How long does it take to electroplate Indium?

Wie lange dauert es, Indium zu galvanisieren?

Monday, March 27, 2023

Manchmal bekomme ich Fragen wie: „Wie lange dauert es, mit Ihrem Indium-Sulfamat-Bad $20bf mu m$ Indium auf meiner Platte abzuscheiden?“ Nun, die Antwort auf diese Frage würde es dem Kunden sehr leicht machen. Lassen Sie mich Ihnen zeigen, wie Sie das ganz einfach berechnen können. In diesem Beitrag werde ich eine einfache und unkomplizierte Beziehung herleiten, die für jeden funktioniert. Glauben Sie mir, es ist ganz einfach; verwenden Sie einfach einige grundlegende Beziehungen, die wir im Physik- und Matheunterricht gelernt haben. Es beginnt damit, wie viele Elektronen Sie benötigen, um ein In³⁺-Ion zu einem In-Atom zu reduzieren – $3$ , richtig!

Wie viel Ladung ist das also – $3$ e!

Die dafür benötigte Zeit hängt direkt davon ab, wie viel Ladung wir zur Verfügung stellen müssen, um all diese Indium-Ionen zu reduzieren, und mit welcher Zeitrate dies möglich ist – also „Stromstärke“!

Wenn Sie schon einmal von der berühmten Beziehung von Ladung zu Stromstärke gehört haben, $i= frac{q}{t}$ , dann ist es das, wovon ich spreche.

Also, zurück zu den Grundlagen.

$text{Time}= frac{text{Charge needed to reduce all the indium ions}}{text{Current}}$

$text{Time}=frac{text{Charge needed to reduce one indium ion}times text{Total number of indium ions to reduce }}{text{Current}}$

$text{Time}=frac{3e times text{(no. of moles to reduce}times text{Avogadro's number)}}{text{Current}}$ $text{, where e is the charge of an electron (e=1.6}times 10^{-19}text{C)}$

$text{Time}=frac{ text{3e Na}times frac{text{Mass}}{text{Mol. Wt}}}{text{Current}}$ $text{, where Na is the Avogadro's number (Na=6.022}times 10^{23}text{/mole)}$

$text{Time}=frac{frac{text{3e Na}}{text{Mw}}times text{ Volume}timestext{density} }{text{Current}}$ $text{, where Mw is the Molecular weight (Mw=114.82 g/mole)$

$text{Time}=frac{frac{text{3e Na } rho}{text{Mw}}times text{ Surface area}timestext{thickness}}{text{Current}}$ $text{, where } rho text{ is the density of Indium (} rho text{=7.31 g/cm}^{3})$

$text{Time}=frac{frac{text{3e Na } rho}{text{Mw}}times text{thickness} }{frac{text{Current}}{text{Surface Area}}}$ $text{, where thickness = 20}mu text{m = 0.0020 cm}$

$text{Time}=frac{text{3e Na } rho}{text{Mw j}}times text{thickness}$ $text{, where j is the assumed Current Density (j = 20 {mA/cm}}^{2} text{= 0.020 A/cm}^{2})$

Wenn die Kathode (an der das Indium galvanisch abgeschieden wird) nicht $100%$ effizient ist, dauert es ein wenig länger. Nehmen wir an, σ sei der Wirkungsgrad. Dann wird es $frac{1}{sigma}$ -mal länger dauern. Wenn der Wirkungsgrad zum Beispiel $50%$ beträgt, dauert es $frac{1}{0.5}=2$ -mal so lange. Unter Einbeziehung der Effizienz lautet die Gleichung für die Zeit also wie folgt:

$text{Time}=frac{text{3e Na } rho}{sigmatext{ Mw j}}times text{thickness}$ $text{, where }sigma text{ is the assumed Cathodic efficiency (}sigma text{ = 0.9)}$

Wenn Sie alle diese Werte in die obige Gleichung einsetzen, erhalten Sie:

$text{Time}=frac{text{3e Na } rho}{sigmatext{ Mw j}}times text{thickness = 2045 seconds}approx text{34 minutes}$

Die Antwort lautet also: Die geschätzte Zeit bis zur Abscheidung von $20 mubf m$ beträgt 34 Minuten – und Sie wissen, welche Faktoren dies ändern können.

Und hier ist eine einfache Formel zur Berechnung der Zeit in Minuten für die am häufigsten verwendeten Einheiten von Dicke und Stromdichte;

$text{Time (minutes)}=30.676 times frac{text{thickness (} mu bf m)}{sigmatext{ j (mA/cm}^{2})}$

Okay, warum nennen wir diese Zahl nicht $30.676$ „Shitals Plattenkonstante“!

Das Indium-Sulfamat-Bad der Indium Corporation hat einen kathodischen Wirkungsgrad von 90 %. Mehr Effizienz bedeutet weniger Zeit! Die typische Stromdichte, mit der wir arbeiten, liegt bei $text{10-20 mA/cm}^2$ , kann aber auf bis zu $text{100 mA/cm}^2$ erhöht werden, wobei die Badtemperatur bei $text{20 - 25}^otext{C}$ . bleibt. Eine Erhöhung der Stromdichte von $text{20 {mA/cm}}^2$ auf $text{100 {mA/cm}}^2$ kann die Abscheidungszeit um den Faktor 5 verkürzen, d. h. die gleichen $20 mu bf m$ werden nun in 7 Minuten abgeschieden.

Die heute weit verbreitete Verwendung von Indiumbeschichtungen geht auf die 1930er-Jahre zurück, als die Gründer der Indium Corporation zum ersten Mal ein kommerzielles Indium-Beschichtungsbad entwickelten. Jüngste Entwicklungen in der Halbleitertechnologie und beim Flip-Chip-Bonden nutzen Indium, um Verbindungen zwischen den Wafer-Schichten herzustellen. Indium wird galvanisch auf Wafer-Substrate aufgebracht, um Indium-Bumps mit hoher Dichte, geringem Abstand und hohem Aspektverhältnis zu erzeugen. Die Weichheit, Duktilität und Benetzungsfähigkeit von Indium sorgen für eine starke und zuverlässige Verbindung zwischen zwei Oberflächen, selbst wenn diese nicht perfekt eben oder ausgerichtet sind. Darüber hinaus ist Indium selbst bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt stabil und eignet sich daher hervorragend für den Einsatz in Halbleiteranwendungen, die unter extremen Bedingungen arbeiten, wie z. B. im Weltraum.

Wenn Sie an kleine Galvanisierungsprojekte denken, darunter beispielsweise die Restaurierung und Reparatur von antiken Metallgegenständen mit einer Indiumbeschichtung, können Sie mit einem robusten, einfach zu verwendenden Galvanisierungskit wie dem hier angebotenen beginnen.

In den folgenden Dokumenten erfahren Sie mehr über die Indium-Galvanisierung, das Indium-Sulfamat-Bad und die Indium-Bump-Galvanisierung.