Модуль Электроосаждение (Electrodeposition)

Программное обеспечение для моделирования и контроля процессов электроосаждения

Модуль Электроосаждение (Electrodeposition)

Нанесение декоративного гальванического покрытия при условии вторичного распределения тока с полной кинетикой Батлера-Волмера для анода и катода. Показана толщина осажденного материала на передней и задней сторонах детали.

Изучение всех важных характеристик используемых ванн для электроосаждения

Моделирование и имитация - малозатратные методы, позволяющие изучать, оптимизировать и контролировать процессы электроосаждения. Типовая имитация показывает распределение тока по поверхности электродов, а также толщину и состав осаждаемого слоя. Моделирование используется для изучения важных параметров, таких как геометрия ванн, состав электролита, кинетика реакций на электродах, рабочие значения тока и напряжения, а также влияние температуры. Имея информацию об этих параметрах, можно оптимизировать условия работы электрохимических ванн, размещение и конструкцию масок, а также обеспечить высокое качество поверхностей при минимальных потерях материалов и энергии.

Подходит для большинства электрохимических процессов

Модуль Electrodeposition (Электроосаждение) подходит для различных сфер применения. Сюда относится осаждение металлов на деталях электрического и электронного оборудования; защита от коррозии и износа; нанесение декоративных покрытий; электроформовка деталей малой толщины и сложной формы; травление; электрообработка, электровосстановление и электрохимическое рафинирование. С помощью этого модуля можно учитывать все необходимые явления и моделировать их совместно. В частности, можно объединять уравнения, описывающие перенос и сохранение тока, перенос химических веществ, балансы зарядов и электрохимическую кинетику. Учет сразу несколько релевантных явлений позволяет получить точные оценки качества, формы и толщины отложенного слоя на поверхности электродов.

В модуле Electrodeposition имеются инструменты и физические интерфейсы для определения физических характеристик процессов. Заложенные формулы позволяют моделировать влияние первичного, вторичного и третичного распределения тока, часто являющихся отличными показателями качества поверхности и всего изделия в ходе процесса.


Дополнительные изображения с примерами:

  • Влияние движущейся границы на электроосаждение меди на печатных платах. Модель является динамической, и результаты явно показывают, что устье канала сужается в силу неоднородности отложения меди. Влияние движущейся границы на электроосаждение меди на печатных платах. Модель является динамической, и результаты явно показывают, что устье канала сужается в силу неоднородности отложения меди.
  • Отложение на катушке индуктивности, при котором используется изолирующая маска из фоторезиста, а также диффузионный слой поверх фоторезиста. Перенос массы ионов меди в электролите оказывает значительное влияние на кинетику осаждения и повышает скорость отложения на наружных частях модели отложения. Отложение на катушке индуктивности, при котором используется изолирующая маска из фоторезиста, а также диффузионный слой поверх фоторезиста. Перенос массы ионов меди в электролите оказывает значительное влияние на кинетику осаждения и повышает скорость отложения на наружных частях модели отложения.
  • Первичное, вторичное и третичное распределение тока во вращающемся цилиндре ячейки Халла. Первичное, вторичное и третичное распределение тока во вращающемся цилиндре ячейки Халла.
  • Модель процесса электролитического нанесения покрытия на печатную плату. Приведенные результаты отображают силовые линии электрического поля и толщину нанесенных медных проводников электрической схемы на печатной плате. Для создания приложений, при помощи которых можно моделировать аналогичные свойства, не имея обширных познаний в области моделирования, используется Разработчик приложений. Модель процесса электролитического нанесения покрытия на печатную плату. Приведенные результаты отображают силовые линии электрического поля и толщину нанесенных медных проводников электрической схемы на печатной плате. Для создания приложений, при помощи которых можно моделировать аналогичные свойства, не имея обширных познаний в области моделирования, используется Разработчик приложений.
  • Приложение COMSOL, созданное на основе модели процесса электролитического нанесения покрытия на печатную плату. Приведенные результаты отображают силовые линии электрического поля и толщину нанесенных медных проводников электрической схемы на печатной плате. Данное приложение позволяет исследовать толщину и однородность медных проводников электрической схемы на печатной плате в зависимости от различных параметров, таких как скорость осаждения покрытия, компоновка системы и настройка ванны. Приложение может использоваться для определения оптимальной скорости осаждения покрытия при заданном целевом показателе однородности, а также для определения оптимальной конструкции апертуры (защитного экрана), располагаемой между анодом и печатной платой. Приложение COMSOL, созданное на основе модели процесса электролитического нанесения покрытия на печатную плату. Приведенные результаты отображают силовые линии электрического поля и толщину нанесенных медных проводников электрической схемы на печатной плате. Данное приложение позволяет исследовать толщину и однородность медных проводников электрической схемы на печатной плате в зависимости от различных параметров, таких как скорость осаждения покрытия, компоновка системы и настройка ванны. Приложение может использоваться для определения оптимальной скорости осаждения покрытия при заданном целевом показателе однородности, а также для определения оптимальной конструкции апертуры (защитного экрана), располагаемой между анодом и печатной платой.
  • Настройки приложения COMSOL, созданного на основе модели  процесса электролитического нанесения покрытия на печатную плату. В приложении предусмотрена возможность управлять множеством различных геометрических размеров ванны и апертуры, а также загружать свои собственные проекты. Это позволяет исследовать зависимость толщины и однородности медных проводников электрической схемы на печатной плате  от различных параметров, таких как скорость осаждения покрытия, компоновка системы и настройка ванны. Приложение может использоваться для определения оптимальной скорости осаждения покрытия при заданном целевом показателе однородности, а также для определения оптимальной конструкции апертуры (защитного экрана), располагаемой между анодом и печатной платой. Настройки приложения COMSOL, созданного на основе модели процесса электролитического нанесения покрытия на печатную плату. В приложении предусмотрена возможность управлять множеством различных геометрических размеров ванны и апертуры, а также загружать свои собственные проекты. Это позволяет исследовать зависимость толщины и однородности медных проводников электрической схемы на печатной плате от различных параметров, таких как скорость осаждения покрытия, компоновка системы и настройка ванны. Приложение может использоваться для определения оптимальной скорости осаждения покрытия при заданном целевом показателе однородности, а также для определения оптимальной конструкции апертуры (защитного экрана), располагаемой между анодом и печатной платой.

Включение моделирования в технологический процесс

Как и для любых химических процессов, многие эффекты процессов электроосаждения можно наблюдать в различных масштабах, в зависимости от поставленной цели. В микромасштабе это может быть исследование электрохимической кинетики протекающих реакций и влияния различных выравнивающих добавок или условий нанесения на кинетику электроосаждения. Для вспомогательных электродов может требоваться тщательный подбор электрокатализатора и микроструктуры электрода, особенно при электровосстановлении, где необходимо минимизировать потери. Моделирование этих процессов и их сравнение с результатами экспериментов или с данными технологических процессов позволяет понять механизм переноса заряда по поверхности электрода, а также определить параметры электрохимической кинетики: например, плотность обменного тока и коэффициент переноса заряда для каждой реакции. Зная эти механизмы и параметры, можно моделировать скорость и распределение осаждения и травления в более широких пределах. При этом будут учитываться условия работы системы, такие как геометрия ванн и электродов, напряжение на ванне или наложенный ток, маскирование и экранирование, состав и расход электролита, выделение газа и его температура.

Стандартизированный пользовательский интерфейс COMSOL Desktop®, лежащий в основе модуля Electrodeposition, также используется во всех остальных модулях расширения пакета COMSOL. Это позволяет сочетать физическое описание процесса электроосаждения или травления с другими модулями: например, Heat Transfer (Теплопередача) для изучения тепловых эффектов или CFD (Вычислительная гидродинамика) для анализа двухфазного потока. Существует возможность моделировать и другие физические характеристики, например, структурную целостность, и совместно использовать те же файлы моделей, которые использовались для моделирования электрохимической ванны. Единая платформа моделирования идеальна для сотрудничества с инженерами, работающими над различными аспектами одного и того же процесса.

Простые в использовании инструменты моделирования ванн для электроосаждения и электролитического нанесения покрытий

Модуль Electrodeposition содержит ряд простых инструментов для работы с различными характеристиками, относящимися к ваннам для электроосаждения и нанесения покрытий. Сюда относится:

Кинетика электрохимических реакций

Можно определить реакции переноса электрохимического заряда, для которых кинетические выражения могут быть произвольными функциями моделируемых переменных. В их число входят концентрации химических веществ, локальные потенциалы электродов и электролита на границе электрод-электролит и температура. В интерфейсах вторичного и третичного распределения тока можно вводить параметры кинетики электродов, например, плотность обменного тока, коэффициенты переноса анодного и катодного зарядов, стехиометрию, равновесный потенциал электродных реакций системы. Имеются заданные выражения для уравнений Батлера - Волмера и Тафеля. Кроме того, можно добавить несколько параллельных реакций на одной и той же поверхности электрода, например, выделение водорода на электроде для гальванопокрытия. В случае третичного распределения тока можно связать реакции на электродах с локальной концентрацией электроактивных веществ в уравнениях электродной кинетики, используя переменные для концентрации. Концентрационную поляризацию также можно оценить с помощью уравнений Нернста.

Поток текучей среды

В модуле злектроосаждения также имеются интерфейсы для моделирования ламинарных потоков и потоков в пористых средах. Они реализованы на основе уравнений Навье - Стокса, Бринкмана, а также закона Дарси. Турбулентные и двухфазные потоки можно моделировать, подключая соответствующий физический интерфейс из модуля CFD (Вычислительная гидродинамика).

Слои, полученные электроосаждением

Модуль Electrodeposition позволяет учитывать влияние изменений геометрических параметров на электрохимические процессы путем моделирования подвижных границ по мере увеличения толщины осажденного слоя на катоде. Уменьшение или увеличение площади поверхности может значительно влиять на работу ванны, и модуль динамически учитывает эти изменения в процессе моделирования. Кроме того, в случаях, когда изменения осажденного металлического слоя на аноде невелики, можно выбрать физический интерфейс для контроля толщины этого слоя, а также оценки его влияния на сопротивление электрода, фактически не изменяя геометрию. Вместо этого вводится переменная толщины, которая также влияет на локальную электропроводимость электрода. Изменения толщины электрода можно рассчитывать автоматически по кинетическим уравнениям электрода, определяя стехиометрические коэффициенты, молярную массу и плотность осажденного или израсходованного металла для электродных реакций.

Балансы токов в электролитах и электродах

Описания переноса ионов в электролите и описания электронной проводимости электродов в сочетании с сохранением тока и заряда составляют основу модуля Electrodeposition. В интерфейсах первичного и вторичного распределения тока предполагается, что перенос ионов в электролите происходит путем миграции ионов, а влияние диффузии не учитывается. Это полезно, если перемешивание электролита позволяет практически полностью устранить перепады концентрации. Формулы вторичного распределения тока тоже можно использовать в случаях, когда градиенты концентрации имеются лишь вблизи поверхности электродов, при этом применяются аналитические выражения вариаций концентрации в граничном слое на поверхности электродов. В интерфейсах третичного распределения тока перенос ионов в электролите описывается с помощью диффузии, конвекции и миграции (уравнения Нернста - Планка). Модуль автоматически оценивает плотность тока путем сложения всех составляющих переноса ионов по плотности тока. Таким образом, плотность тока описывается диффузией и миграцией ионов, что необходимо при значительных вариациях концентрации электролита. Баланс тока на электродах полностью соответствует балансу тока в электролите на поверхностях электродов в силу кинетики электродных реакций. Прохождение тока через электроды описывается законом Ома. Модуль Electrodeposition содержит интерфейс для моделирования протекания тока через тонкие металлические конструкции и оболочки, например, для моделирования электролитического осаждения тонкого слоя металла в начале процесса. Это дает возможность моделировать тонкие электроосажденные слои на неэлектропроводных конструкциях, а также балансы тока в электролите с учетом омических потерь в электродах.

Перенос материалов

Модуль Electrodeposition позволяет моделировать перенос химических веществ путем диффузии, конвекции и миграции в растворах с низкой и высокой концентрацией. В модуле имеется интерфейс с уже заданными уравнениями Нернста - Планка, однако при использовании модуля поддержка миграции также добавляется в интерфейсы переноса химических веществ в растворах низкой и высокой концентрации, а также в пористых средах.

Теплопередача

Модуль Electrodeposition ппредназначен для моделирования конвекции, проводимости и Джоулева нагрева. Кроме того, имеется специальный физический интерфейс для теплопередачи в пористых средах. Модуль учитывает влияние электрохимических процессов на тепловой баланс. В частности, он позволяет добавлять потери, вызванные перенапряжением активации, как источники тепла на границах электродов.

Decorative Plating

Electrodeposition of a Microconnector Bump in 2D

Copper Deposition in a Trench

Secondary Current Distribution in a Zinc Electrowinning Cell

Rotating Cylinder Hull Cell

Cyclic Voltammetry

Electrochemical Impedance Spectroscopy