任意拆開一套現代電子產品，我們基本上都會看到印刷電路板（printed circuit board，簡稱 PCB）的身影。仔細觀察這個常見的組件，你可以看到它表面上布設了很多條銅線。這些導線可以利用電沉積工藝進行印制，因為這項工藝能夠通過電化學反應改變器件表面。為了提高面向電路板制造的電沉積技術，工程師可以借助數值建模。

利用電沉積制造印刷電路板

簡而言之，電沉積是一種使用其他材料給基底上涂層的電化學過程。這種工藝兼具裝飾功能和實用功能，可用于各種不同領域，如電子、采礦和納米技術。電鍍屬于電沉積的一種，主要用途是電路板制造。

PCB 通常由一層或多層銅制成，這些銅沉積在非導電基底之上或之間。銅層被分割成導線或在 PCB 中傳輸信號的走線。在印制這些圖形線路時，工程師會將銅電鍍到電路板上的微腔中。

PCB 實例。圖片來自 AB Open。在 CC BY 2.0 許可下使用，通過 Flickr Creative Commons 分享。

利用電鍍工藝制造 PCB 需要克服許多難題。舉例來說，如果 PCB 表面的鍍銅速率發(fā)生變化，可能會導致性能問題甚至是設備故障。為了找到并消除電鍍過程中的問題，工程師可以使用 COMSOL Multiphysics? 軟件和附加的“電鍍模塊”。

分析電路板溝槽中銅的電化學沉積過程

本文的示例模擬了帶細小溝槽或微腔的電路板上的銅電化學沉積過程。在恒電位控制下的實驗室電池充當了電鍍電池，陽極與陰極相互靠近。沉積發(fā)生后，陰極和陽極的邊界開始移動，因此仿真本質上依賴于時間。另外，陰極表面的鍍銅沉積速率是不均勻的。

此模型是電沉積的基準模型，它充分說明了 COMSOL? 軟件在求解涉及變形幾何的電化學問題方面的強大能力。此例使用變形幾何分析了電鍍過程及空腔對電鍍結果的影響。通過使用變形幾何，工程師能夠研究在電鍍過程中陰極邊界的生長過程。

銅沉積的幾何模型。垂直的壁表示主電極的圖案，壁為絕緣體。

要求解此問題，工程師可以使用內置的任意拉格朗日-歐拉（ALE）方法，該方法可以根據底層物理場預測物體的變形或位移。借助 ALE 方法，工程師能夠正確地研究高精度電沉積模型中的沉積物形狀。

如果您想了解更多有關模型設置的信息，包括 E. Mattsson 和 J.O’M. Bockris 創(chuàng)造的基礎模型，請查看此處的模型文檔。

銅電化學沉積過程的仿真結果

下面，我們查看 5 秒鐘之后銅的沉積過程。此時，整個電池中的銅離子濃度差異巨大。這些差異最終可能導致電池內產生自由對流，不過基準模型沒有考慮這一點。我們可以看到溝槽出口開始變窄，這是由于銅沉積厚度不均勻而導致的。

銅離子濃度、等電位線、電流密度流線以及陰極和陽極位移。模型沿電池中間的垂直線呈軸對稱。這是個好現象，因為結果不對稱說明網格分辨率較差。

下方結果表明，隨時間推移，溝槽頂端持續(xù)變窄。這會破壞沉積質量，因為被捕獲的電解質可能導致電路板組件遭受腐蝕。

圖片顯示銅材料隨時間的沉積過程。圖片也突出演示了用于求解此示例的移動網格。

下一張圖研究了垂直陰極表面上的沉積層厚度。這張繪圖從另一個角度展示了不均勻沉積發(fā)生的過程。根本原因在于電流密度分布不均勻，另外，沿腔深度的銅離子不斷被消耗，從而加劇不均勻分布。

沿垂直陰極邊界的沉積層厚度。圖中的每條線表示在 0.4~4.4 秒范圍每 0.4 秒的增量。

如果需要的話，工程師可以將 ALE 法更換為水平集方法，從而延長這項分析的研究時間，如鏈接案例所示。這樣，我們就可以分析微腔形成之后 的沉積過程，因為水平集方法能夠研究拓撲變化。擴展分析表明，不均勻沉積導致形成具有潛在危害的空腔或空隙。與上一輪的 ALE 結果一樣，銅離子濃度也顯示出了明顯變化。

沉積發(fā)生了 20 秒后，水平集變量為 0.5 的等值線對應的電解質電位（上）和銅離子濃度（下）。

總而言之，上述結果表明，目前的設計可能會損害沉積層的質量，導致腐蝕和材料浪費。通過數值建模確定這些潛在問題后，工程師就找到了改進設計的突破口……

仿真助力優(yōu)化銅電化學沉積工藝

借助類似的模型，工程師可以準確地分析電沉積過程，并測試不同的操作參數、施加電位和沉積表面的幾何形狀。通過這種方式，他們可以找到最優(yōu)的電沉積參數，提高沉積層的均勻性，從而制造出高質量的產品。

本文中的模型可用作實現這些目標的起點模型。工程師可以根據具體需求來改造此基礎模型，例如引入其他離子的影響和測試更多不同的復雜幾何。

作者： Caty Fairclough 

來源：COMSOL