在电路板上建模铜电沉积

如果要拆开几乎所有现代电子产品，您会发现印刷电路板（PCB）。仔细观察这种常见的成分，揭示了其表面上的铜线模式。可以使用称为电沉积的过程创建这些导电线，该过程通过电化学反应修饰设备表面。为了增强电路板制造的电沉积技术，工程师可以使用数值建模。

使用电沉积来制造PCB

简而言之，电沉积是用于用另一种材料覆盖底物的电化学过程。这种多功能过程均用于装饰和功能目的，并在各种不同的领域（例如电子，采矿和纳米技术）中找到。电沉积的一种形式是电镀，用于制造电路板。

通常，PCB由一个或多层铜制成，这些铜层沉积在非导导基板上或之间。将铜层分成导电线或轨迹，使信号通过PCB。为了形成这些图案线，工程师可以将铜电镀成电路板上的微腔。

PCB的一个示例。图片由AB打开。获得许可CC由2.0， 通过Flickr Creative Commons。

使用电镀制造PCB包括挑战。例如，PCB表面上铜板的变化可能会导致性能问题甚至设备故障。为了识别和防止电镀过程中的问题，工程师可以使用comsolMultiphysics®软件和附加电沉积模块。

分析电路板沟中的铜电沉积

此处讨论的示例模拟了具有小沟槽或微腔的电路板上的铜电沉积。电静脉控制下的实验室细胞用作电镀电池，阳极位于阴极附近。当沉积发生时，阴极和阳极边界移动，使模拟本质上取决于时间。另外，在阴极的表面上，铜沉积速率是不均匀的。

该模型是用于电沉积的基准模型，并突出了Comsol®软件解决涉及变形几何形状的电化学问题的能力。在这里，变形的几何形状用于分析镀层过程以及腔体如何影响镀层结果。变形几何形状的使用使工程师能够在电镀过程中研究阴极边界的生长。

铜沉积模型的几何形状。垂直墙代表主电极上的图案，并且正在绝缘。

为了解决这个问题，工程师可以使用内置啤酒法，可以根据基础物理学预测对象的变形或位移。使用ALE方法使工程师能够在高度准确的电沉积模型中正确研究沉积的形状。

如果您想了解有关模型设置的更多信息，包括E. Mattsson和J.O’M的作品。它是基于的Bockris，请查看在这里模型文档。

铜电沉积模拟结果

5秒后，检查了铜沉积过程。目前，整个细胞中的铜离子浓度有很大的变化。最终，这些变化可能会在单元格内引起自由对流，但这在此基准测试中没有考虑到。我们可以看到，沟渠的口开始狭窄，这是由铜沉积的不均匀厚度引起的。

铜离子浓度，等电势线，电流密度流线以及阴极和阳极位移。该模型沿着位于单元中间的垂直线显示对称性。这很好，因为非对称结果表明网格分辨率差。

下面的结果表明，随着时间的流逝，沟槽的顶部继续缩小。这可能会损害沉积质量，因为被困的电解质会导致电路板组件的腐蚀。

图像（顶部）和动画（底部）显示铜沉积随着时间的流逝。顶部图像还突出显示用于解决此示例的移动网格。

下一个图检查沿垂直阴极表面的沉积厚度。该图提供了另一种方法，可以看出不均匀的沉积正在发展。发生这种情况是由于电流密度分布不​​均匀的，这种分布会因沿腔深度的铜离子耗尽而加剧。

沿垂直阴极边界的沉积厚度。该图中的每条线表示在0.4秒至4.4秒的范围内的0.4秒。

如果需要的话，工程师可以通过交换级别设置方法的啤酒方法来延长此分析中研究的时间，如图所示这个示例。这样做可以分析沉积后形成腔体，因为水平集方法可以研究拓扑变化。该扩展分析表明，不均匀的沉积会导致形成潜在的有害腔或空隙。与先前使用啤酒的结果一致，它还显示出铜离子浓度的显着变化。

电解质电势（左）和铜离子浓度（右）用于水平设置的变量轮廓，沉积20秒后值为0.5。

总体而言，这些结果表明当前的设计可能会损害沉积质量，并导致腐蚀和物质废物。通过数值建模来指出这些潜在问题后，工程师可以增强其设计……

通过模拟改善铜电沉积过程

使用如上所述的模型，工程师可以准确分析电沉积过程并测试不同的工作参数，应用电位和沉积表面几何形状。通过这种方式，他们可以找到最佳的电沉积参数并提高沉积均匀性，从而使它们能够更有效地生成高质量的产品。乐动体育app无法登录

此博客文章中的模型可以用作实现这些目标的起点。工程师可以通过计算其他离子的影响并测试更复杂的几何形状来定制这一简单的示例。要自己尝试，请单击下面的按钮。这样做将带您到应用程序库，您可以在其中下载相关的MPH文件和教程文档。