Electrodeposition Module

Simulation et Contrôle des Procédés d'Electrodéposition

Electrodeposition Module

Galvanoplastie décorative supposant une distribution de courant secondaire avec une cinétique de Butler-Volmer au niveau de l'anode et de la cathode. Le graphique présente l'épaisseur de la couche déposée à l'avant et à l'arrière de la pièce.

Etudier Toutes les Caractéristiques Importantes des Cellules d'Electrodéposition

La modélisation et les simulations sont des moyens peu onéreux pour comprendre, optimiser et contrôler les procédés d'électrodéposition. Une simulation type renvoie la distribution de courant à la surface des électrodes, ainsi que l'épaisseur et la composition de la couche déposée. Les simulations permettent d'étudier les paramètres importants que sont la géométrie de la cellule, la composition de l'électrolyte, la cinétique de réaction des électrodes, les tensions et courants effectifs et les effets de température. Si vous disposez d'informations sur ces paramètres, vous pouvez optimiser les conditions opératoires des cellules électrochimiques ainsi que le positionnement et la conception des masques pour garantir la qualité des surfaces, tout en réduisant les pertes de matériau et d'énergie.

Intéressant pour une Vaste Gamme d'Applications Electrochimiques

L'Electrodeposition Module est adapté à une vaste gamme d'applications, comme : dépôt métallique pour les pièces électroniques et électriques ; protection contre la corrosion et l'usure ; galvanoplastie décorative ; électroformation de pièces avec des structures fines et complexes ; abrasion ; électroérosion ; extraction électrolytique et électroraffinage. L'Electrodeposition Module permet de prendre en compte tous les phénomènes impliqués et de les simuler tous ensemble. Plus spécifiquement, il est possible de coupler les équations qui décrivent le transport et la conservation du courant, le transport des espèces chimiques, les bilans de charge et la cinétique électrochimique. Puisque le logiciel permet de prendre en compte plusieurs phénomènes connexes, il est possible d'obtenir des estimations précises pour la qualité, la forme et l'épaisseur du dépôt sur la surface des électrodes.

L'Electrodeposition Module propose des outils et des interfaces spécialisées pour la définition des caractéristiques physiques du procédé. Les formules prédéfinies sont utiles pour modéliser les effets des distributions de courant primaire, secondaire et tertiaire, qui permettent d'évaluer avec précision le fini de la surface et la qualité du produit dans le processus.

Images Supplémentaires

  • 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.
  • Effets d'une frontière mobile pour une application d'électrodéposition de cuivre sur des cartes de circuit imprimé. Le modèle dépend du temps et les résultats montrent clairement que la déposition non uniforme du cuivre entraîne le rétrécissement de l'ouverture. Effets d'une frontière mobile pour une application d'électrodéposition de cuivre sur des cartes de circuit imprimé. Le modèle dépend du temps et les résultats montrent clairement que la déposition non uniforme du cuivre entraîne le rétrécissement de l'ouverture.
  • Dépôt sur une bobine à induction impliquant l'utilisation d'un masque isolant de photorésine et la présence d'une couche de diffusion sur la photorésine. Le transfert massique des ions de cuivre dans l'électrolyte a un impact important sur la cinétique de dépôt et augmente les taux de dépôt dans les parties externes du modèle de dépôt. Dépôt sur une bobine à induction impliquant l'utilisation d'un masque isolant de photorésine et la présence d'une couche de diffusion sur la photorésine. Le transfert massique des ions de cuivre dans l'électrolyte a un impact important sur la cinétique de dépôt et augmente les taux de dépôt dans les parties externes du modèle de dépôt.
  • Distributions de courant primaire, secondaire et tertiaire dans une cellule de Hull à cylindre tournant. Distributions de courant primaire, secondaire et tertiaire dans une cellule de Hull à cylindre tournant.

Intégrez la Simulation à votre Façon de Travailler

Comme dans tout processus chimique, il est possible d'étudier la plupart des effets des procédés d'électrodéposition à différentes échelles, selon le but recherché. Au niveau microscopique, il pourrait s'agir de l'étude de la cinétique électrochimique des réactions participantes et de l'influence de différents lisseurs ou conditions de dépôt sur la cinétique de l'électrodéposition. Au niveau des électrodes auxiliaires, une sélection attentive de la micro-structure des électrocatalyseurs et des électrodes peut être nécessaire, en particulier pour l'extraction électrolytique qui exige de minimiser les pertes. En simulant ces processus et en les comparant aux expériences ou aux données du procédé étudié, il est possible d'acquérir une compréhension fine des mécanismes de réactions par transfert de charge à la surface des électrodes et d'obtenir les paramètres de cinétique électrochimique (par exemple, les densités de courant d'échange et les coefficients de transfert de charge pour chaque réaction). Une fois que ces mécanismes et paramètres sont connus, il devient possible de simuler la vitesse et la distribution de dépôt et d'abrasion à grande échelle, tout en prenant en compte les conditions d'exploitation du système, comme la géométrie de la cellule ou de l'électrode, la tension de la cellule ou le courant imposé, le masquage et le blindage, la composition et l'écoulement des électrolytes, l'évolution gazeuse et la température.

L'Electrodeposition Module propose une interface utilisateur COMSOL Desktop® standardisée, commune à tous les autres modules de la suite de produits COMSOL. Vous pouvez ainsi coupler les phénomènes physiques décrivant le procédé d'électrodéposition ou d'abrasion à d'autres modules, comme le Heat Transfer Module pour étudier les effets thermiques ou le CFD Module pour comprendre les effets d'écoulement diphasique. Par ailleurs, vous pouvez utiliser les mêmes fichiers de modèles pour simuler la cellule électrochimique puis d'autres caractéristiques physiques (l'intégrité mécanique, par exemple). Cette plate-forme unifiée de simulation est l'outil idéal pour favoriser un bon niveau de coopération entre les ingénieurs qui étudient des aspects physiques différents du même procédé.

Des Outils Conviviaux pour Simuler les Cellules d'Electrodéposition et de Galvanoplastie

L'Electrodeposition Module propose différents outils conviviaux permettant de simuler la plupart des caractéristiques associées aux cellules d'électrodéposition et de galvanoplastie, notamment :

Cinétique des Réactions Electrochimiques

Il est possible de définir des réactions de transfert de charge électrochimique qui peuvent avoir pour expressions cinétiques des fonctions arbitraires des variables simulées. Par exemple : concentration d'espèces chimiques, potentiel d'électrode local, potentiel électrolytique à l'interface électrode-électrolyte et température. Les interfaces pour la distribution de courant secondaire et tertiaire permettent également d'entrer des paramètres pour les cinétiques d'électrode, tels que la densité de courant d'échange, les coefficients de transfert de charge anodique et cathodique, la stœchiométrie et le potentiel d'équilibre pour les réactions d'électrode dans le système. Des expressions prédéfinies sont également proposées pour les équations de Butler-Volmer et de Tafel. De plus, il est possible d'ajouter plusieurs réactions concurrentes sur une même surface d'électrode ; par exemple, d'ajouter une évolution d'hydrogène à l'électrode de placage. Pour la distribution du courant tertiaire, il est possible de coupler les réactions d'électrode à la concentration locale des espèces électroactives, dans les expressions cinétiques de l'électrode, en désignant la concentration sous forme de variables. Il est également possible d'estimer le surpotentiel de concentration en exprimant sa contribution à l'aide d'équations de Nernst.

Ecoulement

L'Electrodeposition Module propose également des interfaces spécialisées pour la modélisation de l'écoulement en milieu libre (régime laminaire) et en milieu poreux, à partir des équations de Navier-Stokes, de Brinkman et de la loi de Darcy. Pour étudier l'écoulement en régime turbulent et diphasique, il faut coupler les simulations avec les interfaces physiques appropriées du CFD Module.

Couches Déposées Electrolytiquement

L'Electrodeposition Module peut en outre simuler les effets des changements géométriques sur le processus électrochimique, en modélisant des frontières mobiles à mesure que la couche déposée s'épaissit à la cathode. Puisque la réduction ou l'augmentation des surfaces peut avoir une incidence considérable sur le fonctionnement de la cellule, l'Electrodeposition Module inclut dynamiquement ces changements dans la simulation. De plus, si la couche métallique déposée ou l'épaisseur de l'anode ne présente que de faibles variations, il est possible de choisir une interface physique qui permettra de suivre l'épaisseur de la couche plaquée, et son action sur les effets ohmiques dans l'électrode, sans devoir changer la géométrie. Il suffit d'entrer pour l'épaisseur une variable qui influe également sur la conductance électrique locale de l'électrode. Les changements d'épaisseur de l'électrode peuvent être calculés automatiquement à partir des expressions cinétiques de l'électrode, en définissant les coefficients de stœchiométrie, la masse molaire et la densité du métal déposé ou utilisé pour les réactions intervenant au niveau des électrodes.

Bilans des Courants dans l'Electrolyte et les Electrodes

Le point fort de l'Electrodeposition Module est de permettre la description du transport ionique par conduction électrolytique et électronique dans les électrodes, en accord avec la conservation du courant et de la charge. Les interfaces pour la distribution du courant primaire et secondaire supposent que le transport ionique dans l'électrolyte est induit par la migration des ions et négligent l'influence de la diffusion. Cette hypothèse est utile lorsque le mélange dans l'électrolyte a pour effet l'élimination presque totale des gradients de concentration. Il est également possible de faire appel aux formules pour la distribution du courant secondaire lorsque les gradients de concentration se trouvent uniquement au voisinage de la surface de l'électrode, à l'aide d'expressions analytiques pour les variations de concentration sur la couche frontière à la surface de l'électrode. Les interfaces pour la distribution du courant tertiaire décrivent le transport ionique dans l'électrolyte en termes de diffusion, convection et migration (équations de Nernst-Planck). Le module évalue automatiquement la densité du courant en lui ajoutant toutes les contributions fournies par le transport des ions. La densité du courant est donc décrite en termes de diffusion et de migration des ions (nécessaire en cas d'importantes variations de concentration dans l'électrolyte). La cinétique de réaction aux électrodes a pour effet de coupler le bilan des courants dans les électrodes et celui des courants dans l'électrolyte à la surface des électrodes. La loi d'Ohm décrit la conduction du courant dans les électrodes. L'Electrodeposition Module propose également une interface spécialisée qui permet de simuler le transfert du courant dans les coques ou structures métalliques minces. Il est par exemple possible de modéliser le dépôt au début du processus de placage. Cela permet de modéliser des couches minces déposées électrolytiquement sur des structures non conductrices, les bilans des courants dans l'électrolyte représentant les pertes ohmiques dans les électrodes.

Transport de Masse

L'Electrodeposition Module modélise le transport des espèces chimiques par diffusion, convection et migration dans les solutions diluées et concentrées. Il comprend une interface prédéfinie pour les équations de Nernst-Planck et ajoute en plus la migration pour le transport des espèces chimiques dans les solutions diluées et concentrées, en milieu libre et en milieu poreux.

Transfert de Chaleur

L'Electrodeposition Module comprend une interface spécialisée pour le transfert de chaleur en milieu poreux, qui permet de modéliser les phénomènes de convection, de conduction et d'effet Joule. Il ajoute les contributions des processus électrochimiques au bilan thermique. Par exemple, il ajoute les pertes imputables au surpotentiel d'activation sous la forme de sources de chaleurs à la frontière de l'électrode.

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