رسوب مس در یک ترانشه

View Categories

رسوب مس در یک ترانشه

13 min read

PDF

رسوب مس در یک ترانشه
معرفی
این مدل آبکاری الکتریکی مس را در یک ریزحفره که معمولاً در آبکاری مس روی تخته‌های مدار یافت می‌شود شبیه‌سازی می‌کند. سلول آبکاری یک سلول آزمایشگاهی تحت کنترل پتانسیواستاتیک است که در آن آند در مجاورت کاتد قرار می گیرد. مثال بر اساس یک مقاله علمی ( مراجعه 1 ) است.
هدف از این مدل نشان دادن استفاده از هندسه های تغییر شکل برای فرآیندهای آبکاری و بررسی تأثیر حفره بر نتیجه آبکاری است. هندسه تغییر شکل، شبیه سازی رشد مرز کاتد را در ادامه فرآیند ممکن می سازد.
برای توضیح دقیق نحوه ساخت این مدل، از جمله اسکرین شات، به کتاب مقدمه ای بر ماژول الکترودپوزیشن مراجعه کنید .
تعریف مدل
این مدل فرآیند رسوب را در pH 4 شبیه‌سازی می‌کند، که نشان می‌دهد غلظت پروتون در مقایسه با غلظت یون مس و سولفات بسیار کم است. به همین دلیل، تعادل مواد پروتون ها نیازی به مدل سازی ندارد. سولفات نیز به عنوان یک یون کاملاً تفکیک شده در نظر گرفته می شود. فرض بر این است که رسوب در کاتد و انحلال در آند با جریان 100% انجام می شود، به این معنی که مدل شامل واکنش های جانبی احتمالی نمی شود. در طول فرآیند، تفاوت در چگالی الکترولیت در سلول محصور شده ایجاد می شود و چگالی بالاتری در آند در مقایسه با کاتد ایجاد می کند. این می تواند همرفت آزاد را در سلول القا کند. با این حال، در شرایط مدل‌سازی شده، تغییرات در ترکیب کم است و بنابراین می‌توان همرفت آزاد را نادیده گرفت.
این فرآیند ذاتاً وابسته به زمان است زیرا مرز کاتد با انجام فرآیند رسوب حرکت می کند. این مدل با تعادل مواد برای یون‌های درگیر (مس، Cu 2+ و سولفات، SO 2- ) و شرایط خنثی الکتریکی تعریف می‌شود. این سه مجهول و سه معادله مدل به دست می دهد. متغیرهای وابسته عبارتند از غلظت یون مس، غلظت یون سولفات و پتانسیل یونی. متغیرهای اضافی تغییر شکل مش را پیگیری می کنند.
هندسه مدل در شکل 1 نشان داده شده است . مرز افقی بالایی نشان دهنده آند است، در حالی که کاتد در پایین قرار دارد. دیوارهای عمودی مطابق با الگوی روی الکترود اصلی هستند و عایق فرض می شوند.
شکل 1: دامنه مدل با مرزهای مربوط به دیواره های آند، کاتد و تقارن عمودی.
شار هر یک از یون های الکترولیت با معادله نرنست پلانک به دست می آید.
که در آن i بردار انتقال (mol/(m 2 ·s))، i غلظت در الکترولیت (mol/m 3 )، i بار برای گونه های یونی، i تحرک گونه های باردار ( m2 /(s·J·mole))، F ثابت فارادی (As/mole)، و پتانسیل در الکترولیت (V). تعادل مادی از طریق بیان می شود
یک برای هر گونه، یعنی  =  1، 2. شرط الکتروخنثی با عبارت زیر داده می شود:
شرایط مرزی برای آند و کاتد توسط معادله باتلر-ولمر برای رسوب مس داده می شود. فرآیند رسوب گذاری از طریق مکانیسم ساده شده زیر انجام می شود:
که در آن مرحله اول، مرحله تعیین نرخ، RDS است و مرحله دوم در حالت تعادل فرض می شود ( مرجع 1 ). این رابطه زیر را برای چگالی جریان محلی به عنوان تابعی از پتانسیل و غلظت مس نشان می دهد:
که در آن η به مازاد پتانسیل تعریف شده اشاره می کند
جایی که نشان دهنده پتانسیل الکترونیکی الکترود مربوطه است. این شرایط زیر را برای کاتد می دهد:
که در آن n بردار عادی را به مرز نشان می دهد. شرایط در آند است
تمام مرزهای دیگر عایق هستند:
برای یون های سولفات، شرایط عایق در همه جا اعمال می شود:
شرایط اولیه ترکیب الکترولیت را مطابق با آن تنظیم می کند
 شما معادله 1 تا معادله  11 را با استفاده از رابط توزیع جریان سوم، رابط معادلات Nernst-Planck تنظیم می کنید . گره Deformed Geometry تغییر شکل مش را پیگیری می کند.
با استفاده از گره مرزی سطح الکترود، با گونه‌های انحلال-رسوب‌کننده اضافه شده، شار یونی و سرعت مش مرزی بر اساس جریان‌های واکنش، تعداد الکترون‌ها و ضرایب استوکیومتری مشخص شده واکنش‌های الکترود است. علامت ضریب استوکیومتری برای یک گونه بستگی به این دارد که آیا گونه در واکنش اکسید می شود (مثبت) یا کاهش می یابد (منفی). در مورد واکنش کل در این مدل
ضریب استوکیومتری برای یون‌های مس در الکترولیت و برای اتم‌های مس در الکترودها است.
نتایج و بحث
شکل 2 توزیع غلظت یون های مس، خطوط هم پتانسیل، خطوط چگالی جریان و جابجایی سطوح کاتد و آند را پس از 14 ثانیه کار نشان می دهد. شکل به وضوح نشان می دهد که دهانه حفره به دلیل ضخامت غیر یکنواخت رسوب شروع به باریک شدن می کند. این اثر می تواند برای کیفیت رسوب مضر باشد زیرا یک الکترولیت به دام افتاده بعداً می تواند باعث خوردگی اجزای برد مدار شود. علاوه بر این، شبیه سازی تغییرات قابل توجهی را در غلظت یون مس در سلول نشان می دهد. چنین تغییراتی در نهایت باعث همرفت آزاد در سلول می شود. این مدل در امتداد یک خط عمودی در وسط سلول متقارن است. یک نتیجه نامتقارن می تواند نشانه ای از وضوح مش ضعیف باشد.
شکل 2: غلظت یون مس (mol/m3 ) ، خطوط هم پتانسیل، خطوط جریان چگالی جریان و جابجایی الکترود در سلول پس از 14 ثانیه کارکرد.
شکل 3 ضخامت رسوب را در امتداد یکی از سطوح کاتدی عمودی نشان می دهد. خطوط توسعه رسوب غیر یکنواخت را به دلیل توزیع چگالی جریان غیریکنواخت نشان می دهند. این اثر با کاهش یون های مس در امتداد عمق حفره تشدید می شود.
شکل 3: ضخامت رسوب در امتداد مرزهای کاتد عمودی. خطوط برای افزایش 0.4 ثانیه از 0 تا 4.4 ثانیه ایجاد می شوند.
علیرغم سادگی این مدل، می توان آن را به راحتی به هندسه های پیچیده تری گسترش داد و یا تاثیر یون های دیگر را بر روی فرآیند گنجاند.
ارجاع
1. E. Mattsson و J.O’M. بوکریس، “مطالعات گالوانوستاتیک سینتیک رسوب و انحلال در سیستم مس + سولفات مس،” ترجمه. دور. Soc. ، جلد 55، ص. 1586، 1959.
مسیر کتابخانه برنامه: Electrodeposition_Module/Tutorials/cu_trench_deposition
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی  Model  Wizard کلیک کنید .
مدل جادوگر
1
در پنجره Model  Wizard روی  2D کلیک کنید .
2
در درخت Select  Physics ، Electrochemistry>Electrodeposition،  Deformed  Geometry>Electrodeposition،  Tertiary  with  Electroneutrality را انتخاب کنید .
3
روی افزودن کلیک کنید .
4
در جدول غلظت ، تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
cCu
cSO4
5
 روی مطالعه کلیک کنید .
6
در درخت Select  Study ، Preset  Studies  for  Selected  Physics  Interfaces>Time  Dependent  with  Initialization را انتخاب کنید .
7
 روی Done کلیک کنید .
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Global  Definitions روی Parameters  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید .
3
 روی Load  from  File کلیک کنید .
4
به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل cu_trench_deposition_parameters.txt دوبار کلیک کنید .
هندسه 1
با ایجاد اتحاد دو مستطیل، هندسه را رسم کنید. گوشه های سنگر را با استفاده از فیله گرد کنید.
مستطیل 1 (r1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Width ، 1.6e-5 را تایپ کنید .
4
در قسمت متن ارتفاع ، 3e-5 را تایپ کنید .
5
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، -0.8e-5 را تایپ کنید .
6
در قسمت متن y ، 1e-5 را تایپ کنید .
مستطیل 2 (r2)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Width ، 0.4e-5 را تایپ کنید .
4
در قسمت متن ارتفاع ، 1e-5 را تایپ کنید .
5
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، -0.2e-5 را تایپ کنید .
6
 روی Build  Selected کلیک کنید .
7
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
اتحادیه 1 (uni1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Booleans  and  Partitions کلیک کنید و Union را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Union ، بخش Union را پیدا کنید .
3
کادر تیک Keep  interior  borders را پاک کنید .
4
در پنجره Graphics کلیک کنید و سپس Ctrl+A را فشار دهید تا هر دو شی انتخاب شوند.
فیله 1 (fil1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Fillet کلیک کنید .
2
در شی uni1 ، فقط نقاط 3-6 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای Fillet ، بخش Radius را پیدا کنید .
4
در قسمت متن Radius ، 1e-6 را تایپ کنید .
فرم اتحادیه (فین)
1
در پنجره Model  Builder ، روی Form  Union  (fin) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات Form  Union/Assembly ، روی  Build  Selected کلیک کنید .
توزیع جریان سوم، NERNST-PLANCK (TCD)
اکنون مدل الکتروشیمیایی را تنظیم کنید که شامل ویژگی‌های یک گونه و یک حوزه الکترولیت و دو مرز الکترود است.
هزینه گونه 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Tertiary  Current  Distribution،  Nernst-Planck  (tcd) روی Species  Charges  1 کلیک کنید .
2
در پنجره Settings for Species  Charges ، بخش Charge را پیدا کنید .
3
در قسمت متن cCu ، z_Cu را تایپ کنید .
4
در قسمت متن cSO4 ، z_SO4 را تایپ کنید .
الکترولیت 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Electrolyte  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای الکترولیت ، بخش Diffusion را پیدا کنید .
3
در قسمت متنی cCu ، D_Cu را تایپ کنید .
4
در قسمت متنی cSO4 ، D_SO4 را تایپ کنید .
سطح الکترود 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Electrode  Surface را انتخاب کنید .
2
فقط مرز 3 را انتخاب کنید.
انتخابی از مرز ایجاد کنید تا بعداً هنگام پس پردازش مشکل، انتخاب سطح الکترود را تسهیل کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای سطح الکترود  ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید .
4
 روی ایجاد  انتخاب کلیک کنید .
5
در کادر محاوره ای ایجاد  انتخاب ، آند را در قسمت متن انتخاب  نام تایپ کنید .
6
روی OK کلیک کنید .
7
در پنجره تنظیمات برای سطح الکترود  ، بخش وضعیت بالقوه فاز الکترود را پیدا کنید .
8
در فیلد متنی φ s ، phis_anode را تایپ کنید .
9
برای گسترش بخش Dissolving-Depositing  Species کلیک کنید .  روی افزودن کلیک کنید .
10
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
گونه ها
چگالی (KG/M^3)
جرم مولی (کیلوگرم بر مول)
cdep_anode
8960
0.06355
واکنش الکترود 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Electrode  Reaction  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای واکنش الکترود  ، بخش ضرایب استوکیومتری را پیدا کنید .
3
در قسمت متن n ، 2 را تایپ کنید .
4
در جدول ضرایب استوکیومتری برای گونه های انحلال-رسوب کننده: تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
گونه ها
ضریب استوکیومتری (1)
cdep_anode
1
5
بخش سینتیک الکترود  را پیدا کنید . در قسمت متن 0,ref i0_ref را تایپ کنید .
6
در قسمت متن α a ، alpha_a را تایپ کنید .
سطح الکترود 2
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Tertiary  Current  Distribution،  Nernst-Planck  (tcd) روی Electrode  Surface  1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
ساده ترین راه برای انتخاب مرزهای کاتد منحنی این است که ابتدا همه مرزها را انتخاب کنید و سپس مرزهای بالا و کناری را از حالت انتخاب خارج کنید.
2
در پنجره تنظیمات برای سطح الکترود  ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید .
3
از لیست انتخاب ، دستی را انتخاب کنید .
4
فقط مرزهای 2، 4-7 و 9-12 را انتخاب کنید.
5
 روی ایجاد  انتخاب کلیک کنید .
6
در کادر محاوره ای Create  Selection ، در قسمت متن Selection name، Cathode را تایپ کنید .
7
روی OK کلیک کنید .
8
در پنجره تنظیمات برای سطح الکترود  ، بخش وضعیت بالقوه فاز الکترود را پیدا کنید .
9
در فیلد متنی φ s ، phis_cathode را تایپ کنید .
واکنش الکترود 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره Electrode  Surface  2 را گسترش دهید ، سپس روی Electrode  Reaction  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای واکنش الکترود  ، بخش ضرایب استوکیومتری را پیدا کنید .
3
در جدول ضرایب استوکیومتری برای گونه های انحلال-رسوب کننده: تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
گونه ها
ضریب استوکیومتری (1)
cdep_anode
1
مقادیر اولیه 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Terciary  Current  Distribution،  Nernst-Planck  (tcd) روی مقادیر اولیه  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای مقادیر اولیه  ، قسمت مقادیر اولیه را پیدا کنید .
3
در قسمت متنی cSO 4 ، Cinit را تایپ کنید .
تعاریف جهانی
ورودی های مدل پیش فرض
مقدار دمای مورد استفاده در کل مدل را تنظیم کنید.
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Global  Definitions، روی Default  Model  Inputs کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ورودی های مدل پیش فرض  ، بخش Browse Model Inputs را پیدا کنید .
3
در درخت، General>Temperature  (K)  –  minput.T را انتخاب کنید .
4
زیربخش عبارت  برای  انتخاب باقیمانده  را پیدا کنید . در قسمت متن دما ، T0 را تایپ کنید .
مش 1
حالا تنظیمات مش را انجام دهید.
اندازه
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Mesh  1 راست کلیک کرده و Edit  Physics-Induced  Sequence را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت اندازه عنصر  را پیدا کنید .
3
از لیست از پیش تعریف شده ، Extra  fine را انتخاب کنید .
4
روی دکمه Custom کلیک کنید .
5
قسمت پارامترهای اندازه عنصر  را پیدا کنید . در قسمت متن حداکثر اندازه عنصر ، 5e-7 را تایپ کنید .
6
در قسمت متن Factor Curvature  ، 1 را تایپ کنید .
7
در قسمت متن Resolution  of  narrow  regions عدد 10 را تایپ کنید .
8
 روی ساخت  همه کلیک کنید .
مطالعه 1
مرحله 2: وابسته به زمان
1
در پنجره Model  Builder ، در مطالعه  1 ، روی Step  2:  Time  Dependent کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات مربوط به زمان  وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه  را پیدا کنید .
3
در قسمت متنی زمان خروجی ،  range(0,0.5,5) را تایپ کنید .
زمان‌های حل‌کننده را تغییر دهید تا فرآیند رسوب را در طول 5 ثانیه شبیه‌سازی کند، محلول را هر 0.1 ثانیه ذخیره کنید. سپس محاسبات را شروع کنید.
4
در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید .
نتایج
کانتور 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Concentration،  Cu  (tcd) کلیک راست کرده و Contour را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Contour ، روی Replace  Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component   (comp1)>Tertiary  Current  Distribution،  Nernst-Planck>Species  cCu>cCu  –  Concentration  –  mol/m³ را انتخاب کنید .
3
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید . از لیست Coloring ، Uniform را انتخاب کنید .
4
از لیست رنگ ، سیاه را انتخاب کنید .
5
تیک Color  legend را پاک کنید .
ساده 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Streamline  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Streamline ، بخش Streamline  Positioning را پیدا کنید .
3
از لیست موقعیت یابی ، روی  مرزهای انتخاب شده  را انتخاب کنید .
4
قسمت Selection را پیدا کنید . برای انتخاب دکمه ضامن  فعال کردن  انتخاب کلیک کنید .
5
از لیست انتخاب ، آند را انتخاب کنید .
6
بخش Streamline  Positioning را پیدا کنید . در قسمت متن شماره ، 15 را تایپ کنید .
خط 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Concentration،  Cu  (tcd) کلیک راست کرده و Line را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای خط ، بخش داده را پیدا کنید .
3
از فهرست مجموعه داده ، مطالعه  1/راه حل   (sol1) را انتخاب کنید .
4
از لیست زمان  (ها) ، 0 را انتخاب کنید .
5
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید . از لیست Coloring ، Uniform را انتخاب کنید .
6
از لیست رنگ ، سیاه را انتخاب کنید .
7
برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان  ، هیچکدام را انتخاب کنید .
8
در نوار ابزار Concentration, Cu (tcd) ، روی  Plot کلیک کنید .
ضخامت رسوب
1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add  Plot  Group کلیک کنید و 1D  Plot  Group را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی  ، Deposition Thickness را در قسمت متن برچسب تایپ کنید .
3
برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان  ، دستی را انتخاب کنید .
4
در قسمت متن عنوان ، نمایه لایه سپرده شده را روی دیوار عمودی تایپ کنید .
5
قسمت Plot  Settings را پیدا کنید .
6
چک باکس x-axis  label را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، فاصله از پایین حفره (\mu m) را تایپ کنید .
7
کادر بررسی برچسب محور y  را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، ضخامت لایه سپرده شده (\mu m) را تایپ کنید .
نمودار خطی 1
1
روی Deposition  Thickness کلیک راست کرده و Line  Graph را انتخاب کنید .
2
فقط مرز 4 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای نمودار خط  ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید .
4
در قسمت متن Expression ، x-Xg را تایپ کنید .
(Xg متغیر مختصات هندسی اصلی است.)
5
از لیست واحد ، میکرومتر را انتخاب کنید .
6
قسمت x-Axis  Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید .
7
در قسمت متن Expression ، y را تایپ کنید .
8
از لیست واحد ، میکرومتر را انتخاب کنید .
9
در نوار ابزار Deposition Thickness ، روی  Plot کلیک کنید .
ریشه
اکنون یک مطالعه جدید ایجاد کنید و زمان شبیه سازی را به 14 ثانیه افزایش دهید. در صورتی که کیفیت مش خیلی پایین می‌آید، دوباره مش کردن خودکار را فعال کنید تا هندسه مجدداً مش شود. ابتدا یک Study node جدید اضافه کنید.
اضافه کردن مطالعه
1
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Study کلیک کنید تا پنجره Add  Study باز شود .
2
به پنجره Add  Study بروید .
3
زیربخش مطالعات را پیدا کنید . در درخت Select  Study ، Preset  Studies  for  Selected  Physics  Interfaces>Time  Dependent  with  Initialization را انتخاب کنید .
4
روی Add  Study در نوار ابزار پنجره کلیک کنید .
5
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Study کلیک کنید تا پنجره Add  Study بسته شود .
مطالعه 2
مرحله 2: وابسته به زمان
1
در پنجره Model  Builder ، در زیر مطالعه  2 ، روی Step  2:  Time  Dependent کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات مربوط به زمان  وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه  را پیدا کنید .
3
در قسمت متن زمان خروجی ،  range(0,1,14) را تایپ کنید .
4
برای گسترش بخش Study  Extensions کلیک کنید . تیک گزینه Automatic  Remeshing را انتخاب کنید .
5
در پنجره Model  Builder ، روی Study  2 کلیک کنید .
6
در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، قسمت تنظیمات مطالعه  را پیدا کنید .
7
تیک Generate  defaults defaults را  پاک کنید .
8
در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید .
نتایج
غلظت، مس (tcd)
1
در پنجره Model  Builder ، در بخش Results روی Concentration،  Cu  (tcd) کلیک کنید .
2
در پنجره Settings for 2D  Plot  Group ، بخش Data را پیدا کنید .
3
از لیست Dataset ، Study  2/Remeshed  Solution   (sol5) را انتخاب کنید .
4
از لیست زمان  (ها) ، Interpolation را انتخاب کنید .
5
در قسمت متن زمان ، 14 را تایپ کنید .
6
در نوار ابزار Concentration, Cu (tcd) ، روی  Plot کلیک کنید .
7
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .