Electrodeposition Module

Zur Modellierung und Steuerung von galvanotechnischen Prozessen

Electrodeposition Module

Dekorative Galvanisierung unter Berücksichtigung der Sekundärstromverteilung mit Butler-Volmer-Kinetik für die Anode und Kathode. Dargestellt wird die Schichtdicke an der Vorder- und Rückseite des Bauteils.

Untersuchen Sie alle wichtigen Eigenschaften Ihrer galvanotechnischen Zellen

Mithilfe von Modellen und Simulationen können mit geringem Kostenaufwand aussagekräftige Daten bezüglich Steuerung und Optimierung von galvanotechnischen Prozessen gewonnen werden. Mit einer typischen Simulation kann die Stromverteilung an der Oberfläche der Elektroden sowie die Schichtdicke und Zusammensetzung des abgeschiedenen Metalls bestimmt werden. Mittels Simulationen werden wichtige Parameter wie Zellengeometrie, Elektrolytzusammensetzung, Elektrodenreaktionskinetik, Betriebsspannungen und -ströme sowie Temperatureffekte untersucht. Anhand dieser Parameterdaten können Sie die Betriebsbedingungen von elektrochemischen Zellen und die Auslegung und Positionierung von Masken optimieren und eine hohe Oberflächenqualität gewährleisten. Gleichzeitig können Sie dabei auch die Material- und Energieverluste minimieren.

Relevant für eine Vielzahl verschiedener elektrochemischer Anwendungen

Das Electrodeposition Module ist besonders für folgende Anwendungen geeignet: Metallabscheidung in der Elektronik und elektrischen Bauteilen, Korrosions- und Verschleißschutz, dekorative Galvanik, Galvanoformung von Komponenten in dünnen und komplexen Strukturen, Ätzverfahren, elektrochemisches Abtragen, elektrolytische Metallgewinnung sowie Elektroraffination. Das Modul ermöglicht Ihnen, alle beteiligten physikalischen Prozesse zu berücksichtigen und diese gemeinsam zu simulieren. Das bedeutet, Sie können die Gleichungen verknüpfen, die den Transport und die Erhaltung von Strom, den Transport von chemischen Stoffen, den Ladungsausgleich und die elektrochemische Kinetik beschreiben. Da alle relevanten Phänomene berücksichtigt werden, erhalten Sie genaue Schätzungen hinsichtlich der Qualität, Form und Dicke der auf den Elektrodenoberflächen abgeschiedenen Metallschicht.

Das Electrodeposition Module stellt leistungsfähige Tools und Physikinterfaces zur Verfügung, um die physikalischen Eigenschaften Ihres Systems zu definieren. Vordefinierte Gleichungen ermöglichen Ihnen, die Effekte der Primär-, Sekundär- und Tertiärstromverteilung zu modellieren. Diese Effekte sind in der Regel gute Indikatoren der Oberflächengüte und Produktqualität.

Weitere Bilder

  • Modell der galvanischen Beschichtung einer Leiterplatte (PCB). Die Ergebnisse zeigen die elektrischen Feldlinien und die Dicke der plattierten Kupferschaltungen in der Leiterplatte. Der Application Builder wird verwendet um Apps zu erstellen. Diese können verwendet werden, um die gleichen Eigenschaften ohne umfassende Kenntnisse der Simulation zu simulieren. Modell der galvanischen Beschichtung einer Leiterplatte (PCB). Die Ergebnisse zeigen die elektrischen Feldlinien und die Dicke der plattierten Kupferschaltungen in der Leiterplatte. Der Application Builder wird verwendet um Apps zu erstellen. Diese können verwendet werden, um die gleichen Eigenschaften ohne umfassende Kenntnisse der Simulation zu simulieren.
  • Ein COMSOL App erstellt von einem COSMOL Modell für die galvanische Beschichtung einer Leiterplatte (PCB). Die Ergebnisse zeigen die elektrischen Feldlinien und die Dicke der plattierten Kupferschaltungen in der Leiterplatte.  Die App kann die Dicke und die Gleichmäßigkeit der Kupferschaltkreise in der Leiterplatte (PCB) für verschiedene Parameter wie die Abscheidungsgeschwindigkeit, das Layout und dem Aufbau des Bads untersuchen.  Die App kann auch für die Suche nach der optimalen Beschichtungsrate für eine gegebene Homogenität sowie der Suche nach der optimalen Gestaltung der Apertur (Schutzschild), die zwischen der Anode und der Leiterplatte platziert wird, eingesetzt werden. Ein COMSOL App erstellt von einem COSMOL Modell für die galvanische Beschichtung einer Leiterplatte (PCB). Die Ergebnisse zeigen die elektrischen Feldlinien und die Dicke der plattierten Kupferschaltungen in der Leiterplatte. Die App kann die Dicke und die Gleichmäßigkeit der Kupferschaltkreise in der Leiterplatte (PCB) für verschiedene Parameter wie die Abscheidungsgeschwindigkeit, das Layout und dem Aufbau des Bads untersuchen. Die App kann auch für die Suche nach der optimalen Beschichtungsrate für eine gegebene Homogenität sowie der Suche nach der optimalen Gestaltung der Apertur (Schutzschild), die zwischen der Anode und der Leiterplatte platziert wird, eingesetzt werden.
  • Die Einstellungen von einer aus einem COSMOL Modell erstellten COMSOL App für die galvanische Beschichtung einer Leiterplatte (PCB).  In die App ist die Möglichkeit integriert, eine Reihe von verschiedenen geometrischen Abmessungen von Bad und Blende zu beeinflussen sowie eigene Designs hochzuladen.  Dies ermöglicht Ihnen, die Dicke und die Gleichmäßigkeit der Kupferschaltkreise in der Leiterplatte (PCB) für verschiedene Parameter wie die Abscheidungsgeschwindigkeit, das Layout und dem Aufbau des Bads  zu untersuchen.Die App kann auch für die Suche nach der optimalen Beschichtungsrate für eine gegebene Homogenität sowie der Suche nach der optimalen Gestaltung der Apertur (Schutzschild),  die zwischen der Anode und der Leiterplatte platziert wird, eingesetzt werden. Die Einstellungen von einer aus einem COSMOL Modell erstellten COMSOL App für die galvanische Beschichtung einer Leiterplatte (PCB). In die App ist die Möglichkeit integriert, eine Reihe von verschiedenen geometrischen Abmessungen von Bad und Blende zu beeinflussen sowie eigene Designs hochzuladen. Dies ermöglicht Ihnen, die Dicke und die Gleichmäßigkeit der Kupferschaltkreise in der Leiterplatte (PCB) für verschiedene Parameter wie die Abscheidungsgeschwindigkeit, das Layout und dem Aufbau des Bads zu untersuchen.Die App kann auch für die Suche nach der optimalen Beschichtungsrate für eine gegebene Homogenität sowie der Suche nach der optimalen Gestaltung der Apertur (Schutzschild), die zwischen der Anode und der Leiterplatte platziert wird, eingesetzt werden.
  • Auswirkungen eines sich bewegenden Rands bei der elektrolytischen Kupferabscheidung auf Leiterplatten. Das Modell ist zeitabhängig und die Ergebnisse zeigen deutlich, dass sich die Öffnung der Rinne aufgrund der ungleichmäßigen Kupferabscheidung verengt. Auswirkungen eines sich bewegenden Rands bei der elektrolytischen Kupferabscheidung auf Leiterplatten. Das Modell ist zeitabhängig und die Ergebnisse zeigen deutlich, dass sich die Öffnung der Rinne aufgrund der ungleichmäßigen Kupferabscheidung verengt.
  • Galvanisierung einer Induktionsspule unter Verwendung einer isolierenden Fotolackmaske und einer Diffusionsschicht oben auf dem Fotolack. Der Massentransport von Kupfer-Ionen im Elektrolyten hat eine starke Auswirkung auf die Abscheidungskinetik  und führt zu höheren Ablagerungsraten in den äußeren Bereichen des Abscheidungsmusters. Galvanisierung einer Induktionsspule unter Verwendung einer isolierenden Fotolackmaske und einer Diffusionsschicht oben auf dem Fotolack. Der Massentransport von Kupfer-Ionen im Elektrolyten hat eine starke Auswirkung auf die Abscheidungskinetik und führt zu höheren Ablagerungsraten in den äußeren Bereichen des Abscheidungsmusters.
  • Primär-, Sekundär- und Tertiärstromverteilung in einer rotierenden zylindrischen Hull-Zelle. Primär-, Sekundär- und Tertiärstromverteilung in einer rotierenden zylindrischen Hull-Zelle.

Erweitern Sie Ihre Arbeitsprozesse durch Simulationen

Wie bei allen chemischen Prozessen können Sie, abhängig von Ihrer Fragestellung, die unterschiedlichsten Effekte Ihrer galvanischen Prozesse untersuchen. Auf der Mikroebene kann dies die Untersuchung elektrochemischer Kinetik der beteiligter Reaktionen sein und der Einfluss von glatten oder rauhen Oberflächen auf die Kinetik des Abscheidungsprozesses. Bei Gegenelektroden wird eine sorgfältige Auswahl des Elektrokatalysators sowie der Mikrostruktur der Elektroden benötigt. Dies ist insbesondere bei der elektrolytischen Metallgewinnung wichtig, bei der es auf möglichst geringe Verluste ankommt. Durch die Simulation dieser Prozesse und den Vergleich der Ergebnisse mit experimentell gewonnenen Daten oder anderen Prozessdaten erhalten Sie ein tiefes Verständnis über die Ladungsübertragungs-Reaktionsmechanismen an den Elektrodenoberflächen. Weiterhin können Sie die elektrochemischen kinetischen Parameter ableiten, wie zum Beispiel die Austauschstromdichten und die Ladungsübertragungskoeffizienten für die einzelnen Reaktionen in großem Maßstab ermitteln. Gleichzeitig können Sie dabei die Betriebsbedingungen des Systems berücksichtigen. Dazu gehören Zellen- und Elektrodengeometrie, Zellenspannung oder eingespeister Strom, Abdeckmaske und Abschirmung, Elektrolytzusammensetzung und -strömung, Gasentwicklung sowie Temperatur.

Die einheitliche COMSOL Desktop®-Benutzeroberfläche bildet die Basis für das Electrodeposition Module sowie für alle anderen Zusatz-Produkte der COMSOL-Produktreihe. Dies ermöglicht Ihnen, die physikalischen Größen, die den Galvanisierungs- oder Ätzprozess beschreiben, mit anderen Modulen zu koppeln. Beispielsweise kann durch Kopplung mit dem Heat Transfer Module thermische Effekte oder mit dem CFD Module Zweiphasen-Strömungen untersucht werden. Darüber hinaus können andere physikalische Eigenschaften, wie zum Beispiel die strukturelle Integrität, bestimmt werden, und zwar ohne ein neues Modell erstellen zu müssen. Sie können einfach Ihr Modell erweitern, mit denen Sie die elektrochemische Zelle simuliert haben. Diese vereinheitlichte Modellierungsplattform ist das perfekte Werkzeug für die Zusammenarbeit von mehreren Ingenieuren, die auf verschiedenen Arbeitsfeldern am selben Prozess arbeiten.

Bedienungsfreundliche Tools zur Modellierung von Galvanisierungs- und Elektroplattierungszellen

Das Electrodeposition Module verfügt über mehrere bedienungsfreundliche Tools zur Ermittlung und Beschreibung der physikalischen Eigenschaften von Galvanisierungs- und Elektroplattierungszellen. Hierzu zählen:

Elektrochemische Reaktionskinetik

Sie können elektrochemische Ladungsübertragungsreaktionen definieren, wobei die kinetischen Ausdrücke aus beliebigen Funktionen der zu modellierenden Variablen bestehen können. Solche Funktionen können zum Beispiel die Konzentration von chemischen Stoffen, das lokale Elektroden- und Elektrolytpotenzial an der Elektroden-Elektrolyt-Kontaktfläche sowie die Temperatur enthalten. Weiterhin können Sie in den Interfaces für die Sekundär- und Tertiärstromverteilung Parameter zur Elektrodenkinetik angeben wie zum Beispiel die Austauschstromdichte, Anoden- und Kathoden-Ladungsübertragungskoeffizient, Stöchiometrie und das Gleichgewichtspotenzial für die Elektrodenreaktionen Ihres Systems. Für Butler-Volmer- und Tafel-Ausdrücke stehen ebenfalls vordefinierte Ausdrücke zur Verfügung. Darüber hinaus können Sie für eine einzelne Elektrodenoberfläche mehrere konkurrierende Reaktionen definieren. Zum Beispiel kann der Abscheidungselektrode die Wasserstoffentstehung hinzugefügt werden Bei der Tertiärstromverteilung können Sie die Elektrodenreaktionen mit der lokalen Konzentration elektroaktiver Stoffe in den Elektrodenkinetikausdrücken koppeln. Hierzu verwenden Sie die Variablen für die Konzentration. Zusätzlich kann die Konzentrationsüberspannung mit den Nernst-Gleichungen geschätzt werden.

Fluide Strömung

Das Electrodeposition Module ermöglicht die Modellierung der Strömung in laminaren und porösen Medien. Diese Effekte werden mit den Navier-Stokes-Gleichungen, Darcy-Gesetz und Brinkman-Gleichungen beschrieben. Sie können turbulente und Zweiphasen-Strömungen berücksichtigen, indem Sie die entsprechenden Physik-Interfaces des CFD Module mit Ihren Simulationen koppeln.

Elektrolytische Beschichtungen

Ferner können mit dem Electrodeposition Module geometrische Änderungen berücksichtigt werden, die durch den elektrochemischen Abscheidungsprozess entstehen. Das Heranwachsen der Ablagerungsschichtdicke an der Kathode wird hierbei mit bewegten Rändern modelliert. Die Verringerung oder Zunahme von Schichtdicken kann sich erheblich auf den Betrieb einer Zelle auswirken. Das Electrodeposition Module bezieht diese Änderungen dynamisch in die Simulationen mit ein. In Fällen, bei denen die Dickenänderungen der abgeschiedenen Metallschicht oder der Anode gering sind, können Sie die Dicke des Metallüberzugs und deren Auswirkung auf die ohmschen Effekte in der Elektrode verfolgen, ohne dabei die Geometrie ändern zu müssen. Stattdessen wird eine Variable für die Dicke eingeführt, die ebenfalls Einfluss auf die lokale Leitfähigkeit der Elektrode hat. Die Dickenänderungen können automatisch mithilfe der Gleichungen der Elektrodenkinetik berechnet werden, indem für die Elektrodenreaktion die Größen Stöchiometriekoeffizienten, Molmasse und Dichte des abgeschiedenen oder verbliebenen Metalls definiert werden.

Stromausgleich im Elektrolyten und in Elektroden

Die Beschreibung des Ionentransports im Elektrolyten sowie der Elektronenleitung in den Elektroden bilden unter Berücksichtigung der Strom- und Ladungserhaltung die Grundlage für Simulationen mit dem Electrodeposition Module. In den Interfaces für die Primär- und Sekundärstromverteilung wird angenommen, dass der Ionentransport innerhalb des Elektrolyts hauptsächlich durch Ionenwanderung erfolgt und Einflüsse durch Diffusion vernachlässigt werden können. Diese Annahme ist sinnvoll, wenn der Elektrolyt so gut vermischt ist, dass nahezu kein Konzentrationsgefälle existiert. Die Gleichungen für die Sekundärstromverteilung können auch angewendet werden, wenn Konzentrationsgradienten nur in der Nähe der Elektrodenoberfläche existieren. In diesem Fall müssen analytische Ausdrücke für die Konzentrationsänderungen an der Grenzschicht der Elektrodenoberfläche angeben werden. Innerhalb des Interfaces für die Tertiärstromverteilung wird der Ionentransport im Elektrolyten durch Diffusion, Konvektion und Migration (Nernst-Planck-Gleichung) beschrieben. Die resultierende Gesamtstromdichte wird unter Berücksichtigung aller Ionentransportvorgänge durch das Modul automatisch berechnet. Wenn der Elektrolyt erhebliche Konzentrationsschwankungen aufweist, muss die Diffusion und Wanderung von Ionen bei der Ermittlung der Stromdichte berücksichtigt werden. Der Stromausgleich in den Elektroden ist durch die Elektrodenreaktionskinetik voll mit dem Stromausgleich im Elektrolyten an den Elektrodenoberflächen gekoppelt. Das ohmsche Gesetz beschreibt den Stromfluss in den Elektroden. Das Electrodeposition Module beinhaltet weiterhin ein Interface zur Modellierung von Ladungstransport in dünnen Metallstrukturen oder Schalen. Mit diesem Interface kann beispielsweise die im ersten Galvanisierungsschritt erzeugte dünne Vorbeschichtung modelliert werden. Sie können somit dünne Schichten aus abgeschiedenem Metall auf nichtleitenden Strukturen modellieren, mit Berücksichtigung des Stromausgleichs im Elektrolyten und der ohmschen Verluste in den Elektroden.

Stofftransport

Das Electrodeposition Module ermöglicht die Modellierung von Diffusion, Konvektion und Migration von chemischen Stoffen in verdünnten und konzentrierten Lösungen. Das Modul beinhaltet ein vordefiniertes Nernst-Planck-Interface. Weiterhin können im Modul Migrationseffekte sowohl beim Transport von verdünnten und konzentrierten Spezies als auch in porösen Medien untersucht werden.

Wärmeübertragung

Wenn Ihnen das Electrodeposition Module zur Verfügung steht, können Sie Konvektion, Wärmeleitung und Joulesche Erwärmung modellieren. Das Modul bietet auch ein spezielles Physikinterface für die Wärmeübertragung in porösen Medien. In der Wärmebilanz werden die von den einzelnen elektrochemischen Prozessen abgegebenen Wärmemengen berücksichtig. Beispielsweise werden Verluste aufgrund einer Aktivierungs-Überspannung als Wärmequellen an den Elektrodengrenzflächen mit modelliert.

Electrochemical Impedance Spectroscopy

Decorative Plating

Copper Deposition in a Trench

Cyclic Voltammetry at a Macroelectrode in 1D

Secondary Current Distribution in a Zinc Electrowinning Cell

Electrodeposition of a Microconnector Bump in 2D

Rotating Cylinder Hull Cell