Electrodeposition Module

Software Para Modelagem e Controle de Processos de Eletrodeposição

Electrodeposition Module

Galvanoplastia decorativa considerando a distribuição de corrente secundária com cinética de Butler-Volmer completa tanto para o anodo quanto para o catodo. A espessura depositada sobre as partes da frente e de trás da peça é ilustrada.

Estude Todas as Características Importantes de suas Células de Eletrodeposição

As modelagens e simulações são métodos econômicos de compreender, otimizar e controlar os processos de eletrodeposição. Uma simulação típica produz a distribuição de corrente na superfície dos eletrodos e a espessura e a composição da camada depositada. As simulações são usadas para estudar parâmetros importantes como geometria de células, composição de eletrólitos, cinética das reações de eletrodos, tensões elétricas e correntes operacionais, bem como efeitos da temperatura. Com informações sobre esses parâmetros, você pode otimizar as condições operacionais das células eletroquímicas e a disposição e a concepção de máscaras, e garantir a qualidade de suas superfícies, ao mesmo tempo em que minimiza perdas de material e energia.

Relevante para um Conjunto de Diversas Aplicações Eletroquímicas

O Electrodeposition Module é adequado para uma ampla gama de aplicações, incluindo: deposição de metal para peças eletrônicas e elétricas; proteção contra corrosão e desgaste; galvanoplastia decorativa; eletroformação de peças com estruturas finas e complexas; água-forte; eletrousinagem; eletroextração e eletrorrefinamento. Com o Electrodeposition Module, você pode considerar todos os fenômenos envolvidos e simulá-los ao mesmo tempo. Mais especificamente, você pode acoplar as equações que descrevem o transporte e a conservação de corrente, o transporte de espécies químicas, o balanço de cargas e a cinética eletroquímica. Graças à possibilidade de levar em conta diversos fenômenos relevantes, você é capaz de obter estimativas precisas da qualidade, do formato e da espessura do depósito sobre a superfície dos eletrodos.

Ferramentas e interfaces físicas são disponibilizadas dentro do Electrodeposition Module para definir as características físicas do seu processo. Fórmulas predefinidas permitem que você modele efeitos de distribuição de corrente primária, secundária e terciária – geralmente excelentes indicadores do acabamento de superfície e da qualidade do produto do seu processo.


Imagens adicionais:

  • Modelo da galvanoplastia de uma Placa de Circuito Impresso (PCB). Os resultados mostram as linhas de campo elétrico e a espessura dos circuitos de cobre chapeado no PCB. O Application Builder é usado para criar aplicativos que podem ser usados para simular as mesmas propriedades, sem a necessidade de amplo conhecimento da simulação. Modelo da galvanoplastia de uma Placa de Circuito Impresso (PCB). Os resultados mostram as linhas de campo elétrico e a espessura dos circuitos de cobre chapeado no PCB. O Application Builder é usado para criar aplicativos que podem ser usados para simular as mesmas propriedades, sem a necessidade de amplo conhecimento da simulação.
  • Um COMSOL Application construído a partir de um Modelo COMSOL da galvanoplastia de uma Placa de Circuito Impresso (PCB). Os resultados mostram as linhas de campo elétrico e a espessura dos circuitos de cobre chapeado no PCB. O app pode estudar a espessura e uniformidade dos circuitos de cobre na Placa de Circuito Impresso (PCB) para parâmetros diferentes, tais como taxa de chapeamento, layout e características do banho. A aplicação também pode ser utilizado para encontrar a taxa de deposição ótima para uma uniformidade alvo, bem como encontrar o desenho ótimo da fenda (escudo protetor) colocada entre o anodo e o PCB. Um COMSOL Application construído a partir de um Modelo COMSOL da galvanoplastia de uma Placa de Circuito Impresso (PCB). Os resultados mostram as linhas de campo elétrico e a espessura dos circuitos de cobre chapeado no PCB. O app pode estudar a espessura e uniformidade dos circuitos de cobre na Placa de Circuito Impresso (PCB) para parâmetros diferentes, tais como taxa de chapeamento, layout e características do banho. A aplicação também pode ser utilizado para encontrar a taxa de deposição ótima para uma uniformidade alvo, bem como encontrar o desenho ótimo da fenda (escudo protetor) colocada entre o anodo e o PCB.
  • A funcionalidade Settings do COMSOL Application construído a partir de um Modelo COMSOL da galvanoplastia de uma Placa de Circuito Impresso (PCB). Embutido no aplicativo possui a capacidade de manipular diferentes números de banhos e dimensões geométricas da fenda, bem como para carregar o seu próprio projeto. Isso permite que você estude a espessura e uniformidade dos circuitos de cobre na Placa de Circuito Impresso (PCB) para parâmetros diferentes, tais como taxa de chapeamento, layout e características do banho. A aplicação também pode ser utilizado para encontrar a taxa de deposição ótima para uma uniformidade alvo, bem como encontrar o desenho ótimo da fenda (escudo protetor), colocada entre o anodo e o PCB. A funcionalidade Settings do COMSOL Application construído a partir de um Modelo COMSOL da galvanoplastia de uma Placa de Circuito Impresso (PCB). Embutido no aplicativo possui a capacidade de manipular diferentes números de banhos e dimensões geométricas da fenda, bem como para carregar o seu próprio projeto. Isso permite que você estude a espessura e uniformidade dos circuitos de cobre na Placa de Circuito Impresso (PCB) para parâmetros diferentes, tais como taxa de chapeamento, layout e características do banho. A aplicação também pode ser utilizado para encontrar a taxa de deposição ótima para uma uniformidade alvo, bem como encontrar o desenho ótimo da fenda (escudo protetor), colocada entre o anodo e o PCB.
  • Os efeitos de um contorno móvel na aplicação de eletrodeposição a placas de circuito. O modelo é dependente do tempo e os resultados demonstram com clareza que a boca da vala encurta devido à deposição irregular do cobre. Os efeitos de um contorno móvel na aplicação de eletrodeposição a placas de circuito. O modelo é dependente do tempo e os resultados demonstram com clareza que a boca da vala encurta devido à deposição irregular do cobre.
  • Deposição sobre uma bobina indutora que inclui o uso de uma máscara fotorresistente isolante e uma camada de difusão sobre o fotorresistente. A transferência de massa dos íons de cobre no eletrólito exerce grande impacto sobre a cinética de deposição, resultando em maiores taxas de deposição nas partes externas do padrão de deposição. Deposição sobre uma bobina indutora que inclui o uso de uma máscara fotorresistente isolante e uma camada de difusão sobre o fotorresistente. A transferência de massa dos íons de cobre no eletrólito exerce grande impacto sobre a cinética de deposição, resultando em maiores taxas de deposição nas partes externas do padrão de deposição.
  • Distribuições de corrente primária, secundária e terciária em uma célula de Hull cilíndrica em rotação. Distribuições de corrente primária, secundária e terciária em uma célula de Hull cilíndrica em rotação.

Faça da Simulação Parte de seu Fluxo de Trabalho

Como em todos os processos químicos, você pode estudar muitos dos efeitos dos seus processos de eletrodeposição em diferentes escalas, dependendo do seu objetivo. No nível da microescala, isso significa investigar a cinética eletroquímica das reações envolvidas e a influência de diferentes niveladores ou condições sobre a cinética da eletrodeposição. Nos contraeletrodos, uma seleção cuidadosa da microestrutura dos eletrocatalisadores e eletrodos pode ser necessária, em especial para a extração eletrolítica, quando é preciso minimizar as perdas. Simulando esses processos e comparando-os a experimentos ou dados do seu processo permitirá que você entenda o mecanismo da reação de transferência de carga na superfície dos eletrodos e obtenha os parâmetros cinéticos eletroquímicos, como as densidades de corrente de troca e os coeficientes de transferência de carga para cada reação. Conhecendo esses mecanismos e parâmetros, você pode simular a taxa e a distribuição da deposição ou decapagem eletroquímica em maior escala. Ao mesmo tempo, você estará levando em conta as condições operacionais do sistema, como geometria da célula e dos eletrodos, tensão elétrica ou corrente imposta da célula, mascaramento e blindagem, composição e fluxo do eletrólito, evolução gasosa e temperatura.

A interface do usuário COMSOL Desktop® padronizada, que é a base para o Electrodeposition Module, também serve para todos os outros produtos complementares na Linha de Produtos COMSOL. Isso permite que você acople a física que descreve o seu processo de eletrodeposição ou água-forte a outros módulos, como ao Heat Transfer Module, para estudar efeitos térmicos, ou ao CFD Module, para entender os efeitos do escoamento bifásico. Ademais, outras características físicas, como integridade estrutural, por exemplo, podem ser modeladas compartilhando os mesmos arquivos de modelo que você usou para modelar sua célula eletroquímica. Essa plataforma de modelagem unificada é a ferramenta perfeita para colaborar com engenheiros trabalhando no mesmo processo em diferentes campos.

Ferramentas fáceis de usar para Modelar células de Eletrodeposição e Galvanoplastia

O Electrodeposition Module vem com várias ferramentas fáceis de usar para muitas das características associadas a células eletrodeposição e galvanoplastia. Elas incluem as seguintes:

Cinética das Reações Eletroquímicas

Você pode definir reações de transferência de carga eletroquímica nas quais as expressões cinéticas podem ser funções arbitrárias das variáveis modeladas. Exemplos destas incluem concentração de espécies químicas, potencial local dos eletrodos e eletrólito na interface eletrodo-eletrólito e temperatura. Nas interfaces de Distribuição de Corrente Secundária e Terciária, você também pode inserir parâmetros para a cinética dos eletrodos, como densidade de corrente de troca, coeficientes de transferência de carga anódica e catódica, estequiometria e potencial de equilíbrio para as reações de eletrodo no seu sistema. Expressões predefinidas também são disponibilizadas para expressões de Butler-Volmer e Tafel. Ademais, você pode adicionar várias reações concorrentes em uma única superfície de eletrodo, por exemplo, adicionar evolução de hidrogênio no eletrodo galvanizado. No caso da distribuição de corrente terciária, você pode acoplar as reações de eletrodo à concentração local das espécies eletroativas nas expressões cinéticas de eletrodo usando as variáveis para a concentração. O sobrepotencial de concentração também pode ser estimado usando equações de Nernst para a contribuição do sobrepotencial de concentração.

Escoamento

Interfaces para modelar o escoamento laminar e em meios porosos também são disponibilizadas no Electrodeposition Module através das equações de Navier-Stokes, da lei de Darcy e de Brinkman. Escoamento turbulento e escoamento bifásico podem ser levados em conta acoplando-se interfaces físicas adequadas do CFD Module às suas simulações.

Camadas eletrodepositadas

O Electrodeposition Module é adicionalmente equipado com suporte para incluir os efeitos de mudanças geométricas no processo eletroquímico ao modelar contornos móveis à medida que a espessura da camada depositada cresce no cátodo. Superfícies decrescentes ou crescentes podem afetar significativamente a operação da sua célula, e o Electrodeposition Module considera dinamicamente essas mudanças como parte da sua simulação. Além disso, nos casos em que variações na camada de metal depositada ou na espessura do ânodo são pequenas, você também pode selecionar uma interface física que acompanhe a espessura da camada folheada e como isso pode influenciar em efeitos ôhmicos no eletrodo sem realmente mudar a geometria. Em vez disso, é introduzida uma variável para a espessura que também afeta a condutância elétrica local do eletrodo. As mudanças na espessura do eletrodo podem ser calculadas automaticamente a partir das expressões cinéticas do eletrodo definindo-se os coeficientes estequiométricos, a massa molar e a densidade do metal depositado ou consumido para as reações do eletrodo.

Balanço de Corrente no Eletrólito e Eletrodos

As descrições de transporte iônico no eletrólito e a condução eletrônica nos eletrodos, junto com a conservação de corrente e carga, formam a espinha dorsal do Electrodeposition Module. Nas interfaces de Distribuição de Corrente Primária e Secundária, considera-se que o transporte iônico no eletrólito ocorre através da migração de íons, desprezando a influência da difusão. Isso é útil quando a mistura no eletrólito é boa o suficiente para praticamente eliminar os gradientes de concentração. Fórmulas de distribuição de corrente secundária também podem ser usadas quando você só tiver gradientes de concentração perto da superfície dos eletrodos, usando expressões analíticas para as variações de concentração ao longo da camada de contorno na superfície dos eletrodos. Nas interfaces de Distribuição de Corrente Terciária, o transporte de íons no eletrólito é descrito usando difusão, convecção e migração (equações de Nernst-Planck). A densidade de corrente é avaliada automaticamente pelo módulo adicionando-se todas as contribuições desde o transporte de íons à densidade de corrente. Assim, a densidade de corrente é descrita pela difusão e migração de íons, o que é necessário quando variações significativas na concentração se fazem presentes no eletrólito. O balanço de corrente nos eletrodos acopla-se totalmente ao balanço de corrente no eletrólito na superfície dos eletrodos através da cinética das reações de eletrodo. A lei de Ohm descreve a condução de correntes nos eletrodos. O Electrodeposition Module também contém uma interface para modelar a transferência de corrente através de estruturas ou carcaças metálicas finas, por exemplo, para modelar a ignição no início do processo de galvanoplastia. Isso permite que você modele camadas eletrodepositadas finas sobre estruturas não condutoras junto com balanços de corrente no eletrólito levando em conta perdas ôhmicas nos eletrodos.

Transporte de Material

O Electrodeposition Module modela o transporte de espécies químicas por difusão, convecção e migração em soluções diluídas e concentradas. O módulo inclui uma interface de Equações de Nernst-Planck predefinida, mas também adiciona migração às interfaces de Transporte de Espécies Químicas em solução diluída e concentrada, bem como em meios porosos.

Transferência de Calor

Convecção, condução e aquecimento por efeito de Joule podem ser todos aplicados quando você tiver o Electrodeposition Module, que contém uma interface física específica para transferência de calor através de meios porosos. O módulo adiciona contribuições que vão desde processos eletroquímicos ao balanço térmico. Por exemplo, ele adiciona perdas devido ao sobrepotencial de ativação como fontes de calor nos contornos do eletrodo.

Decorative Plating

Copper Deposition in a Trench

Secondary Current Distribution in a Zinc Electrowinning Cell

Cyclic Voltammetry at a Macroelectrode in 1D

Electrochemical Impedance Spectroscopy

Electrodeposition of a Microconnector Bump in 2D

Rotating Cylinder Hull Cell