基于有限元方法的电铸镍印版均匀性研究
发布时间：2021-07-27 00:08
本文应用计算和生产效果验证相结合的方法,研究了几何因素中的辅助阳极、绝缘隔板和电化学因素中的电铸主槽回液管出口流速对电铸镍版均匀性的影响。通过计算分析阳极板尺寸、阳极板间距、阳极板数量对电铸镍版均匀性的影响,分别提出了相应的改进方案:针对辅助阳极提出将原本一块整体的电铸镍版阳极板分解成5个独立的小阳极板,小阳极板尺寸为100X 1100mm,板间距为100mm。此项改进方案使镍版厚度均方差从447μm降到409μm,降低了 8.5%,镍版厚度极差从1419μm降到了 1323μm,阳极总重量下降了 54.2%。针对绝缘隔板提出将绝缘隔板中心开方孔四周开7列不同尺寸辅助圆孔。此项改进方案使镍版厚度均方差从409μm降到27μm,降低了 93.4%,镍版厚度极差从1323μm降到108μm。针对主槽回液管出口流速提出将回液管出口孔径设为从16mm到6mm差值为1的等差递减数列,孔间距设为从2mm到20mm差值为2的等差递增数列。此项改进方案使镍版厚度均方差从27μm降到16μm,降低了 40.7%,镍版厚度极差从108μm降到74μm。本项目通过对添加辅助阳极、阴极与阳极间添加绝缘隔板、调...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１电铸原理示意图??Ｆｉｇ．?２－１?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｍｉｎｇ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ??
?北京化工大学硕士学位论文???阴极表面区域??／?丁生长??阴／?ｙ?铸??极７棚个电子?液??／」＾?Ｉ转移??／?？???姚?—移??图２－２电铸阴极镍沉积过程示意图??Ｆｉｇ．?２－２?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｍｉｎｇ?Ｃａｔｈｏｄｅ?Ｎｉｃｋｅｌ?Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ?Ｐｒｏｃｅｓｓ??在电铸镍阴极沉积过程中，电源电压、电极电位、阴极表面双电层、阴极电流密??度、镍晶体形成动力学、电铸液层传质动力学、电铸液成分、电铸液温度等因素都会??影响阴极镍沉积过程。??２．１．２电铸镍基本定律??电解定律原名为法拉第定律。法拉第定律是由第一定律和第二定律所组成［３９］。??（１）法拉第第一定律。当电流流过电铸液时，电沉淀在阴极（芯模）上的金属??的质量ｗ与流过电铸液的总电量ｑ成比例。??ｍ?＝?ｋＱ?＝?ｋｉｔ?＝?ｋＪＳｔ???（２－１）??式中：??ｍ?一电极上析出的物质质量（ｇ）；??Ｑ?一通过电解液的电荷量（Ｃ）；??ｋ?一元素的质量电化学当量（ｇ／Ｃ）；??Ｉ?一通过电解槽的电流强度（Ａ）；??ｔ?—通电时间（ｓ）；??Ｊ?一电流密度（Ａ／ｍ２）；??Ｓ?—截面面积（ｍ２）。??（２）法拉第第二定律。当电流流过电铸液时，任何物质在阴极上沉淀ｌｍｏｌ当量??所需的电量都是相同的，这不是由物质自身特性所决定的。因此，在电极芯模处沉淀??ｌｍｏｌ当量材料所需的电子量称为法拉第常数，用Ｆ表示。??Ｆ?ｗ?９６４８５（?Ａｓ／?ｍｏｌ，?Ｃ?／?ｍｏｌ）?？?１６０８．３（?Ａ?？?ｍｉｎ／?ｍｏｌ）??可见：??电铸过程中，在阴极上析出任何物质的质量与通过
?第二章电铸镍版生产设备及生产工艺???式中：??￡?一被测电极的平衡电极电位（Ｖ）；??一气体状态常量（Ｊ／?（Ｋ－ｍｏｌ））；??ｒ?一绝对温度（Ｋ）；??Ｆ?—法拉第常数（Ｃ／ｍｏｌ）；??—镍离子在溶液中活度。??当电铸液温度为２９８．１５Ｋ时，７＼?／？、Ｆ均为常数，艮Ｐ：??Ｅ?？?—０．２５?＋?０．０３?Ｉｎ?ａ???（２－１５）??有电流从阴极上流过时，阴极的平衡状态会被打破，阴极电位会发生负向偏移，??这种情形被称作电极极化［４２］。??在电铸镍过程中，电子在阴极堆积的足够多使得阴极电位达到镍沉淀的电位时，??阴极会发生镍电沉积。在电化学极化环境下，电铸层具有结构紧凑、表面光滑的特点。??浓差极化环境中电铸，电铸层具有疏松多孔或海绵状镀层等特点。电铸镍板主要用于??凹版印刷，所以电铸镍版是在电化学极化环境下电铸的。??２．２电铸镍生产设备及生产工艺??２．２．１电铸镍版生产设备??电铸生产设备。电铸生产设备是电铸镍版的主要加工工具，其集成了电铸电源、??电铸主槽、电铸辅槽、电铸循环过滤装置、电铸液温控装置、电铸液循环系统等设备。??电铸镍版是在电铸主槽中进行电铸生产的。电铸镍生产设备见图２－４。??图２－４电铸镍生产设备??Ｆｉｇ．?２－４?Ｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｍｉｎｇ?Ｎｉｃｋｅｌ?Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ??１５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]屏蔽挡板对电铸微模芯厚度均匀性的影响[J]. 马鑫,蒋炳炎,陈中原,吕辉,Stefan Kirchberg. 电镀与环保. 2014(05)
[2]微电铸层均匀性的影响研究[J]. 王星星,雷卫宁,姜博. 电镀与环保. 2010(04)
[3]电镀层均匀性的Ansys模拟与优化[J]. 董久超,王磊,汤俊,刘瑞,汪红,戴旭涵. 新技术新工艺. 2008(11)
[4]MEMS微结构电沉积层均匀性的有限元模拟[J]. 汤俊,汪红,刘瑞,毛胜平,李雪萍,王志民,丁桂甫. 微细加工技术. 2008(05)
[5]掩模电镀镍微结构的镀层均匀性研究[J]. 李加东,吴一辉,张平,宣明,刘永顺,王淑荣. 光学精密工程. 2008(03)
[6]微细电铸电流密度的有限元分析[J]. 李国锋,王翔,何冀军,朱学林,黄文浩. 微细加工技术. 2007(06)
[7]微电铸器件铸层均匀性的研究[J]. 杜立群,刘海军,秦江,朱神渺. 光学精密工程. 2007(01)
[8]微电铸技术及其工艺优化进展研究[J]. 李冠男,黄成军,罗磊,郭旻,于中尧,于军. 微细加工技术. 2006(06)
[9]我国电铸技术的研究进展[J]. 胡美些,王宁. 电镀与涂饰. 2006(11)
[10]无背板生长工艺微电铸均匀性的实验研究[J]. 刘海军,杜立群,秦江,朱神渺. 传感技术学报. 2006(05)
硕士论文
[1]微透镜阵列模芯的电铸厚度均匀性研究[D]. 马鑫.中南大学 2013
[2]微电铸的工艺技术研究[D]. 聂时振.中国科学技术大学 2009
[3]有限元仿真分析中载荷施加技术及其在低压断路器开发中的应用[D]. 林小夏.浙江大学 2007
本文编号：3304651
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１电铸原理示意图??Ｆｉｇ．?２－１?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｍｉｎｇ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ??
?北京化工大学硕士学位论文???阴极表面区域??／?丁生长??阴／?ｙ?铸??极７棚个电子?液??／」＾?Ｉ转移??／?？???姚?—移??图２－２电铸阴极镍沉积过程示意图??Ｆｉｇ．?２－２?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｍｉｎｇ?Ｃａｔｈｏｄｅ?Ｎｉｃｋｅｌ?Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ?Ｐｒｏｃｅｓｓ??在电铸镍阴极沉积过程中，电源电压、电极电位、阴极表面双电层、阴极电流密??度、镍晶体形成动力学、电铸液层传质动力学、电铸液成分、电铸液温度等因素都会??影响阴极镍沉积过程。??２．１．２电铸镍基本定律??电解定律原名为法拉第定律。法拉第定律是由第一定律和第二定律所组成［３９］。??（１）法拉第第一定律。当电流流过电铸液时，电沉淀在阴极（芯模）上的金属??的质量ｗ与流过电铸液的总电量ｑ成比例。??ｍ?＝?ｋＱ?＝?ｋｉｔ?＝?ｋＪＳｔ???（２－１）??式中：??ｍ?一电极上析出的物质质量（ｇ）；??Ｑ?一通过电解液的电荷量（Ｃ）；??ｋ?一元素的质量电化学当量（ｇ／Ｃ）；??Ｉ?一通过电解槽的电流强度（Ａ）；??ｔ?—通电时间（ｓ）；??Ｊ?一电流密度（Ａ／ｍ２）；??Ｓ?—截面面积（ｍ２）。??（２）法拉第第二定律。当电流流过电铸液时，任何物质在阴极上沉淀ｌｍｏｌ当量??所需的电量都是相同的，这不是由物质自身特性所决定的。因此，在电极芯模处沉淀??ｌｍｏｌ当量材料所需的电子量称为法拉第常数，用Ｆ表示。??Ｆ?ｗ?９６４８５（?Ａｓ／?ｍｏｌ，?Ｃ?／?ｍｏｌ）?？?１６０８．３（?Ａ?？?ｍｉｎ／?ｍｏｌ）??可见：??电铸过程中，在阴极上析出任何物质的质量与通过
?第二章电铸镍版生产设备及生产工艺???式中：??￡?一被测电极的平衡电极电位（Ｖ）；??一气体状态常量（Ｊ／?（Ｋ－ｍｏｌ））；??ｒ?一绝对温度（Ｋ）；??Ｆ?—法拉第常数（Ｃ／ｍｏｌ）；??—镍离子在溶液中活度。??当电铸液温度为２９８．１５Ｋ时，７＼?／？、Ｆ均为常数，艮Ｐ：??Ｅ?？?—０．２５?＋?０．０３?Ｉｎ?ａ???（２－１５）??有电流从阴极上流过时，阴极的平衡状态会被打破，阴极电位会发生负向偏移，??这种情形被称作电极极化［４２］。??在电铸镍过程中，电子在阴极堆积的足够多使得阴极电位达到镍沉淀的电位时，??阴极会发生镍电沉积。在电化学极化环境下，电铸层具有结构紧凑、表面光滑的特点。??浓差极化环境中电铸，电铸层具有疏松多孔或海绵状镀层等特点。电铸镍板主要用于??凹版印刷，所以电铸镍版是在电化学极化环境下电铸的。??２．２电铸镍生产设备及生产工艺??２．２．１电铸镍版生产设备??电铸生产设备。电铸生产设备是电铸镍版的主要加工工具，其集成了电铸电源、??电铸主槽、电铸辅槽、电铸循环过滤装置、电铸液温控装置、电铸液循环系统等设备。??电铸镍版是在电铸主槽中进行电铸生产的。电铸镍生产设备见图２－４。??图２－４电铸镍生产设备??Ｆｉｇ．?２－４?Ｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｍｉｎｇ?Ｎｉｃｋｅｌ?Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ??１５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]屏蔽挡板对电铸微模芯厚度均匀性的影响[J]. 马鑫,蒋炳炎,陈中原,吕辉,Stefan Kirchberg. 电镀与环保. 2014(05)
[2]微电铸层均匀性的影响研究[J]. 王星星,雷卫宁,姜博. 电镀与环保. 2010(04)
[3]电镀层均匀性的Ansys模拟与优化[J]. 董久超,王磊,汤俊,刘瑞,汪红,戴旭涵. 新技术新工艺. 2008(11)
[4]MEMS微结构电沉积层均匀性的有限元模拟[J]. 汤俊,汪红,刘瑞,毛胜平,李雪萍,王志民,丁桂甫. 微细加工技术. 2008(05)
[5]掩模电镀镍微结构的镀层均匀性研究[J]. 李加东,吴一辉,张平,宣明,刘永顺,王淑荣. 光学精密工程. 2008(03)
[6]微细电铸电流密度的有限元分析[J]. 李国锋,王翔,何冀军,朱学林,黄文浩. 微细加工技术. 2007(06)
[7]微电铸器件铸层均匀性的研究[J]. 杜立群,刘海军,秦江,朱神渺. 光学精密工程. 2007(01)
[8]微电铸技术及其工艺优化进展研究[J]. 李冠男,黄成军,罗磊,郭旻,于中尧,于军. 微细加工技术. 2006(06)
[9]我国电铸技术的研究进展[J]. 胡美些,王宁. 电镀与涂饰. 2006(11)
[10]无背板生长工艺微电铸均匀性的实验研究[J]. 刘海军,杜立群,秦江,朱神渺. 传感技术学报. 2006(05)
硕士论文
[1]微透镜阵列模芯的电铸厚度均匀性研究[D]. 马鑫.中南大学 2013
[2]微电铸的工艺技术研究[D]. 聂时振.中国科学技术大学 2009
[3]有限元仿真分析中载荷施加技术及其在低压断路器开发中的应用[D]. 林小夏.浙江大学 2007
本文编号：3304651
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