Электроосаждение

Моделируйте и управляйте процессами гальванизации

Модуль «Электроосаждение», расширяющий возможности среды COMSOL Multiphysics®, позволяет инженерам и учёным анализировать, оптимизировать и управлять процессами электроосаждения с помощью моделирования. Это очень выгодный метод исследования влияния различных факторов, таких как геометрия электрохимической ячейки, состав электролита, кинетика электродных реакций, рабочие напряжения и токи, температурные эффекты, на электрохимические процессы.

Как правило, результаты моделирования, полученные с использованием модуля «Электроосаждение», содержат данные о распределении плотности тока, толщине и составе осаждённого слоя на поверхности электродов. Можно моделировать различные технологические процессы, например нанесение электропроводных и теплопроводных слоёв или изготовление деталей сложной формы методом гальванопластики. Инструменты модуля «Электроосаждение» можно комбинировать с другими модулями COMSOL для дальнейшего расширения функциональных возможностей мультифизического моделирования, например, для анализа турбулентных или двухфазных потоков.

Связаться с COMSOL
Модель резистивной подложки показана с использованием палитры Prism.

Область применения модуля «Электроосаждение»

Инструменты модуля «Электроосаждение» позволяют решать широкий спектр задач.

Увеличенное изображение модели двери автомобиля с использованием палитры Prism.

Электростатическое осаждение

Исследуйте формирование высокорезистивных покрытий, динамически изменяющих распределение плотности тока на обрабатываемых поверхностях.

Увеличенное изображение массива деталей, на котором показано распределение толщины катода.

Гальваническое осаждение

Анализируйте равномерность нанесения покрытия на массив деталей.

Увеличенное изображение профиля скорости в модели электрохимической ячейки.

Электровакуумное осаждение1

Моделируйте извлечение меди из раствора электролита и оценивайте скорость её осаждения на поверхности катода.

Увеличенное изображение распределения плотности тока в модели микроотверстия.

Электрохимическая обработка

Анализируйте процесс электрохимической обработки с учётом изменения геометрии ячейки.

Одномерный график с 11 линиями.

Импульсное обратное нанесение

Оценивайте уменьшение небольших выступов во время осаждения металла путём обратного импульсного растворения.

Увеличенное изображение распределения электрического поля в модели печатной платы.

Печатные платы (PCB)2

Моделируйте производство печатных плат методом электроосаждения.

Увеличенное изображение толщины осаждённого слоя в модели алюминиевого анода.

Анодирование алюминия

Моделируйте и оптимизируйте процесс анодирования для получения равномерного защитного или декоративного покрытия на металлах и пластмассах.

Увеличенное изображение распределения концентрации в модели с изменяемой геометрией.

Адсорбция и десорбция

Моделируйте кинетику адсорбции/десорбции в узких отверстиях и каналах.

  1. Требуется модуль «Вычислительная гидродинамика»
  2. Требуется модуль «ECAD-импорт»

Функциональные возможности модуля «Электроосаждение»

Специальные инструменты моделирования различных процессов в электрохимических ячейках.

Увеличенное изображение дерева модели с выбранным узлом Secondary Current Distribution и моделью декоративного покрытия в графическом окне.

Распределение тока с учётом различных факторов

COMSOL Multiphysics® и модуль «Электроосаждение» предлагают набор готовых, удобных в использовании интерфейсов для моделирования электрохимических процессов. Основной функционал представлен в интерфейсах Primary Current Distribution, Secondary Current Distribution и Tertiary Current Distribution. Они позволяют моделировать распределение тока и кинетику поверхностных реакций, рассчитывать кривые поляризации, а также учитывать эффекты массопереноса и объёмные равновесные реакции.

Выбирая один из этих интерфейсов, пользователь определяет, какие именно эффекты будут учтены при описании моделируемой системы. В относительно простых системах достаточно учесть только омические потери, тогда как в более сложных необходимо включить в модель массоперенос и равновесные химические реакции для множества компонентов. COMSOL Multiphysics® позволяет легко добавить в модель столько реагентов и реакций, сколько необходимо для описания исследуемой физической системы.

Увеличенное изображение окна настройки узла Electrode, Shell и модели фонтанирующего течения в графическом окне.

Перенос заряда в тонких оболочках

В состав модуля «Электроосаждение» входит интерфейс Electrode, Shell, предназначенный для моделирования электрической проводимости на геометрических поверхностях. Интерфейс позволяет моделировать тонкие электроды, в которых изменение потенциала по толщине электрода пренебрежимо мало. В этом случае уравнение для тонкого домена можно заменить уравнением на границе. Такая замена существенно упрощает решение задачи за счёт уменьшения числа степеней свободы, а также избавляет от проблем, обусловленных анизотропией сеточных элементов в тонком домене.

Увеличенное изображение окна настройки узла Electrode Reaction и одномерного графика в графическом окне.

Кинетика электрохимических реакций

Инструменты модуля «Электроосаждение» позволяют моделировать электрохимические реакции, скорость протекания которых может быть задана произвольными функциями модельных переменных. Например, скорость реакции может зависеть от концентрации химических веществ, локальной разности электрических потенциалов электрода и электролита на границе раздела, и от температуры.

В интерфейсах Secondary Current Distribution и Tertiary Current Distribution кинетика электродных реакций задаётся набором параметров, таких как плотность тока обмена, коэффициенты обмена заряда, стехиометрические коэффициенты и равновесные потенциалы электродных реакций. На одном электроде можно задать одновременно несколько реакций, например, выделение водорода на покрывающем электроде. Кроме того, в разделе Chemical Species Transport списка интерфейсов доступен интерфейс Chemistry, с помощью которого можно задать различные гомогенные и гетерогенные химические реакции.

Увеличенное изображение окна настройки узла Bubbly Flow, Laminar Flow и модели электровакуумного осаждения в графическом окне.

Расширенные возможности мультифизического анализа

Модуль «Электрохимия» можно использовать совместно с другими модулями расширения COMSOL. Например, для анализа тепловых эффектов пользователь может легко объединить физические интерфейсы, описывающие процессы электроосаждения или травления, с интерфейсами модуля «Теплопередача», а для оценки влияния закрутки потока, моделирования турбулентного режима течения или анализа двухфазного потока — с интерфейсами модуля «Вычислительная гидродинамика».

Увеличенное изображение дерева модели и модели катушки индуктивности в графическом окне.

Электроосаждённые слои и их состав

При малой толщине осаждённого слоя металла или при малом изменении толщины анода влияние осаждённого или растворённого слоя на сопротивление электрода можно учесть, не изменяя фактически геометрию модели. Для толщины слоя вводится дополнительная переменная, которая учитывается при расчёте локальной электрической проводимости электрода. Изменение толщины электрода автоматически рассчитывается на основе модели кинетики электродных реакций при заданных стехиометрических коэффициентах, молярной массе и плотности осаждённого или растворённого металла.

Увеличенное изображение дерева модели и модели медной канавки в графическом окне.

Изменяемая геометрия электродов

Модуль «Электроосаждение» содержит специализированные мультифизические интерфейсы для моделирования динамики деформации электрода, обусловленной осаждением или растворением материала в электрохимической ячейке. В таких моделях учитывается изменение геометрии расчётной области, при этом скорость перемещения границ определяется кинетикой электрохимических реакций.

Помимо этого, для моделирования процессов электроосаждения, в результате которых изменяется топология поверхности электродов, представлены интерфейсы Level Set и Phase Field.

Увеличенное изображение окна настройки узла Transport Properties и одномерного графика в графическом окне.

Перенос массы

С помощью модуля «Электроосаждение» можно моделировать перенос массы химических компонентов за счёт диффузии, конвекции и миграции в слабых растворах. Интерфейс Transport of Diluted Species in Porous Media предназначен для расчёта концентрации веществ и моделирования процессов переноса в свободном объёме и пористой среде. Этот интерфейс может использоваться и в тех случаях, когда либо твёрдая пористая матрица, либо заполняющий поры флюид неподвижны.

Интерфейс Nernst-Planck Equations позволяет рассчитать концентрации в электролитах, находящихся в электрическом поле. С его помощью можно моделировать в том числе электрохимические ячейки со значительными градиентами концентрации носителей заряда (ионов). Кроме того, интерфейс Surface Reactions позволяет моделировать диффузию веществ на поверхности.

Увеличенное изображение дерева модели с выбранным узлом Heat Transfer in Solids и одномерным графиком в графическом окне.

Теплопередача

Тепловыделение в электрохимических ячейках может быть обусловлено резистивными потерями при переносе заряда через электролит или твёрдые проводники, активационным перенапряжением в результате электродных реакций и тепловым эффектом химических реакций. Кроме того, дополнительные источники теплоты возникают при изменении энтропии в обратимых электродных реакциях.

Узел мультифизической связи Electrochemical Heating позволяет учесть источники теплоты, обусловленные необратимыми (джоулев нагрев и активационные потери) и обратимыми электрохимическими процессами, описываемыми электрохимическим интерфейсом. Переменные для источников теплоты, рассчитанные в электрохимических интерфейсах, можно также использовать при ручной настройке взаимосвязей между различными компонентами модели.

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.

Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе