Electrodeposition Module

電気めっきプロセスのモデリングとコントロールのために

Electrodeposition Module

陽極と陰極の両方で、完全なButler-Volmerの反応速度論を持つ二次電流分布を想定した装飾用電気めっき この部品の前面および背面上のめっき濃度が表示されています。

電気めっきセルの重要な全ての特性の調査

モデリングとシミュレーションは、電気めっきプロセスを理解して最適化を図って、コントロールするためのコスト効率の高い手法です。標準的なシミュレーションでは電極表面の電流分布を作り出し、めっき層の厚さと成分を表します。シミュレーションは、セル構造、電解質構造、電極反応速度、作動電圧・電流、温度効果など重要なパラメータを詳細に調査するために利用されます。こうしたパラメータに関する情報により、材料損失やエネルギー損失を最小限に抑えながら電気化学セルの作動条件やマスクの配列・設計を最適化し、表面の品質を確保することができます。

多種多様な電気めっきアプリケーションへの適応

電気めっきモジュールは幅広い分野で応用されており、電子機器や電子部品などの金属めっき、防食や摩耗の保護、装飾用めっき、薄く複雑な構造の部品の電鋳法、エッチング、電子加工、電解採取、電気製錬などに活用されています。電気めっきモジュールを利用して共有する全ての現象を検討し、これらを同時にシミュレーションすることができます。さらに具体的に言えば、電流輸送と保存、化学種輸送、電荷平衡、電気化学反応速度を説明する式を連結することができます。いくつかの関連する現象を構成する機能があり電極表面のめっきの質、形、厚さの正確な評価を得ることができます。

ツールおよび物理特性インタフェースは処理プロセスでの物理的特性を定義するために、電気めっきモジュールの中で利用することができます。あらかじめ定義された公式により、一次、二次、三次電流分布効果のモデルを作成することができ、これは処理プロセスにおける表面仕上げや製品品質の優れた指標になる場合が多くあります。

事例紹介

  • 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.
  • 回路基板での電気銅めっき技術の利用における移動境界面の効果
このモデルは時間依存性があり、この結果、不均一な銅めっきのために、トレンチの入口が狭くなることを示しています。 回路基板での電気銅めっき技術の利用における移動境界面の効果 このモデルは時間依存性があり、この結果、不均一な銅めっきのために、トレンチの入口が狭くなることを示しています。
  • 絶縁されたフォトレジストマスクを含む誘導コイル上へのメッキおよびフォトレジスト上の拡散層の形成。    
電解質の中の銅イオンの物質移動は、めっき反応速度に大きく影響します。その結果、めっきパターンの外側部分では、めっき層の堆積速度がより速くなります。 絶縁されたフォトレジストマスクを含む誘導コイル上へのメッキおよびフォトレジスト上の拡散層の形成。     電解質の中の銅イオンの物質移動は、めっき反応速度に大きく影響します。その結果、めっきパターンの外側部分では、めっき層の堆積速度がより速くなります。
  • 回転シリンダーハルセルにおける一次、二次、三次電流分布 回転シリンダーハルセルにおける一次、二次、三次電流分布

シミュレーションはワークフローの一部に

全ての化学プロセスと同様に、用途や目的により、さまざまな規模で電気めっきのプロセスの多くの効果を研究することができます。このことは、マイクロスケールレベルにおいて、関連する反応の電気化学速度や、さまざまな平準化要因の影響、あるいは電気めっきの反応速度の特異な状況などを調査することができることを意味しています。対電極では、電解触媒および電極の微細構造の精選は、損失を最小限にする必要のある電解採取で特に必要となります。このプロセスをシミュレーションし、実験あるいはデータと比較することで、電極表面での電荷移動作用メカニズムを理解することが可能となり、それぞれの反応ごとに交換電流密度や電荷移動係数のような電気化学反応速度パラメータを導き出すことができるでしょう。こうしたメカニズムやパラメータを理解することにより、より大きなスケールで蒸着またはエッチングの変化量や分布をシミュレーションすることができます。同時に、電池や電極の形状、セル電圧あるいは負荷電流、マスキングやシールド、電解質の成分と流動、ガス発生、温度のようなシステムの稼働条件を説明できるようになります。

標準COMSOL Desktop®ユーザーインタフェースは、電気めっきモジュールの基盤ですが、COMSOL製品一式に追加された他の製品すべてにも利用することができます。このことで、電気めっきやエッチング工程を説明する物理特性を、熱効果を研究するための伝熱モジュールまたは二相流の効果を理解するためのCFDモジュールのような他のモジュールと、 組み合わせることが可能になります。さらに、その他の物理的特性、例えば構造完全性のような特性を、電気化学セルをモデル化するために使用される同じファイルをシェアして、モデル化することができます。この統合されたモデルプラットフォームは、さまざまな分野で同じプロセスに取り組んでいるエンジニアと共同研究を行うための完全なツーとなっています。

電着および電気めっきセルをモデル化するための簡易ツール

電気めっきモジュールは、電着や電気めっきセルに関連した多くの特性のために、数々の簡単に使えるツールを用意しています。これらには次のようなものがあります。

電気化学反応速度

反応速度式がモデル変数の任意関数となる電気化学電荷移動反応を定義することができます。これらの事例には化学種の濃縮、電極-電解質インタフェースにおける局所電極や電解質電位、温度などが含まれています。二次、三次電流分布インタフェースではシステム上の電極反応のための交換電流密度、陽極・陰極の電荷移動係数、定比性、均衡電位など電極反応速度パラメータを入力することもできます。あらかじめ定めた式もまたButler-VolmerおよびTafelの式に対応しています。さらに単電極表面にいくつかの競争反応を加えることもできます。例えばめっき電極での水素発生などです。三次電流分布の場合には、電極反応を濃度変数を使って電極反応速度における電気活性種の局所濃度に結合することができます。濃度過電圧の寄与度をNernst式を使って評価することもできます。

流体

薄層多孔質媒体の流れをモデル化するためのインタフェースもまたNavier-Stokes式、Darcy'の法則やBrinkman式を使って、電気めっきモジュールで使用可能となります。CFDモジュールの適切な物理特性インタフェースをシミュレーションと共有結合することによって乱流や二層流を考慮することができます。

電気めっき層

さらに、この電気めっきモジュールは、めっきを施された層が陰極で厚みを増すに従って移動する境界をモデル化することによって電気化学プロセスに形状の変化の取り込みなどをサポートする機能を備えています。後退もしくは成長する表面は、セルの動作に重要な影響を及ぼしますが、電気めっきモジュールは、シミュレーションの一環として、こうした変化を動的に考慮します。加えて、めっきが施された金属層あるいは陽極の厚さの変化が小さい場合では、めっき層の厚さを把握する物理特性インタフェースを選択することもできます。また、このことで、実際の形状を変えることなく、電極における抵抗に影響を及ぼす方法を選択することもできます。それだけでなく、電極の局所電気の伝導率にも影響を及ぼす厚さの変数を取り入れています。電極の厚さの変化は、化学量論的係数、モル質量、および電極反応のために溶着または消費された金属の密度を、それぞれ定義することによって、電極反応速度式から自動的に計算されます。

電解質および電極における電流バランス

電解質の中のイオン輸送および電極の中の電子伝導の説明は、電流および電荷保存とともに、電気めっきモジュールの重要な要素となっています。一次、二次電流分布インタフェースでは、電解質の中のイオン輸送は、拡散の影響を無視すれば、イオンの泳動を通じて起こると想定されています。このことは、電解質の中の混合が濃度勾配をほとんど除去するのに十分であるときに有効となります。二次電流分布の公式は、電極表面の境界層における濃度変化の分析式を使うことによって、電極表面に近くで濃度勾配を持つだけの時にも利用できます。三次電流分布インタフェースでは、電解質の中のイオン輸送が、拡散、対流、移動(Nernst-Planck 式)を使って説明されます。電流密度は、イオン輸送から電流密度までのすべてを加味した寄与率を通じて、このモジュールによって自動的に値が求められます。このように、電流密度はイオンの拡散と泳動によって説明されますが、これは、かなりの濃度変化が電解質の中で現われていることが必要です。この電極の電流平衡は、電極反応速度を通じて、電極表面における電解質の中の電流平衡と完全に連動しています。オームの法則は電極における電流の伝導を説明しています。電気めっきモジュールには、金属薄膜構造を通過して伝導する電流をモデル化するためのインタフェースもあります。例えば、めっき工程の最初の[ストライク]をモデル化するためのインタフェースがこれに該当します。このことで、電極における抵抗損を説明する電解質の電流平衡とともに、非伝導構造上の薄く電気めっきが施された層をモデル化することができるようになります。

物質輸送

電気めっきモジュールは希釈液および濃縮液の中での拡散、対流、移動を通じて化学種の輸送モデルを作成します。このモジュールにはあらかじめ定義されたNernst-Planck式インタフェースが組み込まれていますが、このモジュールによって泳動もまた希釈種および高濃度種、多孔質媒体における化学種輸送インタフェースに加えられます。

伝熱

多孔質媒体の伝熱のための明確な物理特性を持つインタフェースを含む電気めっきモジュールがあれば、対流、伝導、ジュール熱の全てのモデルを実現できます。このモジュールは電気化学プロセスから熱収支まで対応しています。例えば、このモジュールは電極境界における熱源として活性化過電圧による損失を付け加えることができます。

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