电镀模块

模拟和控制电镀过程

电镀模块

装饰电镀使用二次电流分布假设,并利用 Butler-Volmer 动力学方程描述阳极和阴极的反应。图中显示了模型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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  • Model of the electroplating of a Printed Circuit Board (PCB). The results show the electric field lines and the thickness of the plated copper circuits in the PCB. The Application Builder is used to build apps than can be used to simulate the same properties, without requiring extensive knowledge of simulation. Model of the electroplating of a Printed Circuit Board (PCB). The results show the electric field lines and the thickness of the plated copper circuits in the PCB. The Application Builder is used to build apps than can be used to simulate the same properties, without requiring extensive knowledge of simulation.
  • A COMSOL Application built from a COMSOL Model of the electroplating of a Printed Circuit Board (PCB). The results show the electric field lines and the thickness of the plated copper circuits in the PCB. The app can study the thickness and uniformity of the copper circuits in the Printed Circuit Board (PCB) for different parameters such as plating rate, layout and bath setup. The app can also be used for finding the optimum deposition rate for a give uniformity target as well as finding the optimum design of the aperture (protective shield) placed between the anode and the PCB. A COMSOL Application built from a COMSOL Model of the electroplating of a Printed Circuit Board (PCB). The results show the electric field lines and the thickness of the plated copper circuits in the PCB. The app can study the thickness and uniformity of the copper circuits in the Printed Circuit Board (PCB) for different parameters such as plating rate, layout and bath setup. The app can also be used for finding the optimum deposition rate for a give uniformity target as well as finding the optimum design of the aperture (protective shield) placed between the anode and the PCB.
  • The Settings features from a COMSOL Application built from a COMSOL Model of the electroplating of a Printed Circuit Board (PCB). Built into the app is the ability to manipulate a number of the different bath and aperture geometric dimensions, as well as to upload your own design. This allows you to study the thickness and uniformity of the copper circuits in the Printed Circuit Board (PCB) for different parameters such as plating rate, layout and bath setup. The app can also be used for finding the optimum deposition rate for a give uniformity target as well as finding the optimum design of the aperture (protective shield) placed between the anode and the PCB. The Settings features from a COMSOL Application built from a COMSOL Model of the electroplating of a Printed Circuit Board (PCB). Built into the app is the ability to manipulate a number of the different bath and aperture geometric dimensions, as well as to upload your own design. This allows you to study the thickness and uniformity of the copper circuits in the Printed Circuit Board (PCB) for different parameters such as plating rate, layout and bath setup. The app can also be used for finding the optimum deposition rate for a give uniformity target as well as finding the optimum design of the aperture (protective shield) placed between the anode and the PCB.
  • 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。

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的众多效应。在微尺度级别下,这意味着研究参与反应的电化学动力场,以及研究不同外部条件对电镀动力场的影响。在反电极,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失的电解加工过程。通过仿真这些过程并将它们与实验或工艺的数据进行比较,您可以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。通过了解这些机理和参数,您可以在更大尺度下仿真沉积或蚀刻的速率和分布。同时,您将可以考虑系统的工作条件,例如电镀槽和电极几何结构、电镀槽电压或施加的电流、遮盖与屏蔽、电解质组成与流体流动、气体演变与温度等。

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。

Electrochemical Impedance Spectroscopy

Decorative Plating

Copper Deposition in a Trench

Secondary Current Distribution in a Zinc Electrowinning Cell

Cyclic Voltammetry at a Macroelectrode in 1D

Electrodeposition of a Microconnector Bump in 2D

Rotating Cylinder Hull Cell