A Simulative Study on Copper Electrodeposition with Jet Electroplating Devices

本研究利用COMSOL Multiphysics 5.3 有限元素法(FEM)結合電沉積(二級電流分佈)與流體流動兩種模組。假設流體為層流且電鍍槽內之濃度均一。模擬中以噴流電鍍裝置假設流體由水管上14個小孔進行噴流，流體碰到斜擋板再濺鍍至鈦板上形成電鍍銅沉積。根據電化學之電鍍銅沉積厚度與數值模擬的計算，探討在不同條件下，像是改變流體流速((0.24~2m)⁄(s))、電流密度((10~60A)⁄(dm^2))、電荷轉移係數(0.3~0.7)、以及時間(60~300s⁡)等條件如何影響銅沉積厚度與其均勻性，以及因為受到尖端效應的影響在邊緣處形成的銅沉積厚度變化。 根據本研究結果表示，當電鍍液中的銅離子濃度充足下，銅沉積厚度主要受到電流密度影響，與流體流速的關係較小。The study used COMSOL Multiphysics 5.3 finite element method (FEM) combined with electrodeposition (Secondary Current Distribution) and fluid flow. Assumed that the fluid was laminar, copper ions was adequate and uniform concentration at plating bath. Using jet plating devices to simulate fluid flow from the pipe with 14 small holes, the fluid hit the tilting board and then sprayed onto the Ti plate for electroplating copper deposition. According to the calculation of copper electrodeposition and numerical simulation, it was analyzed how to affecting the coating thickness and uniformity of copper electrodeposition, such as changing the fluid flow rate((0.24~2m)⁄(s)), current density((10~60A)⁄(dm^2)), charge transfer coefficient(0.3~0.7), and time(60~300s⁡), also discussed the thickness of the copper electrodeposition at the edge due to the Terminal effect. And according to the results of this study, the thickness of the copper electrodeposition was mainly affected by the current density.目錄 摘要 i Abstract ii 目錄 iii 圖目錄 vi 表目錄 vii 符號表 viii 第一章 緒論 1 第二章 文獻回顧 3 2-1 PCB(Printed Circuit Board)印刷電路板介紹[1, 2] 3 2-1-1 銅製程技術介紹[3, 4] 4 2-1-2 電鍍的品質與管理[5] 4 2-1-3 銅箔基板(Copper Clad Laminate )的簡介與應用[12] 5 2-2 電鍍銅沉積模式[12] 5 2-3 基礎電化學原理[13-19] 6 2-3-1 電流密度分佈(Current density distribution)[8, 17, 18] 6 2-3-2 電化學中質量傳送之類型 7 2-3-3 極化現象(Polarization) 8 2-3-4 Butler-Volmer方程式 9 2-3-5 電極反應動力學 10 2-3-6 Tafel公式 14 2-4 COMSOL軟體簡介與常見數值方法分析 15 2-4-1 COMSOL Multiphysics模擬軟體簡介[20, 21] 15 2-4-2 有限元素分析法(Finite Element Method) [22, 23] 16 2-4-3 有限差分法(Finite Difference Method) [22, 23] 17 2-4-4 有限體積法(Fintite Volume Method) [22, 23] 18 第三章 系統模型 19 3-1 研究內容與設計方法 19 3-2 統御方程式[24-28] 19 3-2-1 Laminar flow 19 3-2-2 Secondary Current Distribution 21 3-3 幾何空間設定 24 3-4 COMSOL Multiphysics模擬步驟 31 3-4-1 單向流-層流模組設置 31 3-4-2 新增二級電流分佈電沉積模組 34 3-4-3 耦合兩項模組 36 3-4-4 參數掃描計算 36 3-5 參數設定 37 3-6 操作過程遇到的問題與解決方法 38 3-6-1 牛頓疊代法無法收斂 38 3-6-2 網格新增失敗 38 3-6-3 求解器運算產生問題 38 第四章 研究結果分析與討論 39 4-1 模擬結果中測量銅沉積厚度方法 39 4-1-1 測量銅沉積厚度方法一[29, 30] 39 4-1-2 測量銅沉積厚度方法二 39 4-2 流體流速與銅沉積厚度的關係 41 4-3 電流密度對銅沉積厚度的影響 46 4-3-1 電流密度與銅沉積厚度的關係 46 4-3-2 以MATLAB繪製3D圖形呈現銅沉積厚度 48 4-3-3 電流密度與銅沉積厚度均勻性的關係 49 4-3-4 尖端效應(Terminal Effect)對電鍍銅沉積均勻性的影響 50 4-4 不同時間下電流密度與銅沉積厚度的關係 51 4-5 電荷轉移係數(α)銅沉積厚度的影響 53 4-6 電解槽中電位與電流密度流線分佈情形 54 4-5-1 電位分布情形 54 4-5-2 電流密度流線分布情形 55 第五章 結論 56 參考文獻 5