劉太權

(華南理工大學,廣東 廣州 510640）

電鍍層均勻性的數(shù)值模擬及驗證

劉太權

(華南理工大學,廣東 廣州 510640）

采用數(shù)值模擬的方法,對電鍍中電流密度的變化進行模擬,預測了鍍層厚度變化的趨勢,解釋了這些變化產生的原因。并通過實驗研究取樣及在掃描電鏡下對微觀組織的觀察,對模擬結果進行了進一步的驗證。

電鍍;數(shù)值模擬;電流密度;實驗分析

0 前言

電鍍技術由于其特殊優(yōu)點被廣泛應用于汽車、航空、電子等諸多行業(yè)[1]。微機電系統(tǒng)(MEMS）的發(fā)展給傳統(tǒng)電鍍技術帶來了新的活力,促進了整個電鍍行業(yè)的發(fā)展[2-3]。然而,電鍍技術在MEMS領域中也遇到了一些新的難題,如:鍍層內應力控制問題、掩膜電沉積厚度均勻性問題、疊層結構層間結合力問題、高深寬比孔洞填充問題[4-5]等,限制了電鍍技術的應用,因此,這些技術問題亟需解決。

本研究以電化學鍍層為研究對象,采用數(shù)值模擬的方法,分析了電鍍過程中陰、陽兩極板間電場的大小及分布的均勻性,預測了鍍層厚度的變化。并通過對實際電鍍樣品取樣及微觀組織觀察,對模擬結果進行了驗證。

1 數(shù)學原理

當電流通過電解液時,陰極表面沉積的鍍層的體積,按照Faraday定律計算:

式中:Q為沉積體積,mm3;A為沉積元素的相對原子量;η為沉積元素的原子價;ρ為沉積元素的密度,g/mm3;J為電流密度,A/m2;t為時間,s。

當陽極和陰極工作表面距離為 y,陰、陽極板間電壓為V,電流密度可以由下式給出:

式中:k為電阻率,V·mm-1。

根據(jù)(1）式和(2）式,綜合可得下式:

式中:D為鍍層厚度,mm。

理論上,由于極板間距離相比鍍層厚度較大,電鍍過程中各位置的電流密度將保持不變。然而,實際生產中,由于電流密度在工作表面上并不相同,且在工作表面上分布復雜,因此,建立與實際情況相似的幾何模型,并通過數(shù)值模擬的方法來研究此種變化就顯得尤為重要[6]。

2 模擬結果與分析

2.1 幾何模型的建立與計算參數(shù)設置

由于3D模型相比2D模型更接近實際生產情況,因此,在Ansys中采用3D模型來進行模擬計算。圖1所示為電解槽中陰、陽兩極板及絕緣擋板的三維模型。實驗分4組模型,A組:無擋板,陰、陽兩極板間距離為30 mm;B組:有擋板,陰、陽兩極板距離為30 mm;C組:無擋板,陰、陽兩極板距離為60 mm;D組:有擋板,陰、陽兩極板距離為60 mm。

模擬中絕緣擋板處于陰、陽兩極板的中間,且到兩極板的距離相等,各組中陰、陽兩極板、絕緣擋板以及擋板上的方孔大小均相等。其中,絕緣板上的方孔小于陰、陽兩極板。擋板的主要作用是解決鍍層厚度不均勻的問題,通過擋板上的方孔對溶液中電力線的收束作用,使得陰極表面的電場分布趨于均勻。陽極板為鉑材料,陰極板為銅材料,擋板和襯底均為電阻率無窮大的絕緣材料。

將圖1的三維圖形在pro/e中生成STL格式,導入ansys模擬軟件,進行參數(shù)設置及網(wǎng)格剖分。模擬中單元類型采用SOLID 231,材料電阻率參數(shù),如表1所示。

圖1 模擬三維造型圖

表1 材料電阻率參數(shù)

定義好材料屬性后,對模型進行網(wǎng)格剖分。由于實驗中起主要作用的為擋板和極板,因此,為了獲取更好的觀察結果及提高計算效率,擋板和極板要進行網(wǎng)格細劃分處理,其余部分網(wǎng)格尺寸相對較大,剖分結果,如圖2所示。電鍍中陽極板所加載的電壓為6 V,陰極板的電壓為0 V。同時在電鍍液表面定義邊界條件,即:外部電壓全部為0 V,開始進行模擬計算。

圖2 網(wǎng)格剖分結果

2.2 模擬結果分析及討論

由公式(3）可知:電鍍層厚度和電流密度成正比,因此,在陰極板上取一條水平路徑,通過這個路徑上電流密度的變化來定性評價電鍍層厚度分布的基本規(guī)律。圖3為各組模型中電流密度的數(shù)值模擬變化結果。

圖3 各組模型中電流密度的數(shù)值模擬變化結果

由圖3可知:不加擋板時(A組、C組）,陰極板工作表面中間位置的鍍層厚度明顯低于邊緣位置。這是由于電場線通過 x,y,z3個方向傳遞,在陰極板工作表面的邊緣聚集較多,而在中間部位聚集則相對較少,從而使陰極板工作表面鍍層的邊緣厚度大于中間部位的厚度。加擋板時(B組、D組）,鍍層厚度趨向均勻。這是因為絕緣擋板上方孔對電場線的收束作用,使得陰極表面的電場線分布均勻。但B組中,由于擋板離陰極板距離很近,鍍層厚度在中間位置有所增加。此外,A組和B組的鍍層厚度要顯著高于C組和D組的。由公式(2）可知:在陰、陽極板間電壓不變的情況下,隨著擋板離陰極板距離的增加,電流密度減小,從而使得電鍍層厚度呈減小趨勢。

3 實驗分析

3.1 電鍍層厚度分析

為了驗證模擬的有效性,對A,B,C和D 4組模型分別進行了電鍍實驗。實驗中的材料及工藝參數(shù)為:陽極材料 鉑片,陰極材料 銅片,電流密度0.64～5.76 A/dm2,占空比 40%,脈沖頻率 500 Hz,5 min,25°C;電沉積采用赫爾槽實驗,溶液組成為:硫酸亞錫、硫酸鉍、硫酸、配位劑,電鍍電源采用脈沖電源。

電鍍完成后,樣品經(jīng)水洗烘干后,采用德國產durlscope mpor測厚儀測量試片各點厚度。圖4為各組實際樣品的厚度變化曲線。由圖4可以看出:無擋板時,由于邊緣效應,陰極板邊緣電鍍層厚度大于中間厚度,A組和C組均呈現(xiàn)很明顯的中間凹下,周圍凸起的趨勢。加擋板時,B組和D組電鍍層厚度波動范圍均變小。對于B組的情況,由于擋板孔徑較小,離陰極板的距離又很近,鍍層的中間位置出現(xiàn)了很明顯的凸起;而D組電鍍層厚度相對較均勻,這些與模擬結果是基本吻合的。

圖4 各組實際樣品的厚度變化曲線

3.2 鍍層表面微觀形貌

圖4是通過在試片上從左到右取點的辦法得到的厚度變化曲線。由于在電鍍過程中,低電流密度區(qū)和高電流密度區(qū)通常都難以上鍍,因此,取點的方法只能表述一個總的鍍層厚度變化趨勢。為了進一步驗證模擬結果,采用S-3 700型掃描電子顯微鏡(SEM）觀察各組鍍層的表面微觀形貌。實驗結果,如圖5所示。

圖5 各組鍍層的表面微觀形貌

從圖5可以明顯看出:A組鍍層表面高低不平,白色矩形框內的區(qū)域厚度較大,而其他區(qū)域相對較小,存在較大的空洞;B組鍍層形貌趨向均勻,但仍存在一些較小的空洞,如圖中白色箭頭所指區(qū)域;C組表面鍍層厚度不均勻,存在較大的空洞,白色橢圓框區(qū)域內的陰極板工作表面沒有被鍍層覆蓋;D組表面形貌較平整,鍍層厚度均勻。

上述分析表明:實驗結果與模擬結果基本吻合。采用ansys模擬分析對于改善電流分布的均勻性有一定的指導意義。但由于模擬是在理想的情況下進行的,只考慮了幾何的因素,而實際電鍍中,諸如:電鍍液的濃度的變化等電化學方面的因素在模擬中沒有考慮。因此,模擬中得到的較好的優(yōu)化條件,需要在實際生產中做進一步的調整,根據(jù)實驗結果進一步修改電鍍模型。

4 結論

(1）通過對電鍍過程的數(shù)值模擬及實驗分析表明:數(shù)值模擬能夠有效地預測鍍層厚度變化趨勢,可為實際生產及成熟工藝優(yōu)化提供參考。

(2）絕緣擋板的施加,在一定程度上,可以使電鍍層更加均勻和平整。此外,隨著極板間距離的增大,鍍層厚度呈減小趨勢,降低了電鍍效率。

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[3] Prentice G A,Tobias C W.A survey of numerical methods and solutions for current distribution problems[J].Journal of Electrochemical Society,1982,129(1）:72-78.

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[5] Toshikazu O,Tamie K,Kazyo K.Patterned copper plating layer thickness made uniform by placement auxiliary grid electrode about ball GRID arrays[J].Chemical Engineering Communications,2006,193:1 503-1 513.

[6] 孫明禮,胡仁喜,崔海蓉,等.ansys10.0電磁學有限元分析[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

Numerical Simulation and Verification on the Uniformity of Electroplated Coating

LIU Tai-quan
(South China University of Technology,Guangzhou 510640,China）

The changes of current density in electroplating were simulated numerically;thickness of the electroplated coating was predicted and the reasons for these changes are given.The simulative results were further verified by observing microstructure of the experimental samples with SEM.

electroplating;numerical simulation;current density;experimental analysis

TQ 153

A

1000-4742(2010）02-0011-03

廣州市科技計劃項目(2008A1-D0011）

2009-08-05