Electrodeposition Module

Modellieren und steuern Sie galvanische Prozesse

Das Electrodeposition Module, ein Add-On zu COMSOL Multiphysics®, ermöglicht es Ingenieuren und Wissenschaftlern, galvanotechnische Prozesse mit Hilfe von Simulationen zu verstehen, zu optimieren und zu steuern. Dies ist ein kosteneffizienter Ansatz, um den Einfluss verschiedener Parameter wie Elektrolytzusammensetzung, Zellgeometrie, Elektrodenreaktionskinetik, Betriebsspannungen und -ströme sowie Temperatur zu untersuchen.

Im Electrodeposition Module liefert eine typische Simulation die Stromverteilung an der Elektrodenoberfläche sowie die Dicke und Zusammensetzung der abgeschiedenen Schicht. Sie können verschiedene Anwendungen modellieren, z. B. die Herstellung von elektrischen und thermischen Leitern und die Galvanoformung von Komponenten mit dünnen, komplexen Strukturen. Sie können das Electrodeposition Module auch mit anderen Modulen der COMSOL Produktpalette kombinieren, um seine multiphysikalischen Fähigkeiten zu erweitern und z. B. turbulente und zweiphasige Strömungen zu simulieren.

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Ein Modell eines resistiven Wafers in der Prism-Farbtabelle.

Was Sie mit dem Electrodeposition Module modellieren können

Das Electrodeposition Module eignet sich für ein breites Spektrum von Anwendungen.

Eine Nahansicht eines Autotür-Modells in der Prism-Farbtabelle.

Elektrotauchlackierung

Untersuchen Sie die Abscheidung einer hochresistiven Beschichtung, die zu einer dynamischen Veränderung der Stromverteilung auf den beschichteten Flächen führt.

Eine Nahansicht einer Anordnung von Komponenten, die die Dicke der Kathode zeigt.

Elektroplattieren

Analysieren Sie die Gleichmäßigkeit der Beschichtung auf mehreren Komponenten.

Eine Nahansicht des Modells einer elektrochemischen Zelle, die das Geschwindigkeitsprofil zeigt.

Elektrogewinnung1

Modellieren Sie die Gewinnung von Kupfer aus einer Elektrolytlösung und untersuchen Sie die Abscheidungsrate an der Kathodenoberfläche.

Eine Nahansicht eines Microbore-Modells, das die Stromdichte zeigt.

Elektrochemisches Abtragen

Untersuchen Sie den Prozess des elektrochemischen Abtragens und wie sich die veränderte Geometrie auf den Fortschritt des Materialabtrags auswirkt.

Ein 1D-Plot mit elf Linien.

Pulse Reverse Plating

Reduzieren Sie Unebenheiten während der Metallabscheidung durch Reverse-Pulse-Auflösung.

Eine Nahansicht des Modells einer Leiterplatte, die das elektrische Feld zeigt.

Leiterplatten2

Simulieren Sie die galvanische Beschichtung für die Herstellung von Leiterplatten.

Eine Nahansicht von Aluminium-Anodenkomponenten, die die Dicke der aufgetragenen Schicht zeigt.

Aluminum-Anodisierung

Erzielen Sie eine gleichmäßige schützende oder dekorative Beschichtung auf Metallen und Kunststoffen, indem Sie den Prozess der Anodisierung simulieren und die Elektrodenabdeckung optimieren.

Eine Nahansicht einer deformierten Geometrie, die die Konzentration zeigt.

Adsorbierende-desorbierende Spezies

Modellieren Sie die Adsorptions-Desorptions-Kinetik in engen Vias und Trenches.

  1. Erfordert das CFD Module
  2. Erfordert das ECAD Import Module

Features und Funktionen des Electrodeposition Module

Entdecken Sie die Funktionen zur Modellierung verschiedener Phänomene in galvanischen Zellen.

Eine Nahansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Secondary Current Distribution und einem Modell einer dekorativen Beschichtung im Grafikfenster.

Primäre, sekundäre und tertiäre Stromdichteverteilung

COMSOL Multiphysics® und das Electrodeposition Module bieten dem Anwender fertige, benutzerfreundliche Interfaces für die Modellierung von galvanischen Prozessen. Die grundlegende Funktionalität wird durch die Interfaces Primary Current Distribution, Secondary Current Distribution und Tertiary Current Distribution abgedeckt. Diese ermöglichen es, die Stromverteilung sowie die Oberflächenkinetik mit Polarisationskurven zu modellieren und Stofftransporteffekte und Gleichgewichtsreaktionen in die Modelle aufzunehmen.

Durch die Wahl eines dieser Interfaces kann der Benutzer den Grad der Genauigkeit wählen, der für eine hinreichend genaue Beschreibung des betreffenden Systems erforderlich ist. Dabei spielt es keine Rolle, ob das Modell nur Ohmsche Effekte enthalten soll oder ob es komplexer ist und zum Beispiel Stofftransport und Gleichgewichtsreaktionen für mehrere Spezies berücksichtigt. Mit COMSOL Multiphysics® können Sie nahtlos so viele Spezies und Reaktionen hinzufügen, wie sie für ein bestimmtes physikalisches System erforderlich sind.

Eine Nahaufnahme der Einstellungen für den Knoten Electrode, Shell und ein Modell des Fountain-Flow-Effekts im Grafikfenster.

Stromleitung in Schalenelektroden

Das Electrodeposition Module enthält das Interface Electrode, Shell zur Modellierung der Leitung von elektrischem Strom in tangentialer Richtung an einem Rand. Das Interface eignet sich für die Modellierung dünner Elektroden, bei denen die Potentialschwankung senkrecht zur Elektrodenoberfläche vernachlässigbar ist. In diesem Fall wird das Gebiet der dünnen Elektroden durch eine Formulierung einer partiellen Differentialgleichung am Rand ersetzt. Dadurch können die Größe des Problems reduziert und potentielle Netzanisotropieprobleme in der dünnen Schicht vermieden werden.

Eine Nahansicht der Einstellungen für Electrode Reaction und ein 1D-Plot im Grafikfenster.

Elektrochemische Reaktionskinetik

Das Electrodeposition Module ermöglicht die Modellierung von elektrochemischen Ladungstransferreaktionen, bei denen die Kinetikausdrücke beliebige Funktionen der modellierten Variablen sein können. Dazu gehören beispielsweise die Konzentration der chemischen Spezies, das lokale Elektroden- und Elektrolytpotential an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche und die Temperatur.

In den Interfaces Secondary Current Distribution und Tertiary Current Distribution können Sie Parameter für die Elektrodenkinetik angeben, wie zum Beispiel die Austauschstromdichte, die anodischen und kathodischen Ladungstransferkoeffizienten, Stöchiometrie und das Gleichgewichtspotential für die Elektrodenreaktionen in Ihrem System. Sie können auch konkurrierende Reaktionen auf einer einzelnen Elektrodenoberfläche hinzufügen, wie die Wasserstoffentwicklung an der Plattierungselektrode. Darüber hinaus steht Ihnen unter dem Zweig Chemical Species Transport das Interface Chemistry zur Verfügung, um verschiedene homogene und heterogene Reaktionen zu definieren.

Eine Nahansicht der Einstellungen Bubbly Flow, Laminar Flow und ein Elektrogewinnungsmodell im Grafikfenster.

Erweiterte Multiphysik-Analysen

Das Electrodeposition Module kann mit anderen Add-On-Produkten aus der COMSOL-Produktpalette kombiniert werden. Dies ermöglicht es dem Anwender, die Physik, die einen galvanischen Abscheidungs- oder Ätzprozess beschreibt, mit anderen Modulen zu koppeln, zum Beispiel mit dem Heat Transfer Module, um thermische Effekte zu untersuchen, oder mit dem CFD Module, um die Auswirkungen von turbulenter, Drall- oder Zweiphasenströmung zu verstehen.

Eine Nahansicht des Model Builders und ein Induktionsspulenmodell im Grafikfenster.

Abgeschiedene Schichten und Zusammensetzung

Wenn die abgeschiedenen Metallschichten oder die Anodendicke nur geringfügig variieren, ist das Modul in der Lage, die Dicke der abgeschiedenen Schicht und deren Einfluss auf die Ohmschen Effekte in der Elektrode zu verfolgen, ohne dabei die Geometrie zu verändern. Dazu wird eine Variable für die Dicke eingeführt, die auch die lokale elektrische Leitfähigkeit der Elektrode beeinflusst. Die Änderungen der Dicke der Elektrode können automatisch aus den kinetischen Ausdrücken der Elektrode berechnet werden, indem die molare Masse, die Stöchiometriekoeffizienten und die Dichte des abgeschiedenen oder verbrauchten Metalls für die Elektrodenreaktionen definiert werden.

Eine Nahansicht des Model Builders und ein Kupfer-Trench-Modell im Grafikfenster.

Deformierte Geometrie für sich verändernde Elektrodenoberflächen

Das Electrodeposition Module enthält vordefinierte Multiphysik-Interfaces für die zeitabhängige Modellierung von Verformungen, die durch Ablagerungs- oder Auflösungsprozesse in elektrochemischen Zellen entstehen. Eine solche Modellierung beinhaltet die Verwendung einer deformierten Geometrie, bei der die Randgeschwindigkeiten durch die elektrochemischen Reaktionen gegeben sind.

Zusätzlich dazu stehen die Interfaces Level Set und Phase Field für die Modellierung galvanischer Prozesse zur Verfügung, bei denen sich die Topologie der Elektrodenoberfläche infolge der Abscheidung verändert.

Eine Nahansicht der Einstellungen für Transport Properties und ein 1D-Plot im Grafikfenster.

Materialtransport

Das Electrodeposition Module kann zur Modellierung des Transports von chemischen Spezies durch Diffusion, Konvektion und Migration in verdünnten Lösungen verwendet werden. Das Interface Transport of Diluted Species in Porous Media dient zur Berechnung der Spezieskonzentration sowie des Transports in freien und porösen Medien. Es kann in Fällen verwendet werden, in denen entweder das Festphasensubstrat ausschließlich unbeweglich ist oder in denen ein gasgefülltes Medium ebenfalls als unbeweglich angenommen wird.

Für die Berechnung von Konzentrationen in Elektrolyten, die elektrischen Feldern ausgesetzt sind, ist das Interface Nernst-Planck Equations verfügbar. Auch allgemeine elektrochemische Zellen mit erheblichen Konzentrationsgradienten der stromführenden Spezies (Ionen) können damit modelliert werden. Darüber hinaus kann das Interface Surface Reactions zur Modellierung des Fickschen Transports von Oberflächenspezies verwendet werden.

Eine Nahansicht des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Heat Transfer in Solids und einem 1D-Plot im Grafikfenster.

Wärmetransport

In elektrochemischen Zellen können irreversible Spannungsverluste aufgrund des Ladungstransports im Elektrolyten oder in den festen Leitermaterialien, Aktivierungsüberspannungen bei den Elektrodenreaktionen und Mischungswärme auftreten. Zudem können aufgrund von Entropieänderungen in den Elektrodenreaktionen reversible Wärmequellen und -senken entstehen.

Die Multiphysik-Kopplung Electrochemical Heating steht Ihnen zur Verfügung, um Wärmequellen zu definieren, die auf der Summe von irreversiblen (Joulesche Ewärmung und Aktivierungsverluste) und reversiblen Wärmeeffekten in einem elektrochemischen Interface basieren. Sie können die von den elektrochemischen Interfaces definierten Wärmequellenvariablen auch verwenden, wenn Sie manuelle Kopplungen zwischen verschiedenen Komponenten in einem Modell einrichten.

Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.

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