基于有限元的电感器线圈镀铜工艺仿真分析

試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試試

摇

第43卷摇第5期摇2014年10月

摇摇摇表面技术

SURFACETECHNOLOGY

基于有限元的电感器线圈镀铜工艺仿真分析

樊爱珍

(陕西工业职业技术学院,陕西咸阳712000)

摘摇要:目的摇优化电感器线圈电镀工艺,研究电感线圈电镀过程中电流、电解质电势和镀层厚度分布规律。方法摇采用计算机仿真技术,基于电镀动力学、电化学理论、法拉第定理和移动网格理论,建立电感线圈匝数参数化的三维电感器线圈电镀模型。结果摇电感线圈外部的铜离子浓度较高,大约为309mol/m3。电感线圈最外圈的电镀厚度最厚,约7.3141滋m。线圈外部较大的电流导致电镀线圈外侧出现较大的沉积速率。结论摇电解的铜离子的质量传递是影响电镀动力学的最主要因素,线圈电镀层厚度与电镀活性面上的电流分布相互作用。该电镀模型可用于分析线圈匝数对电镀工艺的影响,优化设计类似电镀工艺,研究电镀机理。

关键词:电镀动力学;移动网格;计算机仿真;电镀模型

中图分类号:TG153.1;TP391.9摇摇摇文献标识码:A摇摇摇文章编号:1001鄄3660(2014)05鄄0025鄄04

SimulationAnalysisofCopperElectroplatingofInductorCoilsBasedonFiniteElement

FANAi鄄zhen

(ShaanxiIndustrialVocationalCollege,Xianyang712000,China)

ABSTRACT:ObjectiveTooptimizetheelectroplatingprocessoftheinductorcoilandstudythecurrentdistribution,theelectro鄄lytepotentialandthecoatingthicknessdistributionduringtheelectroplatingprocessoftheinductorcoil.MethodsThecomputerbasedonplatingkinetics,electrochemistrytheory,Faradaytheorem,andmovingmeshmodel.ResultsTheexternalpartofinduc鄄simulationtechnologywasusedtobuildathree鄄dimensionalinductorcoilplatingmodelwithregardstoparameterizedcoilturnstorhadahighcopperconcentrationofabout309mol/m3;theoutermostplatinginductorcoilhadthehighestthicknessofaboutmasstransferofelectrolyticcopperionhasthemaineffectontheplatingkinetics.Theplatingthicknessinteractswiththecurrentdistributionontheactiveplatingsurface.Theplatingmodelcanbeusedtoanalyzetheimpactofdifferentplatingturnsontheplat鄄ingprocess,theoptimizationdesignofsimilarelectroplatingprocessandthestudyofelectroplatingmechanism.KEYWORDS:platingkinetics;movingmesh;computersimulation;platingmodel

7.3141滋m;thelargercurrentintheexternalcoilresultedinalargerplatingdepositionratefortheoutercoil.ConclusionThe

摇摇近10年来,随着新材料的迅速发展,电镀行业迎来了新的发展研究热潮[1]。电镀行业一直是中国重

收稿日期:2014鄄05鄄04;修订日期:2014鄄06鄄21Received:2014鄄05鄄04;Revised:2014鄄06鄄21基金项目:陕西省教育厅立项课题(11Z14)

Fund:ShaanxiProvinceOfficeofEducationProject(11Z14)

要的加工产业,旧的电镀工艺已经无法满足中国现代化制造加工的要求以及全世界对环境保护的迫切需

作者简介:樊爱珍(1967—),女,陕西咸阳人,硕士,副教授,主要从事力学方面的科研和教学。

Biography:FANAi鄄zhen(1967—),Female,fromXianyang,Shannxi,Master,Associateprofessor,Mainlyengagedinstudyandteachingofmechanics.

·26·

表摇面摇技摇术摇摇摇2014年10月

求,因此新工艺的开发已迫在眉睫,而新工艺的研发随着计算机仿真技术的飞速发展,以数值分析替代电镀实验,不仅能缩短产品开发周期,降低产品开发成本,而且丰富了电镀工艺优化的研究手段,给电镀行业带来了新的发展契机[5]。

在广泛应用的各类电子器件中,电感线圈等磁性

需要耗费大量人力、物力,并且会造成大量污染[2—4]。

中,采用超弹性平滑网格类型[9]。在扩散层顶部边界,设置该处电势为0V;在底部边界,阴极发生的电极反应为[10]:述如下[11]:RT))

CuSO42+(l)+2e=Cu(s)

(1)

电极动力学模型采用浓度依赖动力学模型,其描ikt=Jec(CRexp(琢aFV/RT)-cCu+/c0exp(-琢cFV/

器件是组成电子线路不可或缺的重要部件,尤其是平面线圈的微电感结构。传统的镀铜等防护工艺不能式中:Jec为交换电流密度,取值10A/m2;CR为

(2)

满足现代工业标准的要求,因此研究和探索高质量的铜镀层防护工艺具有现实意义和实用价值[6]以电子电感器线圈为研究对象,对电感器线圈镀铜过。文中程进行仿真,分析并阐明了其微米级铜电镀工艺和电镀机理,以期望对实际电感器线圈电镀工艺优化提供理论指导和借鉴。

1摇电镀模型定义

1.1摇电镀模型

摇直流电作用摇电镀工艺是基于电解原理,使得金属或者合金沉积到导电体材料表,在导电体上施加外加面而形成一层镀层。文中研究的电镀模型几何形状如图,该镀层具有不同于基体金属的性质和性能

[7]

所示。此电镀模型包括2个部分:嵌于光刻胶内部直1

径为8滋m的电镀线圈和光致抗蚀剂顶部50滋mCuSOSO厚的矩形块形式的扩散层。电解液以H24为基础,并加入一定量4,其电导率为10S/m。

图1摇电镀几何模型

Fig.1Electroplatinggeometricmodel

1.2摇电流传导和电化学反应

电解液有恒定的电导率就表示有关于电荷传递

的二次电流分布存在[8]流分布,求解电解质电势。准采用电沉积模块来模拟电l和阴极上金属沉积导致的几何变形。电流为第二电流分布,在自由变形设定

1.约化物质表达式5;琢,取值1;琢a为阳极转化系数,取值

c为阴极转化系数,取值0.5;F为法拉第常数,取值K);电解液中参考电解质铜离子的浓度T96为热力学温度485C/mol;R;为摩尔气体常数c8.13J/(mol·Cu+为电解质铜离子浓度;c0为mV,取值500mol/3;V为超电势=准式中:准准,其表达式见公式(3)。

s-l0-Eeq

(3)势,平衡势Es为初始边界电势,准l0为边界电解质电

Eeq表示为(4)式[12]。

式中eq=:EEeq0+dEeq/dT(T-T0)

;T(4)

阴极电流密度平均值设为eq0为平衡势温度导数8A/m20为参考温度。

散层电解质边界外,其余边界都是绝缘的。除阴极和顶部扩。电极反应会导致电极边界沿着其法线方向微扰动。电极边界沿法线方向的速度式中=-:Mvn为:

vnMCu+ikt/2籽Cu+F

(5)

籽Cu+为铜的摩尔质量Cu+为铜离子的密度,取值8960kg,取值/m3。

63.55g/mol;

1.3摇电解液中Cu2+传递

用菲克扩散定律描述电解液中Cu2+的运动。使用稀物质传递模块模拟Cu2+的传递,进而求解电解液中Cu2+的浓度c在顶部扩散层边界Cu+,,设置参考电解质铜离子浓度文中设置扩散系数为10-9m2。/将s。离子流量F第定律,离子流量Cu+耦合到阴极上的电化学反应F,根据法拉

FCu+表示为[13]:

在其他边界耦合的离子流量均为Cu+=ikt/2F

0,电解液的初

(6)

始铜离子密度设为500mol/m3为0,遵守质量守恒(此时模型外部边界不蓦(-:

)。外部镀层电极电流分布控制方程为[14]滓l

塄准l

)dS=i

l,average

式中:准l为电解质电势;蓦dS

(7)

滓l为电解质导电率;

第43卷摇第5期摇摇樊爱珍:基于有限元的电感器线圈镀铜工艺仿真分析

·27·

il,average是平均电流密度,取-1000A/m2。启动移动边界平滑,设置移动边界平滑调节系数为0.5,边界电势初始值为0。

1.4摇边界条件

根据电极边界沉积速率,嵌于光致抗蚀剂膜内部的8滋m电镀线圈域是允许发生变形的,而电镀扩散层域设置为固定。光致抗蚀剂竖直壁在x和y方向上作固定约束处理,而电镀线圈移动域与电镀扩散层图3摇电镀完毕后电解液中铜离子浓度和电流流线固定域之间的内部边界在z方向上作固定处理,即设置为零位移约束。

2摇有限元网格模型

对于一些边界变形域,使用指定的网格位移,而不是默认的零法向网格速度,这样模型的自由度数目会减少,从而使得求解器的计算速度得以提高[15]文中使用移动网格进行瞬态求解,电感线圈电镀有限。

元网格模型如图2所示(这是有限元数值分析,电镀是个瞬态过程,因为镀层厚度是不断变化的,所以采用移动网格)。

图2摇电感线圈电镀有限元网格模型

Fig.2Finitetion

elementmodelofaninductorcoilforelectrodeposi鄄

3摇结果与讨论

图3所示为电镀完毕后,电解液中的浓度和电流

流线。阴极的铜离子浓度为317mol/m3围其他位置的铜离子浓度。此外,阴极电感线圈外部,明显高于周的浓度略高于线圈中心的浓度。图4所示为阴极处局部电极电流。由于电感线圈周围的铜离子浓度较高,约为309mol/m3镀反应较为剧烈。这说明电解的铜离子的质量传递,因此此处的电流较大,发生的电对于电镀动力学有最主要的影响,在电镀线圈的外侧出现较大的沉积速率。

Fig.3Concentrationandelectriccurrentofcopperflow

ionintheelectrolyteafterplating

图4摇阴极处局部电极电流

Fig.4Localelectrodecurrentonthecathode

电极变形以及电镀铜层的厚度分布如图5所示。电感线圈最外圈的电镀厚度最厚,约为7.3141滋m,这与上面所述的最外圈离子密度最大和沉积速率最大相吻合。随着电镀过程的进行,由掩模构建的线圈厚度逐渐减小,这反过来又影响电镀活性面上的电流

分布。图6表示横坐标2滋m切面的电解质电势。由于电镀模型的几何模型为螺旋圈形状,因此可知整个模型的电解质电势变化较小。由图6可以看出,其最

图5摇电极变形以及电镀铜层厚度分布

Fig.5Electrodeplatinglayer

deformationandthicknessdistributionofcopper

·28·

表摇面摇技摇术摇摇

摇2014年10月

图6摇横坐标为2滋m处切面的电解质电势

Fig.6Electrolyteof2滋m

potentialonthesliceatthehorizontalordinate

大电势为2.3524伊10-3

V,V感线圈附近电势变化极小左右。

,而最小电势为基本维持在-1.05427伊10

V,并且电

-3

4摇结论

文中应用电镀动力学、电化学理论、法拉第定律、移动网格模型及应用计算机技术建立关于线圈匝数的三维电感器线圈电镀模型,模拟了微米尺度下电感器线圈铜镀过程中的铜离子浓度、镀层厚度、沉积速率。仿真结果表明部的电流也较大1)电感线圈外部铜离子浓度较高:

,这说明电解的铜离子的质量传递对,并且线圈外

电镀动力学有最主要的影响,导致电镀线圈外侧出现较大的沉积速率2)3)电感线圈最外圈的镀层最厚。

随着电镀过程的进行。

度逐渐减小,这反过来又影响电镀活性面上的电流分,由掩模构建的线圈厚

布,电解质电势的变化较小。

参考文献

[1]摇梅芳[J].,MEI表面技术弓满锋.,2013,42(3):电镀硬质氧化铝薄膜热残余应力测量

sidualFang,GONGfaceTechnology,2013,42(3):108—111.

StressofElectroplateMan鄄feng.HardMeasurement108—111.

AluminaofFilms[ThermalJ].Sur鄄Re鄄[2]摇陈羽[J].,廖树帜,蒋登辉,等.管形器件电镀的物理模拟

CHEN电镀与涂饰SimulationYu,LIAO,2005,24(11):1—4.

ofShu鄄zhi,JIANGDeng鄄hui,etal.Physical[3]摇ting易伟红and,Finishing,2005,24(11):1—4.DuctDeviceinElectroplating[J].Electropla鄄周远才.复杂铜波导的内腔镀银工艺[J].表面

技术,2012,41(5):105—107.

YIlectroplatingWei鄄hong,ZHOUofComplicatedYuan鄄cai.CopperTheTechnologyWaveguide忆ofSilversCavityE鄄[4]摇[J].刘志东SurfaceTechnology,2012,41(5):105—107.

度场数值,陈勇模拟,朱军及其,等性.能45研钢喷射电镀究[J].应用Ni激层激光重熔温

光,2007,27(2):104—108.

LIUTemperatureZhi鄄dong,CHENYong,ZHUJun,etLaseron45RemeltedFieldSteel[J].Ni鄄coatingNumericalAppliedLaser,2007,27(2):104—108.OrientedSimulationbyandal.JetPerformanceResearchonElectroformingof[5]摇陈贵清究[J].,热加工工艺陈小刚.冷硬铸铁活塞杆电镀硬铬工艺生产研

,2013,42(12):141—143.

CHENHardPistonChromiumGui鄄qing,Rod[J].HotPlatingCHENWorkingTechnologyXiao鄄gang.Technology,2013,42forProductionChilledCastStudy(12):

Ironof[6]摇141—143.

熊崑极化的研究,杜重麟[J].,陈阵表面技术,等.Sn鄄Zn鄄La鄄CeO,2012,41(1):9—12.2复合电沉积阴极

XIONGthodicingProcess[J].PolarizationKun,DUChong鄄lin,CHENSurfaceofSn鄄Zn鄄La鄄CeOZhen,etTechnology,2012,41(1):9—12.

Compositeal.StudyElectro鄄plat鄄onCa鄄2[7]摇李荻社,2008.

.电化学原理[M].北京:北京航空航天大学出版

LIDi.PrinciplesofElectrochemistry[M].Beijing:[8]摇University王伟伟学行为研究,孙腾Press,2008.

Beihang[J].,侯健装备环境工程.5083铝合金在模拟淡海水中的电化

,2012,9(1):10—12,45.WANGchemicalWei鄄wei,SimulatingCorrosionSUNTeng,HOUJian.StudyonElectro鄄Engineering,2012,9(1):10—12,45.

DilutedSeawater[BehaviorJ].of5083EquipmentAluminumEnvironmentalAlloyin[9]摇段远富[J].,高四,张伟,DUAN装备环境工程等.纳米碳孔金属化直接电镀技术

TechnologyYuan鄄fu,GAO,2013,10(1):114—117.mentalEngineering,2013,10(1):114—117.

forPTHNano鄄carbon[Si,ZHANGWei,etJ].Equipmental.DirectEnviron鄄Plating[10]屠振密艺的研究进展,胡会利[J].,侯峰岩表面技术.三价铬电沉积铬基二元合金工

,2012,41(6):91—95.TUumZhen鄄mi,HUHui鄄li,HOUFeng鄄yan.ReviewlentBinaryChromiumAlloyElectrodepositionTechnologiesfromofChromi鄄Triva鄄(6):91—95.

Baths[J].SurfaceTechnology,2012,41[11]张英杰学分析,[J].范云鹰有色金属,杨显万,2004,56(3):18—20.

,等.电沉积Zn鄄Fe合金的热力

ZHANGYing鄄jie,ofFANElectrodepositedYun鄄ying,YANGMetalBasedXian鄄wan,Composite

etal.Coatings[J].CurrentStatusNonferrousMetals,2004,56(3):18—13.

(下转第65页)

第43卷摇第5期摇摇李炎等:无磨料复合清洗剂对铜膜表面腐蚀缺陷的控制

·65·

[2]摇WEIZ,XINCL,YUHL.InhibitorsforOrganicPhospho鄄

SurfaceScience,2009,255:4114—4118.

106004鄄4.

Surface[J].JournalofSemiconductors,2010,31(10):NewTypeTi鄄CuCompositePipeinFlowingSeawater[J].[10]陈翔峰,穆振军,许春生,等.铜及铜合金在厦门海域实

1—3.

EquipmentEnvironmentalEngineering,2012,9(4):1—3.

nicAcidSystemAbrasiveFreePolishingofCu[J].Applied

海暴露腐蚀规律研究[J].装备环境工程,2013,10(2):CHENXF,MUZJ,XUCS,etal.CorrosionRuleofCop鄄perandItsAlloyExposedinXiamenNaturalSeawater[J].EquipmentEnvironmentalEngineering,2013,10(2):1—3.

[3]摇YANGJC,OHDW,LEEGW.StepHeightRemovalMecha鄄

nano鄄surfaceFinish[J].Wear,2010,268(3/4):505—510.

nismofChemicalMechanicalPlanarization(CMP)forSub鄄

[4]摇黄俊学,张晖,杨锦瑜.绿色环保型BFe10鄄1鄄1铁白铜化

学机械抛光工艺研究[J].表面技术,2011,40(5):80—HUANGJX,ZHANGH,YANGJY.Environment鄄friendlyChemicalPolishingTechnologyofBFe10鄄1鄄1CopperAlloy[5]摇王吉翠,邓乾发,周兆忠,等.蓝宝石晶片机械化学研磨

抛光新方法研究[J].表面技术,2011,40(5):101—104.WANGJi鄄cui,DENGQian鄄fa,ZHOUZhao鄄zhong,etal.TheStudyontheMethodofMechano鄄chemicalPolishingabout2011,40(5):101—104.

theGrindingPolishingofSapphire[J].SurfaceTechnology,[J].SurfaceTechnology,2011,40(5):80—84.84.

[11]NGD,KULKARNIM,JOHNSONJ.OxidationandRemoval

[J].Wear,2007,263:1477—1483.

MechanismsDuringChemical鄄MechanicalPlanarization

[12]KRISTINGS,JENGYL,PAULAC,etal.Characterization

ofPhosphateElectrolytesforUseinCuElectrochemicalMe鄄chanicalPlanarization[J].ElectrochemicalActa,2008,53:

[13]LIY,LIUYL,NIUXH,etal.ApplicationofaMacromo鄄

8211—8216.

lecularChelatingAgentinChemicalMechanicalPolishing

ofCopperFilmundertheConditionofLowPressureand2014,35(1):016001鄄5.

LowAbrasiveConcentration[J].JournalofSemiconductors,

[6]摇彭进,夏琳,邹文俊.化学机械抛光液的发展现状与研究

方向[J].表面技术,2012,41(4):95—99.

PENGJ,XIAL,ZOUWJ.ResearchStatusandProspectoflogy,2012,41(4):95—99.

[14]LIY,SUNM,NIUXH,etal.RemovalofResidualCuO

ParticlesonthePostCMPWaferSurfaceofMulti鄄layeredCopper[J].JournalofSemiconductors,2014,35(4):

ChemicalMechanicalPolishingSlurry[J].SurfaceTechno鄄[7]摇OHS,SEOKJ.AnIntegratedMaterialRemovalModelfor

Processes[J].Wear,2009,266(7/8):839—849.

[15]田晓东,王利捷,郑文鹏.TC4钛合金表面辉光离子渗

Mo渗S复合处理涂层的组织和摩擦学性能[J].表面技术,2013,42(2):4—6.

TIANXD,WANGLJ,ZHENGWP.MicrostructureandTribologicalPropertiesofCoatingsPreparedbyGlowPlasmaDepositionMoandSonTC4TitaniumAlloy[J].Surface[16]陈辉,胡元中,王慧,等.粗糙表面分形特征的模拟及表

征[J].机械工程学报,2006,42(9):219—223.

CHENH,HUYZ,WANGH,etal.SimulationandCharac鄄MechanicalEngineering,2006,42(9):219—223.Technology,2013,42(2):4—6.

046001鄄5.

SiliconDioxideLayersinChemicalMechanicalPolishing

[8]摇CHRISTOPHERMS,DIPANKARR.ElectrochemicalCha鄄

racterizationofSurfaceComplexesFormedonCuandTainSuccinicAcidBasedSolutionsUsedforChemicalMechani鄄2583—2595.

calPlanarization[J].AppliedSurfaceScience,2010,256:

[9]摇韩东锐,王戈,贾思洋,等.新型钛铜复合管在流动海水

中的腐蚀行为[J].装备环境工程,2012,9(4):1—3.HANDR,WANGG,JIASY,etal.CorrosionBehaviorof

terizationofFractalRoughSurface[J].ChineseJournalof

蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫蕫(上接第28页)

2000.

[12]姜晓霞,沈伟.化学镀[M].北京:国防工业出版社,

JIANGXiao鄄xia,SHENWei.ChemicalPlating[M].Bei鄄jing:NationalDefenseIndustryPress,2000.

[14]裴芳.基于计算机仿真技术掩膜圆晶片的电镀工艺模拟

[J].热加工工艺,2013,42(18):119—121.

PEIFang.SimulationofElectroplatingProcessonPatternedSiliconWaferBasedonComputerSimulationTechnique[15]刘太权.电镀层均匀性的数值模拟及验证[J].电镀与环

保,2010,30(2):11—13.

LIUTai鄄quan.NumericalSimulationandVerificationonthePollutionControl,2010,30(2):11—13.

[J].HotWorkingTechnology,2013,42(18):119—121.

[13]冯书谊,周勇,周志敏,等.平面磁芯螺旋结构微电感的

性能研究[J].电子元件与材料,2009,28(2);48—50.FENGShu鄄yi,ZHOUYong,ZHOUZhi鄄min.StudyonPro鄄pertyofPlanarSpiralStructureMicroinductorwithMagneticCore[J].ElectronicComponentsandMaterials,2009,28(2):48—50.

UniformityofElectroplatedCoating[J].Electroplating&