劉太權(quán)

(華南理工大學(xué),廣東 廣州 510640）

電鍍層均勻性的數(shù)值模擬及驗(yàn)證

劉太權(quán)

(華南理工大學(xué),廣東 廣州 510640）

采用數(shù)值模擬的方法,對(duì)電鍍中電流密度的變化進(jìn)行模擬,預(yù)測(cè)了鍍層厚度變化的趨勢(shì),解釋了這些變化產(chǎn)生的原因。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究取樣及在掃描電鏡下對(duì)微觀組織的觀察,對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。

電鍍;數(shù)值模擬;電流密度;實(shí)驗(yàn)分析

0 前言

電鍍技術(shù)由于其特殊優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、電子等諸多行業(yè)[1]。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS）的發(fā)展給傳統(tǒng)電鍍技術(shù)帶來(lái)了新的活力,促進(jìn)了整個(gè)電鍍行業(yè)的發(fā)展[2-3]。然而,電鍍技術(shù)在MEMS領(lǐng)域中也遇到了一些新的難題,如:鍍層內(nèi)應(yīng)力控制問(wèn)題、掩膜電沉積厚度均勻性問(wèn)題、疊層結(jié)構(gòu)層間結(jié)合力問(wèn)題、高深寬比孔洞填充問(wèn)題[4-5]等,限制了電鍍技術(shù)的應(yīng)用,因此,這些技術(shù)問(wèn)題亟需解決。

本研究以電化學(xué)鍍層為研究對(duì)象,采用數(shù)值模擬的方法,分析了電鍍過(guò)程中陰、陽(yáng)兩極板間電場(chǎng)的大小及分布的均勻性,預(yù)測(cè)了鍍層厚度的變化。并通過(guò)對(duì)實(shí)際電鍍樣品取樣及微觀組織觀察,對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 數(shù)學(xué)原理

當(dāng)電流通過(guò)電解液時(shí),陰極表面沉積的鍍層的體積,按照Faraday定律計(jì)算:

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

當(dāng)陽(yáng)極和陰極工作表面距離為 y,陰、陽(yáng)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(guò)程中各位置的電流密度將保持不變。然而,實(shí)際生產(chǎn)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(fù)雜,因此,建立與實(shí)際情況相似的幾何模型,并通過(guò)數(shù)值模擬的方法來(lái)研究此種變化就顯得尤為重要[6]。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 幾何模型的建立與計(jì)算參數(shù)設(shè)置

由于3D模型相比2D模型更接近實(shí)際生產(chǎn)情況,因此,在Ansys中采用3D模型來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算。圖1所示為電解槽中陰、陽(yáng)兩極板及絕緣擋板的三維模型。實(shí)驗(yàn)分4組模型,A組:無(wú)擋板,陰、陽(yáng)兩極板間距離為30 mm;B組:有擋板,陰、陽(yáng)兩極板距離為30 mm;C組:無(wú)擋板,陰、陽(yáng)兩極板距離為60 mm;D組:有擋板,陰、陽(yáng)兩極板距離為60 mm。

模擬中絕緣擋板處于陰、陽(yáng)兩極板的中間,且到兩極板的距離相等,各組中陰、陽(yáng)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(yáng)兩極板。擋板的主要作用是解決鍍層厚度不均勻的問(wèn)題,通過(guò)擋板上的方孔對(duì)溶液中電力線的收束作用,使得陰極表面的電場(chǎng)分布趨于均勻。陽(yáng)極板為鉑材料,陰極板為銅材料,擋板和襯底均為電阻率無(wú)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(dǎo)入ansys模擬軟件,進(jìn)行參數(shù)設(shè)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(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分。由于實(shí)驗(yàn)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(jié)果及提高計(jì)算效率,擋板和極板要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)劃分處理,其余部分網(wǎng)格尺寸相對(duì)較大,剖分結(jié)果,如圖2所示。電鍍中陽(yáng)極板所加載的電壓為6 V,陰極板的電壓為0 V。同時(shí)在電鍍液表面定義邊界條件,即:外部電壓全部為0 V,開(kāi)始進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖2 網(wǎng)格剖分結(jié)果

2.2 模擬結(jié)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(guò)這個(gè)路徑上電流密度的變化來(lái)定性評(píng)價(jià)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(jié)果。

圖3 各組模型中電流密度的數(shù)值模擬變化結(jié)果

由圖3可知:不加擋板時(shí)(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(chǎng)線通過(guò) x,y,z3個(gè)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(duì)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(shí)(B組、D組）,鍍層厚度趨向均勻。這是因?yàn)榻^緣擋板上方孔對(duì)電場(chǎng)線的收束作用,使得陰極表面的電場(chǎng)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(yáng)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(shì)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 電鍍層厚度分析

為了驗(yàn)證模擬的有效性,對(duì)A,B,C和D 4組模型分別進(jìn)行了電鍍實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中的材料及工藝參數(shù)為:陽(yáng)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(shí)驗(yàn),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(guó)產(chǎn)durlscope mpor測(cè)厚儀測(cè)量試片各點(diǎn)厚度。圖4為各組實(shí)際樣品的厚度變化曲線。由圖4可以看出:無(wú)擋板時(shí),由于邊緣效應(yīng),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(shì)。加擋板時(shí),B組和D組電鍍層厚度波動(dòng)范圍均變小。對(duì)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(duì)較均勻,這些與模擬結(jié)果是基本吻合的。

圖4 各組實(shí)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(guò)在試片上從左到右取點(diǎn)的辦法得到的厚度變化曲線。由于在電鍍過(guò)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(diǎn)的方法只能表述一個(gè)總的鍍層厚度變化趨勢(shì)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證模擬結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)的區(qū)域厚度較大,而其他區(qū)域相對(duì)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(nèi)的陰極板工作表面沒(méi)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合。采用ansys模擬分析對(duì)于改善電流分布的均勻性有一定的指導(dǎo)意義。但由于模擬是在理想的情況下進(jìn)行的,只考慮了幾何的因素,而實(shí)際電鍍中,諸如:電鍍液的濃度的變化等電化學(xué)方面的因素在模擬中沒(méi)有考慮。因此,模擬中得到的較好的優(yōu)化條件,需要在實(shí)際生產(chǎn)中做進(jìn)一步的調(diào)整,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步修改電鍍模型。

4 結(jié)論

(1）通過(guò)對(duì)電鍍過(guò)程的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)分析表明:數(shù)值模擬能夠有效地預(yù)測(cè)鍍層厚度變化趨勢(shì),可為實(shí)際生產(chǎn)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(shì),降低了電鍍效率。

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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(jì)劃項(xiàng)目(2008A1-D0011）

2009-08-05