电镀模块

模拟和控制电镀过程

“电镀模块”是 COMSOL Multiphysics® 的一个附加模块,为工程师和科研人员提供了通过仿真深入了解、优化和掌控电镀过程的能力,其中为研究各种参数对电镀过程的影响提供了一种经济高效的方法,包括电镀池几何形状、电解质成分、电极反应动力学、工作电压和电流,以及温度等因素的影响。

通过使用“电镀模块”进行仿真,用户可以得到电极表面的电流分布图,以及沉积层的厚度和成分。这使您能够对各种应用进行建模,例如电导体和热导体的制造,以及复杂形状薄型零件的电铸。此外,您还可以将“电镀模块”与 COMSOL 产品库中的其他模块结合使用,进一步扩展其多物理场功能,例如模拟湍流和两相流等现象。

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以 Prism 颜色表显示的电阻晶圆模型。

电镀模块支持的建模对象

“电镀模块”广泛适用于各种应用领域。

以 Prism 颜色表显示的车门模型的特写视图。

电泳涂漆

研究高电阻涂层的沉积过程,这一过程会导致涂层区域的电流分布发生动态变化。

组件阵列的特写视图,其中显示阴极厚度。

电镀

研究多个组件的电镀均匀性。

电化学电池模型的特写视图,其中显示速度分布。

电解沉积1

从电解质溶液中提取铜,并研究阴极表面的沉积速率。

微孔模型的特写视图,其中显示电流密度。

电化学加工

研究电化学加工过程,以及不断变化的几何形状对材料去除进度的影响。

具有 11 条线的一维绘图。

反向脉冲电镀

在金属沉积过程中,通过反向脉冲溶解来减弱小突起。

电路板模型的特写视图,其中显示电场。

印刷电路板(PCB)2

模拟 PCB 制造中的电镀过程。

铝阳极组件的特写视图,其中显示沉积层的厚度。

铝阳极氧化

通过模拟阳极氧化过程,在金属和塑料表面实现均匀的保护性或装饰性涂层,并优化电极的覆盖范围。

变形几何的特写视图,其中显示浓度。

吸附-解吸物质

提供狭窄通孔和沟槽中吸附-解吸动力学的模拟解决方案。

  1. 需要“CFD 模块”
  2. 需要“ECAD 导入模块”

电镀模块的特征和功能

探索用于模拟电镀电池中各种现象的特征。

“模型开发器”(其中突出显示“二次电流分布”节点)和“图形”窗口(显示装饰镀层模型)的特写视图。

一次、二次和三次电流密度分布

COMSOL Multiphysics® 及其“电镀模块”为用户提供了现成且用户友好的接口,用于对电镀过程进行建模。一次电流分布二次电流分布三次电流分布 接口涵盖了基本功能,能够使用极化曲线对电流分布和表面动力学进行建模,并在模型中包含质量传递效应和本体平衡反应。

通过选择其中不同接口,用户可以选择获得足够准确的系统描述所需的保真度级别。无论模型只需包含欧姆效应还是更复杂的情况(例如需要包含多种物质的质量传递和平衡反应),COMSOL Multiphysics® 都可以根据需要为给定的物理系统无缝添加尽可能多的物质和反应。

“电极,壳”节点设置和“图形”窗口(显示喷泉流模型)的特写视图。

壳电极中的电流传导

“电镀模块”包含电极,壳 接口对边界切向上的电流传导进行模拟,适用于对薄电极进行建模,其中电极法向上的电位变化可以忽略不计。在这种情况下,薄电极域被边界上的偏微分方程式所取代,可以减小问题的规模,并避免薄层中出现网格各向异性的潜在问题。

“电极反应”设置和“图形”窗口(显示一维绘图)的特写视图。

电化学反应动力学

“电镀模块”提供了对电化学电荷转移反应进行建模的能力,其中动力学表达式可以是建模变量的任意函数。这些变量包括化学物质浓度、电极-电解质界面处的局部电极和电解质电位、温度等。

您可以在二次电流分布三次电流分布 接口中输入电极动力学的参数,例如系统中电极反应的交换电流密度、阳极和阴极电荷转移系数、化学计量和平衡电位。我们还提供了在单个电极表面上添加竞争反应的功能,例如电镀电极上的析氢反应。此外,化学物质传递 分支下的化学 接口还可用于定义各种均相和非均相反应。

“气泡流,层流”设置和“图形”窗口(显示电解沉积模型)的特写视图。

扩展的多物理场分析

“电镀模块”可以与 COMSOL 产品库中的其他附加产品结合使用,使用户能够将描述电镀或蚀刻过程的物理场与其他模块相互耦合。例如,与“传热模块”相结合以研究热效应的影响;或与“CFD 模块”相结合以了解涡流、湍流或两相流的影响。

“模型开发器”和“图形”窗口(显示电感线圈模型)的特写视图。

电镀层及其成分

当沉积金属层或阳极厚度变化较小时,通过仿真能够准确跟踪镀层厚度,并预测这种变化可能对电极中的欧姆效应产生的影响,而无需实际改变几何形状。其中引入的厚度变量也会影响电极的局部电导率,而通过定义电极反应的化学计量系数、摩尔质量和沉积或消耗金属的密度,就可以根据电极动力学表达式自动计算电极厚度的变化。

“模型开发器”和“图形”窗口(显示铜沟槽模型)的特写视图。

移动电极表面的变形几何

“电镀模块”提供了预定义的多物理场接口,用于对电化学电池中的沉积或溶解过程引起的变形进行瞬态建模。这种建模方法利用了变形几何,其中边界的速度由电化学反应确定。

此外,我们还提供了水平集相场 接口用于电镀建模,其中电极表面的拓扑结构随电镀过程发生变化。

“传递属性”设置和“图形”窗口(显示一维绘图)的特写视图。

物质传递

“电镀模块”可用于模拟化学物质在稀溶液中通过扩散、对流和迁移进行的传递。多孔介质中的稀物质传递 接口用于计算物质浓度,以及自由和多孔介质中的传递,例如,固相基质完全固定或充气介质也假设为固定的情况。

Nernst-Planck 方程 接口可用于计算受电场作用的电解质的浓度。此外,还可用于模拟载流物质(离子)具有显著浓度梯度的通用电化学池。您还可以使用表面反应 接口来模拟表面物质的菲克输运。

“模型开发器”(其中突出显示“固体传热”节点)和“图形”窗口(显示一维绘图)的特写视图。

传热

在电化学池中,存在着电解质或固体导体材料中的电荷传输、电极反应中的活化过电位以及混合热等现象,可能导致不可逆的电压损失。同时,由于电极反应中的熵变,还可能出现可逆的热源和热沉。

电化学热 多物理场耦合可用于根据电化学接口中不可逆热(焦耳热和活化损失)和可逆热效应的总和来定义热源。此外,在模型中的不同组件之间设置手动耦合时,您还可以使用电化学接口定义的热源变量,以更好地控制热管理。

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