CN110795881B - 一种基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法，涉及异型坯结晶器电镀技术领域，利用有限元分析软件对结晶器铜板电镀时不设置遮蔽板和设置遮蔽板两种工况下结晶器铜板表面的电势分布的情况进行模拟，分析结晶器铜板镀层均匀性差的原因；并分析了电镀过程中在结晶器铜板和阳极之间设置遮蔽板有利于改善结晶器铜板表面电势分布的原理，分析获得遮蔽板有利于结晶器铜板镀层均匀性的最佳遮蔽位置，分析模拟结果与实际生产有效结合，在结晶器铜板电镀的实际应用中取得了较好的使用效果。

Description

一种基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法

技术领域

本发明涉及异型坯结晶器电镀技术领域，具体涉及一种基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法。

背景技术

异型坯结晶器是连铸生产的关键部件，随着连铸技术的发展，对结晶器铜板的要求也就越来越高，在结晶器铜板表面附着一层耐磨镀层是提高结晶器铜板使用寿命的必要手段。

现有技术中，异型坯结晶器铜板的工作面是一种比较典型的不规则表面，如附图1所示，在电镀过程中凸面会沉积较多的镀层，使得凹面处的沉积十分困难，镀层稀薄。实际生产过程中，由于尖端部位易聚集电子的原因，在初始电镀时就造成了凸面边界部位和凹面部位沉积速度差距过大，这种速差随着电镀过程的持续会越来越大。业内普遍采用增加辅助阳极的方法，单独针对凹面部位进行电镀，这种方法耗费时间比较长，效果也不十分理想。

结晶器铜板镀层不均匀主要表现为凹面和凸面镀层厚度差距过大，一般情况下通过添加辅助阳极确实可以在一定程度上缓解凹面镀不上的情况，但是这也会加剧凸面电势的升高；由于凸面电镀速率远远高于凹面，在这两个部位会形成比较大的浓度梯度，导致凸面会源源不断的抢夺凹面周围的金属离子，因此抑制凸面的电镀速率才是解决问题的关键。现有技术已公开了通过引入遮蔽板实现在电镀过程中稀释电力线、抑制过多电流的作用，使得电镀产品的电镀品质合乎电镀公差范围的要求，例如专利CN201220154415.0公开的浮动式阴极遮板，通过以侧板，以及配合由侧板延伸，具有长孔的两斜板，构成浮动式阴极遮板，使电路板在电镀时，达到限制过多电流的作用，提升电路板的电镀品质；又如专利CN200920211843.0公开的带有遮蔽装置的电镀槽，通过在电镀槽中增设遮蔽装置，利用遮蔽槽的槽壁上开设的通孔或通槽来调节电镀液中的电力线密度，提高PCB板表面镀层厚度的均匀性。

但是现有技术中缺乏将遮蔽板应用于异型坯结晶器电镀，提升电镀品质的方案，并且也没有技术人员对遮蔽板应用于异型坯结晶器电镀的过程进行理论分析进而进行遮蔽板结构设计，没有通过仿真的方式获得过遮蔽板应用时有利于获得异型坯结晶器均匀镀层的最佳遮蔽位置。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法，验证了遮蔽板对于结晶器铜板镀层的均匀性的作用，并且通过仿真对电镀过程的预测，获取遮蔽板应用于实际生产时有利于结晶器镀层均匀的最佳遮蔽位置。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法，包括如下步骤：

1)根据实物测绘，分别建立有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型和无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型；所述有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型包括结晶器铜板、电镀槽、电镀液相、阳极和遮蔽板，所述无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型包括结晶器铜板、电镀槽、电镀液相和阳极；

2)将建立的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型和无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型分别导入comsol软件进行简化预处理，选定各模型的研究对象，并在研究对象周圈构建电镀液相；

3)预处理后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型、无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型均依次进行流场模拟、浓度场模拟和电场模拟，其中，流场模拟的结果作为载体进行浓度场模拟，浓度场模拟的结果作为电场模拟的初始值，电场模拟的结果为在设定电压下结晶器铜板表面的电势分布；

4)比较分析有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟下结晶器铜板表面的电势分布和无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟下结晶器铜板表面的电势分布；

5)根据有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟下结晶器铜板表面的电势分布调整遮蔽板的遮蔽位置，根据不同遮蔽位置下获得的结晶器铜板表面电势分布，获取遮蔽板安装的最佳遮蔽位置。

进一步的，所述步骤3)中流场模拟的具体过程为：分别对预处理后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型、无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型进行网格划分，网格划分后均选择SST湍流模型进行流场模拟，设置流域、固计算域的相关材料属性，设置边界条件、电镀液相的初始速度，设置重力效应，计算并获取对应数学模型流场中指定时间段内电镀液相的速度和压力数据。

进一步的，所述步骤3)中浓度场模拟的具体过程为：分别对流场模拟后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型、无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型设置求解时间、设置流域内阳极金属离子流入面的扩散速度和阳极金属离子流出面的接收速度，将对应数学模型流场模拟中计算获得的电镀液相的速度和压力数据作为浓度场模拟的初始值，计算并获取对应数学模型浓度场中阳极金属离子的浓度分布数据。

进一步的，所述步骤3)中电场模拟的具体过程为：分别对预处理后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型、无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型进行网格划分，分别对网格划分后的数学模型设置电场边界条件、设置阴极阳极对象和负载电压，设置绝缘面，将对应数学模型浓度场模拟计算获得的阳极金属离子的浓度分布数据作为电场模拟的初始值进行电场模拟，分别计算对应数学模型在电场中设定电压下结晶器铜板表面的电势分布。

进一步的，所述步骤2)中结晶器铜板电镀数学模型导入comsol软件的简化，包括切分包裹结晶器铜板周圈的电镀液相为形状规则的电镀液相区域。

由以上技术方案可知，本发明的技术方案提供的基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法，获得了如下有益效果：

本发明公开的基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法，首先通过ANSYSWorkbench软件对结晶器铜板进行静电场分析，观察结晶器铜板表面电势分布情况，分析结果验证了自然状态下结晶器铜板电镀未设置遮蔽板时，其表面的镀层厚度与电势大小相关，具体为表面电势越高镀层越厚，表面电势越小镀层越薄，同时获得的结晶器铜板表面电势分布情况为遮蔽板的结构设计提供理论依据。再采用Comsol软件分别模拟在阴极和阳极之间有、无设定结构遮蔽板存在的情况下结晶器铜板电镀时其表面的电势分布情况，对两种情况获得的电势分布图比较分析，结果表明将设定结构的遮蔽板引入阴极和阳极之间确实有利于结晶器铜板表面的电势均匀分布，结晶器铜板表面高电势区域的面积明显变小，整体电势电场中压差减小；并且本发明通过调节遮蔽板在阴极和阳极之间的具体位置，模拟不同遮蔽位置下结晶器铜板表面的电势分布图，有利于获得最佳遮蔽位置下结晶器铜板表面最均匀的电势分布图，指导遮蔽板结构设计。

此外，本发明在Comsol软件中进行电场模拟前依次通过流场模拟和浓度场模拟，采用多物理场耦合模拟的分析方法保证仿真结果的精确性；本发明基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法验证了引入遮蔽板对于结晶器铜板镀层均匀分布的作用，并通过调整遮蔽板的位置对不同遮蔽位置的异型坯结晶器铜板的电镀过程进行预测，仿真模拟获得遮蔽板安装的最佳遮蔽位置，提高结晶器铜板电镀一次成功率，减少补镀造成的材料浪费和成本投入；减少电镀的时间，提高电镀效率和镀层均匀性，对完善异型坯结晶器铜板电镀工艺提供可靠的参考依据。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为异型坯结晶器铜板示意图；

图2为基于ANSYS Workbench软件建立的隐藏部分电镀液相的有限元仿真模型；

图3为对图2中有限元仿真模型网格划分结果图；

图4为在设定电压下结晶器铜板电镀数学模型静电场电势分布图；

图5为湍流物理场流体模拟的人工网格示意图；

图6为在竖直方向电镀液相自阳极金属离子流入面至流出面的速度剖面图；

图7为comsol软件中流场-浓度场耦合设置界面图；

图8为有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟电势分布图；

图9为无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟电势分布图；

图10(a)为遮蔽板与阴极结晶器铜板的相对位置图；

图10(b)为实施例遮蔽板俯视图；

图11为当H＝0.02m时结晶器铜板表面电势分布图；

图12为当H＝0.05m时结晶器铜板表面电势分布图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不定义包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

基于现有技术中缺乏遮蔽板可能应用于异型坯结晶器电镀过程，提高电镀均匀性的原理分析，并将分析结果应用于实际提高结晶器铜板表面镀层均匀性的技术问题，本发明旨在提出一种基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法，通过comsol软件研究了多物理场下遮蔽板的加入对原模拟结果产生的影响，对结晶器铜板镀层均匀性进行比较分析，并根据分析结果指导遮蔽板结构设计和在实际电镀过程的应用。

下面结合附图所示的实施例，对本发明的基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法作进一步具体介绍。

在本发明实施之前，现有技术已知结晶器铜板电镀时在其凸面镀层厚度大，凹面镀层厚度小，因此提出凸面由于具有更高的电势、凹面电势远小于凸面导致凹面和凸面镀层厚度差距过大的猜想。本发明的一种基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法，通过多物理场仿真结晶器铜板电镀过程，分别获得有遮蔽板、无遮蔽板时，在设定电压下结晶器铜板表面电势分布情况，验证自然状态下结晶器铜板电镀未设置遮蔽板时，其表面的镀层厚度与电势分布的关系。

本发明利用comsol软件仿真分析遮蔽板对结晶器铜板电镀时镀层均匀性影响的具体步骤为：1)根据实物测绘，分别建立有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型和无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型；所述有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型包括结晶器铜板、电镀槽、电镀液相、阳极和遮蔽板，所述无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型包括结晶器铜板、电镀槽、电镀液相和阳极；2)将建立的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型和无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型分别导入comsol软件进行简化预处理，选定各模型的研究对象，并在研究对象周圈构造电镀液相；3)预处理后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型、无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型依次进行流场模拟、浓度场模拟和电场模拟，其中，流场模拟的结果作为载体进行浓度场模拟，浓度场模拟的结果作为电场模拟的初始值，电场模拟的结果为在设定电压下结晶器铜板表面的电势分布；4)比较分析有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟下结晶器铜板表面的电势分布和无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟下结晶器铜板表面的电势分布；5)根据有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟下结晶器铜板表面的电势分布调整遮蔽板的位置，调整结晶器铜板表面的电势均匀分布，获得遮蔽板最佳遮蔽位置。

本发明的实施例先采用ANSYS Workbench软件仿真分析在静电场中未增设遮蔽板时，结晶器铜板电镀过程，获得结晶器铜板表面的电势分布。具体过程为：采用参数化建模方法在ANSYS Workbench软件中建立结晶器铜板电镀数学模型，如图2所述，包括结晶器铜板、电镀液相和阳极的数学模型，设定电镀液相与阴阳极各接触类型为绑定，电镀液相的数学模型为切分为形状规则的电镀液相区域，仿真数模比例为1:1，目的在于真实反映结晶器铜板在电镀槽内的电镀情况；对结晶器铜板电镀的数学模型进行网格划分，对网格划分后的结晶器铜板电镀数学模型设置结晶器铜板、电镀液相和阳极的材料属性参数、几何参数、工况参数和特性参数，包括设置温度边界条件，将电镀液相直接模拟为静止不动的导体，并设定恒定温度51℃，不考虑电镀槽内各添加剂化学反应产生的热量对电镀液相电阻的影响，阳极选择四块长方体的镍块，阴极选择铬锆铜结晶器，材料的电阻率如表1所示，；根据ANSYS Workbench软件的静电分析模块，设置数学模型中各结构的边界条件、设置阴极阳极对象和负载电压为6.1V，计算在设定电压下结晶器铜板表面的电势分布。

由于对结晶器铜板电镀数学模型中电镀液相的数学模型进行了切割，因此对结晶器铜板电镀数学模型进行网格划分时，阳极和电镀液相的区域采用扫掠网格划分方式，不考虑流场影响，铬锆铜结晶器凸面网格类型可采用Mechanical，相关度为40，网格划分结果如下图3所示；结合图4所示的静电场下结晶器铜板数学模型在设定电压下表面的电势分布图，其表面电势分布结果为凸面的四个边角的电势远高于其他位置，该结果与该异型坯结晶器铜板在实际电镀时，凸面的四个边角沉积的镀层厚度最大、电势高，中部类椭圆形结构镀层厚度较薄、电势低的猜想完全匹配，且结晶器铜板电镀时其表面电势的高低与镀层厚度呈现正相关趋势；这表明可以采用电场模拟获取结晶器表面电势分布的数据表征结晶器铜板实际电镀产生的镀层分布数据，并且当结晶器表面的电势分布越均匀、压差越小，高电势区域占结晶器铜板表面的比例越少，应用于结晶器铜板实际电镀时产生的镀层越均匀。

表1结晶器铜板电镀过程各材料的电阻率

材料	电阻率Ω·M
		镍	6.84E－08
铜	1.68E－08
		电镀液相	2.44E－04

下面具体说明本发明的采用comsol软件仿真分析有、无遮蔽板两种电镀条件下结晶器铜板的电镀过程。先采用AutoCAD2010、UG、Inventor等任一仿真软件分别根据实际测绘建立有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型和无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型，有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型包括结晶器铜板、电镀槽、电镀液相、阳极和遮蔽板的数学模型，无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型包括结晶器铜板、电镀槽、电镀液相和阳极的数学模型，其中，电镀液相与电镀槽、结晶器铜板、阳极和遮蔽板的接触类型均设定为绑定。

本发明的实施例中采用Inventor软件建立仿真数模比例为1:1的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型和无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型，将建好的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型和无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型导入到comsol软件进行简化预处理，选定数学模型中研究对象，在研究对象周圈构造液相，具体为切分出研究对象周围的流体为形状规则的电镀液相区域，方便整体数学模型进行仿真模拟。

以有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型在comsol软件中的仿真模拟过程为例，具体说明流场模拟、浓度场模拟和电场模拟的过程；首先，对预处理后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型进行手动网格划分，手动网格划分后选择SST湍流模型进行流场模拟，设置流域、固计算域的相关材料属性，设置边界条件、电镀液相的初始速度，设置重力效应，计算并获取对应数学模型流场中指定时间段内电镀液相的速度和压力数据；然后，再以流场模拟后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型进行浓度场模拟，设置求解时间、设置阳极溶解速度、浓度场内阳极金属离子的初始浓度、阳极金属离子在阴极沉积速度，并附加给相应的研究对象，设置流域内阳极金属离子流入面的扩散速度、阳极金属离子流出面的接收速度，将流场模拟中计算获得的电镀液相的速度和压力数据作为浓度场模拟的初始值，将流场-浓度场耦合，如图7所示，计算并获取对应数学模型浓度场中阳极金属离子的浓度分布数据；最后，再对预处理后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型进行自动网格划分，该过程直接选用软件自带的网格划分功能对与处理后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型进行软件自动划分网格，对自动网格划分后的数学模型设置电场边界条件、设置阴极阳极对象和负载电压，设置绝缘面，将对应数学模型浓度场模拟计算获得的阳极金属离子的浓度分布数据作为电场模拟的初始值进行电场模拟，分别计算对应数学模型在电场中设定电压下结晶器铜板表面的电势分布。

其中，流场模拟时由于湍流模型计算难度大，因此采用手动划分网格，以提高网格质量的方式来提高模拟精度，具体过程为，首先用comsol自带的算法对处理后数学模型进行流体网格划分，记录生成网格的关键信息作为手动划分网格的参考，关键信息包括网格数量、最大和最小网格面积、各个类型网格的数目；将自动划分的网格删除后，开始进行手动划分网格，对结晶器铜板电镀数学模型中的结晶器铜板、阳极的边和面进行尺寸设置，扫掠形成网格，遮蔽板采用自由四面体网格划分；最后对流域部分进行自由四面体网格划分。需要注意上述所有手动生成的网格中尺寸不宜相差过大，最大与最小网格尺寸差控制在0.3以内，网格单元增长率设置为1.2，划分结晶器铜板的网格可以适当细化，手动划分的网格质量不能低于0.6，越靠近1越好，并且网格质量增长曲线越平滑越好，网格划分结果如图5所示；计算获得的SST湍流模型场下电镀液相的速度分布如图6所示，其中，电镀液相由左往右流出。

电场模拟时，采用浓度场获得的阳极金属离子的浓度分布结果作为电场模拟的初始值，进而设置电场模拟的参数，包括结晶器铜板、遮蔽板、电镀液相和阳极的材料属性参数、几何参数、工况参数和特性参数、温度边界条件、阳极负载电压，阴极背面的绝缘处理等；基于电场模拟对网格质量要求不高，进行电场模拟时可以采用软件自主对处理后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型进行划分网格，获得如图8所示的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟在设定负载电压下结晶器铜板表面的电势分布图。

所述无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型在comsol软件中的仿真模拟过程，除不包括遮蔽板的数学模型及参数设置外，其他过程组件数学模型和参数设置与有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型进行流场、浓度场和电场模拟的过程完全相同，在这里不进行一一赘述，其电场模拟获得的在设定负载电压下结晶器铜板表面的电势分布如图9所示。

相较于图9所示的无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟电势分布图，设置遮蔽板模拟的结晶器铜板表面电势分布更加均匀，结晶器铜板凸面的四个边角高电压面积明显变小，并且凸面的电压值明显减小，从仿真数据电压数值上看，未加遮蔽板之前阴极表面最大负载电压为3.87×10^-12V，加入遮蔽板以后阴极表面最大负载电压为2×10^-12V，图8表明comsol软件电场模拟获得的电势分布与ANSYS Workbench软件的静电分析模块的结果结论相似，与猜想匹配，也表明可以采用电场模拟获取结晶器表面电势分布的数据表征结晶器铜板实际电镀产生的镀层分布数据，符合分析结果结晶器铜板电镀时其表面电势的高低与镀层厚度呈现正相关趋势。

进一步比较分析图8和图9所示的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟电势分布图与无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟电势分布图，图8中增设遮蔽板后结晶器铜板表面整体颜色呈现较为均匀的颜色分布，相较于图9中凸面四个边角所展示的高电势区域面积明显减少，并且压差减小，这表明遮蔽板确实能达到平衡结晶器铜板电镀时表面电势分布的效果，使得结晶器铜板表面电势分布趋向均匀，知道应用于实际生产中时，有利于结晶器铜板表面的镀层均匀性。

为了确定异型坯结晶器铜板电镀时遮蔽板对结晶器铜板的最佳遮蔽位置，结合图10(a)所示，本发明还进一步在comsol软件中利用预处理后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型模拟了遮蔽板在阳极和作为阴极的结晶器铜板之间不同遮蔽位置的电场模拟，获得了不同遮蔽位置下结晶器铜板表面的电势分布数据，通过比较分析不同遮蔽位置下结晶器铜板表面的电势分布数据，分析获得遮蔽板在阳极和作为阴极的结晶器铜板之间安装时使得结晶器铜板表面电势分布最均匀、凸面高电势区域面积最小的最佳遮蔽位置。

本发明中，为了使结晶器铜板表面电势分布均匀，在设计遮蔽板的结构时，考虑仅覆盖遮蔽结晶器铜板表面凸面高电势区域。实施例所示的异型坯结晶器铜板由于凸面四个边角为显著的高电势区域，而凸面中部电势较低，因此如图10(b)所示，实施例中的遮蔽板设置为中部具有椭圆形开口的方形平板结构，方形平板结构安装时与结晶器铜板表面平行，如图10(a)所示；实施例通过遮蔽板对异型坯结晶器铜板凸面四个边角和连接处覆盖遮蔽，达到降低凸面高电势的作用；遮蔽板制作材料选择PVC，PVC材料具有优良的耐腐蚀性、绝缘性，易切割，并且受热变形后可以加工成各种形状，适合作为遮蔽材料。

对于不同形状的异型坯结晶器铜板，可以通过ANSYS Workbench软件或comsol软件进行电场模拟，获得在不设置遮蔽板时异型坯结晶器铜板表面电势分布数据，根据电势分布数据设计遮蔽板的具体结构，只需要对凸面高电势区域设计遮蔽结构，方法简单方便。

最佳遮蔽位置的模拟方法为，设定遮蔽板在阴极和阳极之间Z轴方向与阴极的实时距离H，调节H的大小，有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型再在不同H取值时在comsol软件中依次经过流场模拟、浓度场模拟和电场模拟，分别获得在设定电压下、不同H值时阴极结晶器铜板表面的电势分布数据；对不同H值获得的电势分布数据对比分析，当某一H取值使得模拟的阴极结晶器铜板表面电势分布最均匀，则该位置即为遮蔽板有利于结晶器铜板电镀镀层均匀的最佳遮蔽位置。

表2列出了采用图10所示的实施例进行模拟获得的在不同遮蔽位置下结晶器铜板表面最高点电压和最低点电压的大小。观察表2所示的结晶器铜板表面的最高点电压和最低点电压的差值，结合图11所示的H＝0.02m和图12所示的H＝0.05m时结晶器铜板表面整体电势分布图，发现遮蔽板位于阴极和阳极中点位置附近时，遮蔽效果最好，即当遮蔽板遮蔽在靠近阴极和阳极中点位置时都能很好的达到对结晶器铜板表面的遮蔽效果，选择阴极结晶器铜板和阳极中点作为遮蔽板的最佳遮蔽位置。

表2不同遮蔽位置结晶器铜板表面最高点和最低点电压

H/m	最高点电压	最低点电压
			0.01	2.39×10<sup>-12</sup>V	0.21×10<sup>-12</sup>V
0.02	2.37×10<sup>-12</sup>V	0.22×10<sup>-12</sup>V
			0.03	2.30×10<sup>-12</sup>V	0.22×10<sup>-12</sup>V
0.04	2.28×10<sup>-12</sup>V	0.23×10<sup>-12</sup>V
			0.05	2.24×10<sup>-12</sup>V	0.24×10<sup>-12</sup>V
0.06	2.23×10<sup>-12</sup>V	0.25×10<sup>-12</sup>V
			0.07	2.23×10<sup>-12</sup>V	0.24×10<sup>-12</sup>V
0.08	2.23×10<sup>-12</sup>V	0.24×10<sup>-12</sup>V
			0.09	2.24×10<sup>-12</sup>V	0.23×10<sup>-12</sup>V
0.1	2.24×10-12V	0.22×10<sup>-12</sup>V
			0.11	2.26×10<sup>-12</sup>V	0.19×10<sup>-12</sup>V
0.12	2.29×10<sup>-12</sup>V	0.17×10<sup>-12</sup>V
			0.13	2.30×10<sup>-12</sup>V	0.17×10<sup>-12</sup>V
0.14	2.32×10<sup>-12</sup>V	0.17×10<sup>-12</sup>V

本发明公开的基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法，利用有限元分析软件对电镀过程中作为阴极的结晶器铜板表面电势分布的情况进行模拟，解释了结晶器铜板镀层不均的原因，同时分析了在电镀过程中可以采用在阴极和阳极之间增设遮蔽板的方式改善结晶器铜板表面电势分布，有利于结晶器铜板表面镀层均匀的原理，并通过模拟遮蔽板在不同遮蔽位置下获得的结晶器铜板表面的电势分布数据找到最有利于结晶器铜板表面镀层均匀的最佳遮蔽位置。本发明通过调整遮蔽板在阴极结晶器铜板和阳极之间的位置不仅可以提高结晶器铜板表面镀层的均匀性，获得结晶器铜板均匀镀层，还有利于提高结晶器铜板电镀一次成功率，减少补镀造成的材料浪费，减少每一次电镀的金属材料成本；相较于现有技术中结晶器铜板电镀不采取遮蔽措施前，为了保证凹面处能达到后期加工要求，需要延长电镀时间的方式显著节省电镀的时间，提高电镀效率。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据实物测绘，分别建立有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型和无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型；所述有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型包括结晶器铜板、电镀槽、电镀液相、阳极和遮蔽板，所述无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型包括结晶器铜板、电镀槽、电镀液相和阳极；

2)将建立的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型和无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型分别导入comsol软件进行简化预处理，选定研究对象，并在研究对象周圈构造电镀液相；

3)预处理后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型、无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型均依次进行流场模拟、浓度场模拟和电场模拟，其中，流场模拟的结果作为载体进行浓度场模拟，浓度场模拟的结果作为电场模拟的初始值，电场模拟的结果为在设定电压下结晶器铜板表面的电势分布；

4)比较分析有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟下结晶器铜板表面的电势分布和无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟下结晶器铜板表面的电势分布；

5)根据有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型电场模拟下结晶器铜板表面的电势分布调整遮蔽板的遮蔽位置，根据不同遮蔽位置下获得的结晶器铜板表面电势分布，获取遮蔽板安装的最佳遮蔽位置。

2.根据权利要求1所述的基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法，其特征在于，所述步骤3)中流场模拟的具体过程为：

对预处理后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型、无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型分别进行手动网格划分处理，再分别选择SST湍流模型进行流场模拟，设置流域、固计算域的相关材料属性，设置边界条件、电镀液相的初始速度，设置重力效应，计算并获取对应数学模型流场中指定时间段内电镀液相的速度和压力数据。

3.根据权利要求2所述的基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法，其特征在于，所述步骤3)中浓度场模拟的具体过程为：

分别对流场模拟后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型、无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型设置求解时间、设置流域内阳极金属离子流入面的扩散速度和阳极金属离子流出面的接收速度，以对应数学模型流场模拟计算获得的电镀液相的速度和压力数据作为浓度场模拟的初始值，计算并获取对应数学模型浓度场中阳极金属离子的浓度分布数据。

4.根据权利要求3所述的基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法，其特征在于，所述步骤3)中电场模拟的具体过程为：

分别对预处理后的有遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型、无遮蔽板结晶器铜板电镀数学模型进行自动网格划分，分别对自动网格划分后的数学模型设置电场边界条件、设置阴极阳极对象和负载电压，设置绝缘面，将对应数学模型浓度场模拟计算获得的阳极金属离子的浓度分布数据作为电场模拟的初始值进行电场模拟，分别计算对应数学模型在电场中设定电压下结晶器铜板表面的电势分布。

5.根据权利要求2所述的基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法，其特征在于，所述流场模拟中手动网格划分处理获得的网格质量不低于0.6。

6.根据权利要求1所述的基于有限元仿真获得结晶器铜板均匀镀层的方法，其特征在于，所述步骤2)中数学模型导入comsol软件的简化预处理包括切分包裹结晶器铜板周圈的电镀液相为形状规则的电镀液相区域。

Images