耦合来研究热效应,或与 CFD 模块耦合来了解两相流的效应。此外,其他物理特性(例如,结构完整性)可以使用模拟电化学槽的模型文件进行模拟。这种统一的模拟平台是完美的协作工具,帮助在不同领域中研究相同过程的工程师进行合作。

模拟电镀和电镀槽的易用工具

电镀模块附带了许多简单易用的工具,用于研究电镀和电镀槽的相关特性。这包括:

电化学反应动力学

您可以定义电化学电荷传递反应,其中的动力学表达式可以是模型变量的任意函数。例如,化学物质浓度、电极-电解质界面的局部电极和电解质电势,以及温度。在二次和三次电流分布接口中,您还可以输入电极动力场的参数,例如交换电流密度、阳极与阴极电荷传递系数、化学计量系数,以及系统中电极反应的平衡电势。此外,还包括 Butler-Volmer 和 Tafel 预定义表达式。并且,还可以在单个电极表面上添加多个相互抑制的反应,例如在电镀电极添加氢演化反应。对于三次电流分布,可以利用浓度变量,在电极动力学表达式中将电极反应与电活性物质的局部浓度相耦合。使用 Nernst 方程的描述还可以估算浓度过电势。

流体流动

电镀模块中还包括 Navier-Stokes、Darcy 定律和 Brinkman 方程等模拟层流或多孔介质流的接口。通过耦合 CFD 模块的相应物理接口,在仿真中还可以考虑湍流和两相流。

电镀层

根据阴极表面沉积层的厚度生长可以模拟移动边界,电镀模块由此还进一步考虑几何结构变化对电化学过程的影响。溶解或生长表面会显著影响电镀槽的运行,而电镀模块可以将这些动态变化作为仿真的一部分来考虑。此外,在沉积金属层或阳极厚度变化很小的情况下,您还可以选择特定的物理接口,来不停地追踪镀层厚度变化及其电极欧姆效应的影响,而无需实际更改几何结构。引入描述厚度的变量,该变量也会影响电极的局部电导。根据电极反应的化学计量系数、摩尔质量和沉积(或溶解)金属的密度,电极的厚度变化可以通过电极动力学表达式自动计算。

电解质与电极中的电流平衡

电解质中离子传递和电极中电子传导,结合电流守恒和电荷守恒,构成了电镀模块的基本理论框架。在一次和二次电流分布接口中,电解质中的离子传递被假定为离子迁移过程,忽略扩散的影响。当电解质中混合足够均匀以致可以忽略浓度梯度时,可以使用这两个接口。当只有电极表面附近具有浓度梯度时,也可以使用二次电流分布公式:通过使用解析表达式来表示电极表面边界层上的浓度变化。在三次电流分布接口中,电解质中的离子传递使用扩散、对流和迁移(Nernst-Planck 方程)三个因素进行描述。模块会考虑所有离子传递的贡献,并自动计算电流密度。因而,电流密度最终通过离子的扩散和迁移描述,这是当电解质中存在显著浓度变化时所必须要考虑的。通过电极反应动力场,电极中的电流平衡与其表面周围电解质的电流平衡完全耦合。欧姆定律用于描述电极中的电流传导。电镀模块还包含模拟薄金属结构或壳的电流传输的接口,例如,对电镀过程开始时的电反应进行模拟。您可以用来模拟非导电结构上的薄层电镀,以及考虑电极欧姆损耗时电解质中的电流平衡。

材料传递

电镀模块可以模拟稀溶液和浓溶液中通过扩散、对流和迁移发生的化学物质传递。其中包含预定义的 Nernst-Planck 方程接口,而且还可以在稀溶液与浓溶液以及多孔介质的化学物质传递接口中添加迁移项。

传热

电镀模块可以模拟对流、传导和焦耳热等,也包含了描述多孔介质传热的特定物理场接口。在热平衡模拟中考虑电化学过程中的各种作用。例如,在电极边界中添加由于活化超电势产生的热源。

电镀模块

产品特征

  • 一次、二次和三次电流分布接口,用于描述电解质电流平衡
  • 电荷平衡假设:电中性、支持电解质或 Poisson 方程
  • 稀溶液和浓溶液中的 Nernst-Planck 方程
  • Nernst-Einstein 方程,用于关联电解质的迁移率和扩散系数
  • 电极欧姆定律和电流守恒
  • Nernst 方程,用于描述平衡电势和浓度过电势
  • 化学计量系数和 Faraday 定律自动关联,从而将材料平衡和电流平衡耦合到电极反应
  • 电极动力学,考虑活化过电势和浓度过电势
  • 对电极电催化,例如氧的反应
  • Butler-Volmer 和 Tafel 方程,预定义的动力学表达式
  • 预定义了电极表面的电极厚度变量,沉积过程中电极几何结构的微小变化都会影响局部电导率
  • 利用移动边界描述沉积层和电化学蚀刻产生的电极几何大变形
  • 电极和电解质中的欧姆损失产生焦耳热
  • 活化损耗产热
  • 分散能力估计
  • Wagner 数估计

应用领域

  • 阳极氧化
  • 金属单元中的双极效应估计
  • 镀铬层
  • 镀铬 (Chroming)
  • E-涂层技术
  • 电泳涂装 (Electrocoating)
  • 电染
  • 采矿电沉积
  • PCB 电沉积制造
  • 电铸
  • 电镀
  • 电解
  • 蚀刻
  • 平整镀层
  • 功能性电镀
  • 霍尔槽
  • 冲击方法
  • 表面处理
  • 耐磨性镀层
  • 电化学制造
  • 电化学抛光
  • 电化学加工
  • 防护和掩蔽

微连接泵的二维电镀

装饰镀层

旋转柱形赫尔电池

锌电解提炼池中的二次电流分布

沟槽中镀铜

宏电极的一维循环伏安法

电化学阻抗谱

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