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electroplating, which is used to manufacture circuit boards.

通常，PCBare made of one or more layers of copper that are deposited onto or between a nonconductive substrate. The copper layers are separated into conducting lines or traces that enable signals to pass through the PCB. To form these patterned lines, engineers can electroplate copper into microcavities located on circuit boards.

An example of a PCB. Image by AB Open. Licensed underCC由2.0, viaFlickr 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。

Analyzing Copper Electrodeposition in a Circuit Board Trench

The example discussed here models copper electrodeposition on a circuit board with a small trench or microcavity. A laboratory cell under potentiostatic control serves as the plating cell, and the anode is located close to the cathode. When deposition occurs, the cathode and anode boundaries move, making the simulation inherently time dependent. In addition, the copper deposition rate is nonuniform across the surface of the cathode.

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, which predicts the deformation or displacement of an object based on the underlying physics. Using the ALE method enables engineers to properly study the shape of the deposition in highly accurate electrodeposition models.

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。

Copper Electrodeposition Simulation Results

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。

Copper ion concentrations, isopotential lines, current density streamlines, as well as cathode and anode displacement. The model shows symmetry along a vertical line located in the middle of the cell. This is good, since a nonsymmetric result indicates a poor mesh resolution.

The results below show that the top of the trench continues to narrow as time passes. This could harm the deposition quality, as trapped electrolytes can lead to corrosion in circuit board components.

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。

Deposition thickness along the vertical cathode boundaries. Each line in this plot represents an increment of 0.4 seconds in the range of 0.4 seconds–4.4 seconds.

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this example。这样做可以分析沉积afterthe cavity is formed, since the level set method enables the study of topological changes. This extended analysis shows that the nonuniform deposition causes the formation of a potentially harmful cavity or void. In line with the previous results using ALE, it also shows substantial variations in the concentration of copper ions.

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……

Improving the Copper Electrodeposition Process with Simulation

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。