Зазор между электродами: Зазор на свечах зажигания

Содержание

Какой зазор должен бытьмежду электродами на свечах зажигания?

Автомобилисты знают, что залог устойчивой работы бензинового двигателя внутреннего сгорания – исправность свечей зажигания (СЗ). Он этих «финальных» элементов системы зажигания зависит правильность и эффективность воспламенения топлива. Именно поэтому специалисты рекомендуют периодически осматривать СЗ и менять по истечении регламентного срока эксплуатации. Однако даже новые и исправные свечи зажигания могут не обеспечить нужного результата, если будет неправильно выставлен зазор между их электродами.

Доли миллиметра имеют значение

Общий принцип работы системы зажигания заключается в том, что катушка зажигания преобразует ток бортовой сети в высоковольтный импульс в несколько десятков тысяч вольт, который «передается» на свечи. Мощности разряда должно быть достаточно для того, чтобы преодолеть воздушную «изоляцию» (зазор) и, при этом образовать искру на свече зажигания. Несмотря на солидный «вольтаж» считанные доли воздушного слоя имеют серьезное значение.

Нужная для конкретного двигателя величина СЗ указана в инструкции по эксплуатации автомобиля. В сравнении с ней установленные свечи могут иметь:

малый;

большой;

правильный зазор.

Несмотря на то, что они отличаются на «микроскопические» величины, отличия в расстоянии между боковым и центральным электродами оказывает существенное влияние на работу мотора.

Нормальный зазор свечи зажигания зависит от конструктивных особенностей двигателя:

для «классических» карбюраторных авто – 0,5-0,6 мм;

для карбюраторных машин с электронным зажиганием 0,7-0,8 мм;

для инжекторных -1 — 1,3 мм.

Именно такие величины гарантируют правильное, оптимальное. Искрообразование, а значит – и работу силового агрегата. Отклонения в ту или иную сторону чреваты потерей мощности или ростом расхода топлива.

Малая величина

Если расстояние между электродами СЗ составляет 0,1 -0,4 мм, образуется очень «короткая» искра, которая не может воспламенить весь объем горючего. В результате СЗ заливает бензином. Авто «дергается», а затем – постоянно глохнет.

Большая величина

Если зазор превышает 1,3 мм, проходящая искра становится очень слабой. Ее мощности не будет хватать для поджога или даже пробоя воздушного слоя.

Увеличение зазора может наблюдаться, как по причине неправильной настройки, так и вследствие «выгорания» (уменьшения толщины) электродов в процессе эксплуатации.

Как проверить и выставить зазор

Проверить зазор на новых или работающих СЗ можно с помощью набора специальных щупов. Обычно качественные новые изделия уже выставлены на необходимую величину. Однако, в случае необходимости, расстояние между электродами просто откорректировать в домашних условиях.

Малое значение увеличивается с помощью обычной отвертки, вставленной между электродами. В условиях СТО для этой цели служит приспособление BRISK. Оно позволяет более «нежно» отогнуть центральный электрод закрепленной в устройстве СЗ.

Большое уменьшается постукиванием по электроду или его прижатием к твердой поверхности.

Купить новые свечи зажирания и другие оригинальные запчасти или их аналоги вы можете на нашем сайте!

Читайте также:
Производители свечей зажигания: ответственный выбор
Mercedes-Benz интригует новыми моделями
Как выбрать масляный фильтр?
Логотип BMW: аристократия или пропеллер?
Как определить исправность шаровой опоры? Диагностика неисправностей

какие должны быть и на что влияют?

Если двигатель начинает работать с перебоями, заметны подергивания при наборе скорости и наблюдаются проблемы с холостым ходом, многие автомобилисты склонны винить в этом электронный блок управления (ЭБУ), карбюратор, прерыватель – распределитель и любые другие узлы системы зажигания. Между тем, причиной всех перечисленных проблем могут быть свечи – простейшие с виду приборы для воспламенения рабочей смеси.

В полностью рабочих свечах зажигания имеется только один изменяемый параметр: величина зазора между электродами. Как реагирует автомобиль, если свечи отрегулированы неправильно?

Первым делом – проверить свечи зажигания

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – сложный агрегат, стабильная работа которого зависит от состояния всех его узлов. Если он функционирует с перебоями, то водитель с опытом обязательно начнет поиск причин с проверки и оценки состояния свечей зажигания.

Можно назвать всего четыре типа вероятных случаев неисправности свечей зажигания (не считая возможные механические дефекты), а именно:

Электрический пробой керамического изолятора.
Обрыв цепи по причине разрушения центрального электрода.
Недостаточный или слишком большой зазор между электродами.
Наличие шлаковых отложений, затрудняющих прохождение искры.

Например, когда одна из свечей полностью вышла из строя, четырехцилиндровый двигатель троит. На слух такую неполадку способен распознать почти любой автомобилист. Если проблема носит несколько иной – несистематический характер, то определить причину сложнее. Однако в качестве первого шага в рамках диагностики мотора должна быть именно проверка величины зазоров между электродами свечей зажигания. Поводом для этого могут служить:

Заметная потеря мощности.
Автомобиль при наборе скорости движется рывками.
При работе мотора слышны перебои.
Плавает и не регулируется холостой ход.

Для проверки величины зазора между электродами применяется простейший инструмент – портативный набор измерительных щупов. Такое приспособление должно быть в инструментарии каждого автовладельца.

Какова нормальная величина зазора

Расстояние между электродами свечей оказывает влияние на формирование и прохождение искры, воспламеняющей подготовленную системой питания двигателя рабочую смесь. Зависимость качества искры от величины зазоров в свечах возникает от того, что прохождение разряда является результатом электрического пробоя находящейся между электродами прослойки воздуха.

При слишком близком расположении электродов, для формирования искры нужна меньшая разность потенциалов. В случае чрезмерной величины зазора может вообще не произойти пробоя диэлектрика (воздуха). Пределы нормы, которых нужно придерживаться при регулировке свечей, зависят от типа моторов и устройства системы зажигания:

Для карбюраторных движков с прерывателем-распределителем: 0,5-0,6 мм.
Карбюраторных с электронным управлением зажигания: 0,7-0,8 мм.
Двигателей с инжекторным впрыском: 1,0-1,3 мм.

Недостаточным и завышенным расстояниями между электродами считаются любые отклонения от указанной нормы. Чем больше это несоответствие, тем больше проблем возникнет в работе двигателя.

Виды моторов, на которые влияет неверно выставленный зазор

Самые критичные последствия недостаточного или чрезмерного большого расстояния между электродами свечей проявляются на карбюраторных двигателях. В отличие от систем электронного зажигания, которые способны в какой-то мере реагировать на работу свечей и компенсировать возникшие проблемы изменением качества рабочей смеси. карбюратор такими возможностями практически не обладает.

Кроме того, электрические цепи простейших моторов с карбюратором рассчитаны на меньшее напряжение, чем, к примеру, системы с инжектором. Поэтому на карбюраторах любые отклонения зазора свечей от нормы проявляются ярче.

Как ошибки влияют на работу карбюраторного двигателя

Нарастание разности потенциалов между центральным электродом, на который подается высокое напряжение, и боковым, связанным с массой автомобиля, происходит быстро, но не мгновенно. При слишком малой величине (0,1 – 0,4 мм) зазора искра пробьет воздушную среду слишком рано, когда разница потенциалов еще не достигла максимального уровня. В результате вспышка будет слабой.

При этом в цилиндр еще не до конца поступила рабочая смесь, а поршень не вышел в точку, гарантирующую необходимое сжатие. Как результат – неритмичная работа, общая потеря мощности двигателя и проблемы с регулировкой холостого хода.

Завышенный зазор тоже ухудшает образование искры, так как для этого нужно преодолеть сопротивление большей прослойки воздуха. Смесь в цилиндрах может поджигаться не на каждом рабочем цикле. Отсюда подергивания в разгоне и общие проблемы в работе мотора. При неблагоприятных условиях, особенно в мороз, двигатель плохо заводится и долго прогревается. Эта проблема может быть полностью снята простой регулировкой зазоров в свечах зажигания.

На что обратить внимание при покупке и регулировке свечей зажигания

Как правило, новые свечи из автомагазина отрегулированы производителем. Но возможны исключения, поэтому перед установкой свечей на автомобиль зазоры нужно измерить. Увеличение расстояния между электродами происходит из-за постепенной «искровой» выработки металла, а критично малый зазор может стать причиной неудачного падения свечи на пол. Отсюда и четкая рекомендация – регулярно проверять состояние свечей в двигателе автомобиля, чтобы заручиться стабильной и надежной работой последнего.

свечи зажигания

Руководство по зазорам свечей зажигания (что это такое + как «зазорить»)

Связаться с нами

Получить предложение

Когда вы получаете новую свечу зажигания, вы проверяете зазор свечи зажигания ?

Это могут быть старые новости, но даже разница в несколько тысячных долей дюйма в этом крошечном зазоре может привести к пропуску зажигания двигателя.

Итак, что такое зазор свечи зажигания?
А почему это так важно?

В этой статье мы обсудим зазор свечи зажигания — его значение, почему вы должны измерять размер зазора, как это сделать и несколько других часто задаваемых вопросов.

Эта статья содержит:

Что такое зазор свечи зажигания?
Как «зазорить» свечи зажигания (шаг за шагом)
Почему важен зазор свечи зажигания?
Зачем измерять зазор свечи зажигания?
6 Часто задаваемые вопросы о зазоре свечи зажигания
- Как работает зазор свечи зажигания?
- Что произойдет, если зазор свечи зажигания неправильный?
- Почему существуют разные зазоры свечей зажигания?
- Каковы типичные настройки зазора свечи зажигания?
- Что такое щуп свечи зажигания?
- Как выглядит изношенная свеча зажигания?

Давайте зажжем искру и прольем немного света.

Что такое Зазор свечи зажигания ?

Зазор свечи зажигания определяет расстояние между искрой свечей центральным электродом и заземляющим электродом (также называемым заземляющей полосой, которая представляет собой изогнутый кусок стали на конце свечи).

Эта ширина зазора имеет решающее значение, поэтому при правильном напряжении может возникнуть электрическая дуга («искра»), воспламеняющая топливно-воздушную смесь в камере внутреннего сгорания двигателя.

Установка правильного расстояния зазора называется «зазором» свечи зажигания.
Но почему искровой разрядник важен?

Почему важен зазор свечи зажигания ?

Зазор свечи зажигания влияет на тепловой диапазон искры, образующейся для воспламенения воздушно-топливной смеси в камере сгорания. Это делает его критическим для работы двигателя.

Как так?
Меньший зазор обеспечивает срабатывание свечи зажигания при каждом цикле. Но если искровой промежуток слишком мал , между заземляющим электродом и центральным электродом не будет достаточно места для топливно-воздушной смеси. Поэтому, когда загорается свеча зажигания, есть вероятность, что ничего не загорится.

A широкий зазор между центральным электродом и заземляющим электродом обеспечивает сильное чистое горение. Но если зазор слишком велик , искра будет слабой и не будет иметь достаточно энергии для воспламенения заряда, что приведет к пропуску зажигания в цилиндре.

И хотя свеча зажигания является довольно простым устройством, она должна работать в очень тяжелых условиях.

Некоторые условия работы двигателя еще больше затрудняют зажигание.

Например:

Двигатели с более высокой степенью сжатия или наддува имеют более высокое давление в камере сгорания во время искрового разряда. Большее давление в цилиндре означает более плотную топливно-воздушную смесь, требующую более высокого напряжения для воспламенения.

В двигателях с впускными отверстиями с высокой пропускной способностью (например, в гоночных двигателях) в камере сгорания происходит сильное завихрение и движение заряда, что затрудняет зажигание.

Двигатели с высокими оборотами дают распределителю мало времени для образования прочной искры, что также затрудняет зажигание.

Во всех случаях зазор свечи зажигания должен быть достаточно большим для получения достаточно мощной искры, но не слишком большим, чтобы искра не пропадала на более высоких скоростях, что приведет к торможению цилиндра или дребезжанию двигателя.

Далее, давайте посмотрим, как установить рекомендуемый зазор в свече зажигания.

Как «зазорить» свечи зажигания (шаг за шагом)

Прежде чем приступить к зазору, убедитесь, что у вас есть подходящая свеча зажигания для вашего двигателя. Для этой задачи вам понадобится инструмент для измерения зазоров, такой как щуп или измеритель зазоров.

Обратите внимание, что:

Несколько электрод искра свечи зависят от автомобиля и поставляются с заводским зазором, который не регулируется.
Платиновая свеча или иридиевая свеча имеет тонкий центральный электрод, который можно повредить обычным инструментом в виде брелока, поэтому для регулировки вам понадобится подходящий инструмент для зазоров.

И всегда — если вы не знакомы с свеча зажигания установка, пусть с этим справится профессиональный механик .

Теперь, как сделать зазор между свечами зажигания:

Шаг 1: Очистите свечу зажигания

Если у вас новая свеча, это не должно быть проблемой.
Однако старые свечи зажигания могут быть загрязнены в местах контакта.

Вы хотите, чтобы грязь не попадала в камеру сгорания двигателя и не ослабляла искру зажигания. В этом случае осторожно счищайте мусор металлической щеткой и ни в коем случае не используйте абразивные материалы.

Шаг 2. Измерьте текущий зазор свечи зажигания

Рекомендуемый размер зазора см. в руководстве пользователя. Затем проведите щупом или измерителем зазора между электродами, чтобы определить измерение тока.

Если щуп или измеритель зазора не могут соответствовать необходимому размеру зазора, необходимо увеличить зазор пробки.

Если щуп или измеритель зазора (правильного размера) проходит через зазор , не касаясь какого-либо электрода , зазор слишком велик и его необходимо сузить.

Шаг 3. Отрегулируйте зазор свечи зажигания

Используйте инструмент для регулировки зазора свечи зажигания. Осторожно согните заземляющий электрод , чтобы расширить или сузить зазор.

Вот несколько важных моментов, на которые следует обратить внимание:

Никогда не прикладывайте силу к центральному электроду или его керамическому изолятору.
Не сгибайте заземляющую шину более чем на 0,008 дюйма в любом направлении. Gap Again
Повторяйте регулировку до тех пор, пока приспособление для зазора не войдет вплотную между электродами свечи зажигания.
Однако вам не следует регулировать заземлитель более чем в 3 раза . Он прочный, но не предназначен для большого давления и может отломиться. Любое повреждение любого электрода означает, что вам понадобится новая свеча зажигания.
Теперь вы можете задаться вопросом, зачем вам нужно измерять зазор свечи зажигания, особенно на новой свече.
Зачем измерять зазор свечи зажигания?
Во-первых, пока производители стараются сделать стандартные свечи одинаковыми, в условиях массового производства это просто нереально.
Будет допустимых разностей .
Во-вторых, невозможно учесть свечу зажигания обращение с с момента его выпуска на заводе до тех пор, пока он не попадет к вам.
И в-третьих, одна и та же свеча зажигания может быть указана для многих различных двигателей, но для каждого двигателя может потребоваться разный размер зазора .
Новая свеча зажигания может иметь заводской зазор для двигателя V6, и вы, вероятно, сможете установить все 6 свечей как есть. Но в двигателе V8 эти 8 штатных заглушек потребуют зазоров.
Давайте рассмотрим пару часто задаваемых вопросов, чтобы немного больше понять зазор свечи зажигания.
6 Часто задаваемые вопросы о зазоре свечи зажигания
Вот дополнительная информация о зазоре свечи зажигания:
1. Как работает зазор свечи зажигания?
Система зажигания подает искру (электричество) по проводу свечи зажигания (или через колпачок свечи зажигания для автомобилей с блоками катушек) к свече зажигания.
Электрическая искра всегда идет по пути наименьшего сопротивления. Поскольку зазор свечи обычно является ближайшей точкой от центрального электрода к заземляющему электроду, искра проскочит этот промежуток .
При этом воспламеняется топливно-воздушная смесь между зазорами, вызывая возгорание (подобно тому, как зажигалка зажигает газовую плиту).
2. Что произойдет, если зазор в свече зажигания неправильный?
Неправильный зазор может привести к проблемам с работой свечей зажигания, таким как пропуски зажигания в двигателе или повышенный износ свечей.
Это не будет так заметно, если искра пропадает лишь периодически при воспламенении воздушно-топливной смеси. Однако сбой зажигания проявится в виде потери мощности двигателя и неэффективного использования топлива.
3. Почему существуют разные зазоры свечей зажигания?
Для достижения наилучших характеристик свечи зажигания она должна соответствовать своему назначению.
Поскольку разные двигатели работают в разных условиях, на стиль, размер и форму свечи зажигания влияют такие факторы, как: соотношение и более узкий зазор свечи зажигания.

Камера сгорания давление (при искровом разряде) — двигателям с более высокой степенью сжатия требуется более высокое напряжение для образования искры.

Двигатель нагрузка и применение — двигатели испытывают большее давление в камере сгорания под нагрузкой, так как всасывается больше воздуха, что затрудняет создание искры.

4. Каковы типичные настройки зазора свечи зажигания?

Вот некоторые типичные значения зазоров для автомобилей:

Стандартный уличный двигатель (катушка зажигания с распределителем): 0,025″
Двигатель Performance (катушка зажигания с распределителем): 0,028″
Система зажигания без распределителя (катушка на штекере): до 0,060”

Дополнительно двигатель производители часто определяют диапазон зазора свечи зажигания. Вот преимущества настройки на противоположных крайних значениях:

Установка нового зазора свечи на минимальное значение рекомендуемый зазор (вместо центра указанного диапазона) может обеспечить более длительный интервал между заменами свечи .

Установка зазора свечи на максимальную рекомендуемую ширину позволяет получить самый большой зазор с сильным и надежным зажиганием. Это можно использовать для высокопроизводительных приложений за счет замены зазоров или более частой замены свечей зажигания.

5. Что такое щуп свечи зажигания?

Щуп имеет несколько металлических лезвий или проволок разной толщины и часто выглядит как перочинный нож. Каждое лезвие имеет определенную толщину, указанную в миллиметрах (метрические) или тысячных долях дюйма (имперские).

6. Как выглядит изношенная свеча зажигания?

На эродированной свече зажигания:

Центральный электрод (который раньше представлял собой цилиндрический стержень) будет темной выпуклостью
Заземляющий электрод больше не будет иметь квадратных краев свеча разрушается, что затрудняет получение искры. Керамическая изоляция на старых свечах зажигания также может быть повреждена углеродистыми отложениями и старым насыщением топливом, что приводит к более слабой искре.
Заключительные слова
Все зазоры свечей зажигания должны быть проверены, будь то двигатель вашего автомобиля или газонокосилки. Использование правильной свечи зажигания с правильным зазором обеспечивает наилучшие условия работы двигателя.
Если вам нужна профессиональная помощь в установке зазоров в свечах зажигания, почему бы не обратиться в компанию RepairSmith?
RepairSmith — это мобильное транспортное средство решение для ремонта и техническое обслуживание доступно семь дней в неделю . Мы можем помочь вам установить свечи зажигания, заменить их и разобраться с любыми другими проблемами, которые могут возникнуть в вашем автомобиле.
Свяжитесь с нами, и наши специалисты , сертифицированные ASE , приедут, чтобы зажечь искру в кратчайшие сроки!
Поделитесь этой историей:
Мастер по ремонту
RepairSmith — это самый простой способ отремонтировать ваш автомобиль. Наши специалисты, сертифицированные ASE, доставят качественный ремонт и техническое обслуживание автомобиля прямо к вашему подъезду. Мы предлагаем предварительную цену, онлайн-бронирование и 12-месячную гарантию на 12 000 миль.
Подпишитесь, чтобы получать советы по техническому обслуживанию, новости и рекламные акции, которые помогут поддерживать ваш автомобиль в отличной форме.

Продолжая, вы соглашаетесь с Условиями обслуживания RepairSmith.
и подтвердите, что ознакомились с Политикой конфиденциальности.
Вы также соглашаетесь с тем, что RepairSmith может общаться с вами по электронной почте, SMS или телефону.
Влияние приложенного потенциала и начального зазора между электродами на локализованное электрохимическое осаждение микрометровых медных столбиков
Введение
Поскольку метод локализованного электрохимического осаждения (LECD) был предложен Hunter et al . в 1995 г. быстро развивалась технология изготовления трехмерных микроструктур после травления и микрообработки ^1,2,3 . Метод LECD позволяет изготавливать интенсивные конструкции с высоким соотношением сторон и сложной геометрией. Учитывая, что в этом методе используется гальваническое покрытие с микроанодным управлением (MAGE) ⁴ на открытом воздухе, не требуется высококлассное оборудование и абсолютно чистое помещение ^5,6 , что делает этот метод проще, дешевле и чище, чем обычные гальванопокрытия. Кроме того, было показано, что с помощью LECD можно осаждать различные материалы, включая металлы, сплавы металлов, проводящие полимеры и даже некоторые полупроводниковые материалы ^7,8,9,10 .
Чтобы исследовать механизм локализованного электрохимического осаждения, Seol et al . ^11,12 разработал метод микрорадиологии в режиме реального времени с помощью когерентного рентгеновского излучения для мониторинга процесса LECD на месте . Они предложили качественную интерпретацию взаимодействия между диффузией и миграцией ионов металлов в процессе осаждения. Эль-Гиар и др. . ¹³ обнаружили, что электрический потенциал, концентрация раствора сульфата меди и присутствие органических добавок могут влиять на микроструктуру отложений, а также на выход по току процесса гальванического покрытия. Они также предложили оптимальный диапазон приложенного напряжения и концентрации раствора сульфата меди, а также органические добавки для формирования столбиков микромеди с мелкозернистой, гладкой поверхностью и компактной структурой. Лин и др. . ¹⁴ указали, что процесс LECD в режиме импульсного тока (ПК) был лучше, чем в режиме постоянного тока (DC). Ли и др. . ¹⁵ используется анод с более высокой прочностью, чтобы противостоять эффекту кавитации, вызванному образованием пузырьков газа на конце наконечника, и предотвратить изменение направления осаждения с вертикального на горизонтальное. В результате значительно улучшилось уплотнение осажденных медных колонн. Кроме того, были предложены и другие способы изменения состояния гальванического покрытия. Йео и др. . ¹⁶ сообщили, что ультразвуковые колебания могут увеличить скорость осаждения и улучшить концентричность изготовленных микроколонн в процессе LECD, в то же время увеличивая пористость осажденных микроколонн. В их более поздней работе ¹⁷ указывалось, что осаждение с вращением электрода приводит к образованию столбцов с кольцевым поперечным сечением, что указывает на существование однородного полого ядра внутри столбцов. Удивительно, но было проведено очень мало работ по тщательному изучению влияния экспериментальных параметров в процессе LECD на изготовление микрометровых медных колонок. Кроме того, до сих пор мало работ было посвящено влиянию распределения электрического поля на поверхности катода на процесс LECD. Однако мы считаем, что хорошее понимание влияния критических экспериментальных параметров, таких как приложенный потенциал, начальный зазор и распределение электрического поля, на процесс LECD, было бы очень важным для широкого применения процесса LECD для тонкой и сложной микроструктуры. изготовление.
В этой статье потенциал и начальный зазор между электродами регулировались во время процесса LECD для исследования структурных изменений медных столбиков микрометра. Кроме того, процесс LECD также был смоделирован с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics (сокращенно COMSOL), а распределение электрического поля было проанализировано для объяснения механизма различной морфологии поверхности микрометровых медных колонн.
Результаты
Влияние приложенного потенциала на морфологию поверхности, морфологию поперечного сечения и среднюю скорость осаждения медных колонн
На рис. 1 представлены СЭМ-изображения морфологии поверхности медных столбиков и соответствующих им поперечных сечений в месте, отмеченном линией поперек медных столбиков, осажденных при потенциалах 2,4 В, 2,6 В, 2,8 В и 3,0 В соответственно. . Видно, что как поверхность, так и морфология поперечного сечения значительно различаются при разных потенциалах. Когда потенциал составляет 2,4 В, медный столб имеет форму цилиндра с постоянным диаметром, а форма поперечного сечения близка к кругу с небольшим количеством пустот внутри. При повышении потенциала до 2,6 В на медном столбике начинают появляться опухоли. При потенциале 2,8 В появляется явление бифуркации осажденного медного столба, и форма поперечного сечения становится неправильной с некоторыми пустотами внутри. Кроме того, как только потенциал достигает 3,0 В, медный столбик принимает форму дендрифа, а его поперечное сечение полно пустот и трещин.
Рисунок 1
СЭМ морфология микрометровых медных столбиков, осажденных при различных потенциалах, и их соответствующие поперечные сечения.
Медные столбики осаждали при ( а ) 2,4 В, ( б ) 2,6 В, ( с ) 2,8 В и ( г ) 3,0 В с исходной зазор между электродами 5 мкм .
Изображение полного размера
Средняя скорость осаждения рассчитывается путем деления общей высоты медного столба на время осаждения. На рис. 2 представлен график среднего тока и средней скорости роста столбцов в зависимости от приложенного потенциала, используемого в LECD, что указывает на то, что средняя скорость осаждения увеличивается с потенциалом. При потенциале 2,2 В средняя скорость осаждения близка к нулю. Однако при повышении потенциала до 3,2 В средняя скорость осаждения возрастает до 23 мкм/с . Экспоненциальная функция, которая соответствует взаимосвязи между потенциалом и средней скоростью осаждения, выражается как
Рисунок 2
График среднего тока и средней скорости роста для столбцов в зависимости от приложенного потенциала, используемого в LECD.
Полноразмерное изображение
где Dr представляет среднюю скорость осаждения, p представляет приложенный потенциал. Таким образом, средняя скорость осаждения увеличивается экспоненциально, когда потенциал находится в диапазоне от 2,2 В до 3,2 В. Эту подогнанную модель можно использовать для прогнозирования средней скорости осаждения при другом приложенном потенциале. Кроме того, как показано на рис. 2, средний ток линейно пропорционален приложенному потенциалу, что указывает на то, что связь между наблюдаемым средним током и скоростью осаждения подобна связи между приложенным потенциалом и скоростью осаждения.
Влияние начального зазора между электродами на морфологию поверхности, морфологию поперечного сечения и среднюю скорость осаждения
СЭМ-изображения поверхности и соответствующие морфологии поперечного сечения (положение столбика меди, отмеченное линией) морфологии меди На рис.0394 мкм , медный столб имеет тенденцию к цилиндрической форме, а внутри поперечного сечения имеются пустоты. При увеличении начального зазора между электродами до 15 мкм медный столб по-прежнему имеет форму цилиндра, но количество пустот внутри поперечного сечения, по-видимому, уменьшается. Когда начальный зазор установлен равным 35 мкм , медная колонна имеет форму конуса с диаметром, уменьшающимся снизу вверх, и внутри поперечного сечения практически отсутствуют пустоты.
Рисунок 3
СЭМ морфология микрометровых медных столбиков, осажденных при различных начальных зазорах между электродами и их соответствующих поперечных сечениях.
Медные столбики наносились на начальный зазор ( a ) 5 мкм , ( b ) 15 мкм и ( c ) 35 мкм с потенциалом 2,4 В
Учитывая, что осажденная микроколонка не имеет идеальной цилиндрической формы. Таким образом, мы сначала вычислили средний диаметр для каждой колонны, как показано на вставке к рис. 4. Если мы определим диаметр произвольного поперечного сечения медной колонны как D _k средний диаметр столбца () для каждого осажденного столбца можно выразить следующим образом:

На вставке показан способ расчета среднего диаметра для одной осажденной микроколонки.
Полноразмерное изображение
где n установлено равным 20 в нашем эксперименте. Затем был получен окончательный средний диаметр с использованием четырех колонок при тех же начальных условиях зазора. На рис. 4 представлен график зависимости среднего диаметра медных столбов от начального зазора между электродами, что указывает на линейное увеличение среднего диаметра с начальным зазором между электродами. При увеличении начального зазора с 5 мкм до 30 мкм , средний диаметр колонки изменяется от 56 мкм до 130 мкм . Линейная функция используется для подбора соотношения между начальным зазором и средним диаметром столбцов следующим образом:
, где Da представляет собой средний диаметр столбцов, а h представляет собой начальный зазор между электродами.
Средняя скорость осаждения LECD рассчитывается так же, как указано выше, т. е. путем деления общей высоты медного столба на время осаждения. На рис. 5 представлена зависимость средней скорости осаждения от начального зазора между электродами. Видно, что средняя скорость осаждения уменьшается по мере увеличения начального зазора между электродами. При увеличении начального зазора с 5 мкм до 25 мкм средняя скорость осаждения снижается с 1,53 мкм/с до 0,7 мкм/с . Квадратичная функция используется для подбора соотношения между начальным зазором и средней скоростью осаждения:
Рисунок 5
График зависимости средней скорости осаждения от начального зазора между электродами.
Полноразмерное изображение
где Dr представляет собой среднюю скорость осаждения, а ч представляет собой начальный зазор между электродами. Эту подогнанную модель можно использовать для прогнозирования средней скорости осаждения при определенном начальном зазоре.
Обсуждение
Механизм влияния потенциала в процессе LECD
Как показано на рис. 1 и 2, потенциал оказывает большое влияние на морфологию поверхности и среднюю скорость осаждения. Более низкий потенциал будет подавлять скорость осаждения, что означает, что ионы меди могут диффундировать в область LECD и своевременно поставлять потребляемые ионы меди. Следовательно, когда осаждение происходит при потенциале ниже критического значения (~ 2,6 В в нашем эксперименте), осажденные медные столбики имеют компактную структуру, гладкую поверхность и правильную форму. Тем не менее, когда потенциал выше 2,6 В, скорость осаждения намного выше, что затрудняет своевременную диффузию ионов меди для подачи израсходованных ионов меди в область LECD. Таким образом, столбцы Cu имеют тенденцию быть опухолевидными, раздвоенными и дендритной формы ^13,18 .
Как показано на рис. 1, потенциал также может влиять на образование пустот внутри медных столбиков. Во время процесса LECD на поверхности катода происходят две основные реакции. Одна из реакций заключается в том, что ионы меди превращаются в атомы меди, поглощая электроны. Другой — реакция выделения водорода, то есть ионы водорода превращаются в атомы водорода, поглощая электроны. Затем эти атомы водорода объединятся, чтобы стать водородом. Процесс восстановления двух видов ионов на поверхности катода показан на рис. 6. Водород образует пузырьки внутри жидкости после отделения от катода, и они всегда прикрепляются к поверхности катода. Эти пузырьки затем будут препятствовать отложению ионов меди на месте. Если в процессе гальванопокрытия пузырьки водорода все время будут оставаться на поверхности катода, это приведет к образованию пустот или сквозной трещины внутри колонн. Раствор вблизи подложки (под микроанодом) обедняется ионами, необходимыми для разряда при более высоком токе, и если ток превышает предельное значение для данного электролита, одновременно будет выделяться большое количество водорода. по мере осаждения меди, что приводит к образованию большего количества пустот в столбце осажденной меди ¹³ . Поскольку приложенный потенциал пропорционален току, при большем потенциале внутри осажденного медного столба будет образовываться больше пустот.
Рисунок 6
Процесс восстановления ионов меди и ионов водорода на поверхности катода в процессе LECD.
Изображение полного размера
Влияние распределения электрического поля на поверхности катода в процессе LECD
Чтобы понять распределение электрического поля на поверхности катода, процесс LECD моделируется с помощью COMSOL. Плоская модель устанавливается, как показано на рис. 7 (а). В модели ширина анода, ширина катода и высота электролита равны 100 мкм , 1000 мкм и 300 мкм соответственно.
Рис. 7
( a ) Плоская модель, созданная при моделировании в COMSOL. ( b ) Распределение электрического поля на поверхности катода в начальный момент времени (0 с) на первом этапе гальваники при различных начальных зазорах с потенциалом 2,4 В в моделировании.
Изображение полного размера
Поскольку в эксперименте микроанод прерывисто перемещается вверх, процесс гальванопокрытия также является прерывистым. Процесс роста отложений из Ag-подложки до высоты ч определяется как первая стадия гальваники. Аналогично, процесс роста отложений с высоты (n-1) h до высоты nh определяется как стадия n ^th гальванического покрытия. Распределение электрического поля вокруг поверхности катода в начальный момент времени (0 с) на первой стадии гальванического покрытия при различных начальных зазорах моделируется, как показано на рис. 7 (б). Видно, что напряженность электрического поля достигает максимума в области вблизи центра катода и быстро уменьшается по мере удаления от центра. Более того, все эти кривые на рисунке практически пересекаются в двух симметричных точках. Напряженность электрического поля для двух точек составляет около 4 × 10 ⁴ В/м, а соответствующая ширина на катоде составляет около 150 мкм , что близко к диаметру дна медного столбика, осажденного при потенциале 2,4 В в эксперименте. Следовательно, может существовать критическая напряженность электрического поля ¹⁹ со значением около 4 × 10 ⁴ В/м. Когда напряженность электрического поля ниже этого порога, осаждение не произойдет.
Как показано на рис. 3, при начальном зазоре более 15 мкм медная колонна имеет тенденцию к конусу. В то время как начальный зазор меньше 15 мкм , медный столб имеет тенденцию быть цилиндром. Чтобы понять взаимосвязь между электрическим полем и формой медного столба, посредством моделирования получают изменение распределения электрического поля на поверхности катода в процессе LECD. При начальном зазоре между электродами 35 мкм карта распределения напряженности электрического поля всей области гальванического покрытия и распределения электрического поля на поверхности катода в начальный момент времени (0 с) от первой до четвертой стадии Рис. 8. Видно, что напряженность электрического поля достигает максимума в области вблизи центра катода и быстро уменьшается по мере удаления от центра. Кроме того, напряженность электрического поля на более ранней стадии меньше, чем на последней стадии, а ширина с напряженностью электрического поля выше порога (4 × 10 ⁴ В/м) непрерывно сужается, что указывает на то, что диаметр медного столбика, осажденного на катоде, будет становиться все меньше и меньше в процессе гальванического покрытия. Следовательно, это может объяснить образование конических медных столбиков в эксперименте. При уменьшении начального зазора между электродами до 5 мкм карта распределения напряженности электрического поля всей области гальванического покрытия и распределения электрического поля на поверхности катода в начальный момент времени (0 с) с первого по четвертый стадии гальваники при моделировании показаны на рис. 9. Видно, что ширина напряженности электрического поля, превышающая пороговую (4 × 10 ⁴ В/м), практически не меняется, а это означает, что диаметр медного столбика, осажденного на катоде, не изменится в процессе гальваника. Следовательно, это может объяснить образование цилиндрических медных столбиков в эксперименте.
Рис. 8
( a ) Карта распределения напряженности электрического поля всей области гальванического покрытия, смоделированная с помощью программного обеспечения COMSOL. ( b ) Распределение электрического поля на поверхности катода в начальный момент времени (0 с) от первого до четвертого этапа гальваники. Потенциал 2,4 В, начальный зазор между электродами 35 мкм .
Изображение полного размера
Рис. 9
( a ) Карта распределения напряженности электрического поля всей области гальванического покрытия, смоделированная в программе COMSOL. ( b ) Распределение электрического поля на поверхности катода в начальный момент времени (0 с) от первого до четвертого этапа гальваники. Потенциал 2,4 В, начальный зазор между электродами 5 мкм .
Увеличенное изображение
Заключение
В данной работе исследовано влияние приложенного потенциала и начального зазора между электродами на морфологию поверхности и скорость осаждения осаждаемой медной колонны. Он показывает, что медные колонны правильной формы и компактной структуры изготавливаются при низком потенциале. Когда потенциал становится выше, медный столбик имеет форму древовидной формы. Средняя скорость осаждения увеличивается с повышением потенциала. Медные столбы имеют тенденцию быть цилиндрами, когда начальный зазор между электродами мал, тогда как медные столбы имеют тенденцию быть конусообразными, когда начальный зазор становится больше. Средняя скорость осаждения уменьшается с увеличением начального зазора между электродами.
Согласно моделированию COMSOL, мы обнаружили, что на диаметр медного столба влияет распределение электрического поля на катоде. Когда начальный зазор между электродами достаточно велик, ширина с напряженностью электрического поля выше порога (4 × 10 ⁴ В/м) непрерывно сужается. При малом начальном зазоре между электродами ширина при напряженности электрического поля выше порога (4 × 10 ⁴ В/м) практически не меняется. Различием распределения электрического поля на катоде можно объяснить образование в эксперименте цилиндрических и конических медных столбиков.
Методы
В качестве анода использовали платиновую проволоку (диаметром 100 мкм ), изолированную в капиллярной стеклянной трубке, заполненной эпоксидной смолой. Катод был изготовлен из медной подложки, покрытой серебром (6 мм × 4,5 мм × 0,1 мм), залитой эпоксидной смолой. Передняя поверхность катодной пластины была отшлифована несколькими наждачными шкурками и отполирована влажным способом до получения зеркальной поверхности ²⁰ . Электролит, использованный в этом исследовании, состоял из 0,8 M сульфата меди (CuSO ₄ · 5H ₂ О) при комнатной температуре.
На рис. 10 представлена схема экспериментальной установки для локализованного электрохимического осаждения и последовательные диаграммы, показывающие рост микрометрового столбика меди в процессе LECD. Микроанод приводился в действие микрошаговым двигателем для прерывистого движения вверх и управлялся компьютерным интерфейсом. Поскольку микроанод каждый раз прерывисто перемещается вверх на одну и ту же высоту, процесс гальванического покрытия также периодически повторяется. В начале каждого цикла микроанод находился в контакте с катодом. Перед началом гальванического покрытия микроанод перемещался вверх под управлением микрошаговых двигателей, образуя начальный зазор размером ч между кончиком микроанода и верхней поверхностью катода. Когда начался процесс гальваники, медный столбик продолжал расти из Ag-подложки. Как только вершина растущего медного столба коснулась кончика микроанода, микроанод переместился вверх, чтобы получить еще один зазор ч .
Рисунок 10
( a ) Схема экспериментальной установки для локализованного электрохимического осаждения. ( b ) Последовательные диаграммы, показывающие рост микрометровой медной колонны в процессе LECD.
Изображение в полный размер
Сканирующий электронный микроскоп (SEM) (TESCAN MIRA3 LMU) использовали для исследования морфологии поверхности и микроструктуры микрометрических медных колонок. Чтобы увидеть поперечное сечение медной колонны, ее заливали эпоксидной смолой, а затем полировали до зеркальной поверхности, используя серию наждачной бумаги и суспензию мелкодисперсного оксида алюминия.
Дополнительная информация
Как цитировать эту статью : Wang, F. et al . Влияние приложенного потенциала и начального зазора между электродами на локализованное электрохимическое осаждение микрометровых медных столбиков. Науч. 6 , 26270; doi: 10.1038/srep26270 (2016).
Ссылки
- Сад, Р. А. Формирование микроструктур, изготовленных методом локализованного электрохимического осаждения. Дж. Электрохим. соц. 150, C549–C557 (2003).
  Артикул
  Google Scholar
- Мэдден, Дж. Д. и Хантер, И. В. Трехмерное микропроизводство с помощью локализованного электрохимического осаждения. Дж. Микроэлектромех. С. 5, 24–32 (1996).
  Артикул
  КАС
  Google Scholar
- Шустер Р., Киршнер В., Аллонг П. и Эртл Г. Электрохимическая микрообработка. Наука. 289(5476), 98–101 (2000).
  Артикул
  КАС
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google Scholar
- Lin, J.C. et al. Изготовление микрометрических колонок из никеля методом непрерывного и прерывистого гальванопокрытия с микроанодным управлением. Дж. Микромех. Микроангл. 15, 2405 (2005).
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google Scholar
- Саид Р. А. Микротехнология методом локализованного электрохимического осаждения: экспериментальное исследование и теоретическое моделирование. Нанотехнологии. 14, 523–531 (2003).
  Артикул
  КАС
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google Scholar
- Чу, Дж. Х., Йео, С. Х. и Тан, Ф. Ф. Гибкие инструменты для локального электрохимического осаждения с микросистемными технологиями проволочного электроразрядного шлифования. микросистема Технол. 10, 127–136 (2004).
  Артикул
  КАС
  Google Scholar
- Бард, А. Дж., Хюссер, О. Э. и Крастон, Д. Х. Осаждение и травление с высоким разрешением в полимерных пленках. Патент США 4 968 390 (1990).
- Янссон, А., Торнелл, Г. и Йоханссон, С. Трехмерные микроструктуры высокого разрешения, полученные методом локализованного электроосаждения никеля. Дж. Электрохим. соц. 147, 1810–1817 (2000).
  Артикул
  КАС
  Google Scholar
- Lin, J.C. et al. Изготовление микрометрической колонки из сплава Ni–Cu, соединенной с медной микроколонкой для тепловых измерений. Дж. Микромех. Микроангл. 19, 15030 (2009).
  Артикул
  Google Scholar
- Пан Э, С. и др. Влияние сахарина на локализованное электрохимическое осаждение микроколонок Cu–Ni с высоким содержанием меди. Электрохим. коммун. 13, 973–976 (2011).
  Артикул
  КАС
  Google Scholar
- Сеол, С., Пьюн, А., Хву, Ю. , Маргаритондо, Г. и Дже, Дж. Локализованное электрохимическое осаждение меди под контролем с помощью рентгеновской микрорадиографии в режиме реального времени. Доп. Функц. Матер. 15, 934–937 (2005).
  Артикул
  КАС
  Google Scholar
- Seol, S.K. et al. Когерентная микрорадиология непосредственно наблюдает эффект критического расстояния катод-анод при локализованном электрохимическом осаждении. Электрохим. Твердый. ул. 7, стр.95–C97 (2004).
  Артикул
  КАС
  Google Scholar
- Эль-Гиар Э. М., Саид Р. А., Бриджес Г. Э. и Томсон Д. Дж. Локализованное электрохимическое осаждение микроструктур меди. Дж. Электрохим. соц. 147, 586–591 (2000).
  Артикул
  КАС
  Google Scholar
- Лин, Дж. К., Чанг, Т. К., Ян, Дж. Х., Чен, Ю. С. и Чуанг, К. Л. Локализованное электрохимическое осаждение микрометрических медных колонок методом импульсного покрытия. Электрохим. Акта. 55, 1888–189 гг.4 (2010).
  Артикул
  КАС
  Google Scholar
- Lee, C., Lin, C. & Lin, B. Улучшение процесса локализованного электрохимического осаждения за счет использования различных анодов и направлений осаждения. Дж. Микромех. Микроангл. 18, 105008 (2008).
  Артикул
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google Scholar
- Йео, С. Х., Чу, Дж. Х. и Сим, К. О влиянии ультразвуковых колебаний на локализованное электрохимическое осаждение. Дж. Микромех. Микроангл. 12, 271–279(2002).
  Артикул
  КАС
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google Scholar
- Йео, С. Х. и Чу, Дж. Х. Влияние роторного электрода на изготовление микроструктур с высоким соотношением сторон путем локализованного электрохимического осаждения. Дж. Микромех. Микроангл. 11, 435–442 (2001).
  Артикул
  КАС
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google Scholar
- Чанг Т. К. и др. Поверхностная и поперечная морфология микрометровых никелевых колонок, изготовленных методом локализованного электрохимического осаждения. Дж. Микромех. Микроангл. 17, 2336–2343 (2007).
  Артикул
  КАС
  ОБЪЯВЛЕНИЯ
  Google Scholar
- Lin, C.S., Lee, C.Y., Yang, J.H. & Huang, Y.S. Улучшенная медная микроколонка, изготовленная методом локализованного электрохимического осаждения. Электрохим. Твердый. Ст. 8, С125–С129 (2005).
  Артикул
  КАС
  Google Scholar
- Ян, Дж. Х., Лин, Дж. К., Чанг, Т. К., Лай, Г. Ю. и Цзян, С. Б. Оценка степени локализации при локализованном электрохимическом осаждении меди. Дж. Микромех. Микроангл. 18, 55023 (2008).
  Артикул
  Google Scholar
Скачать ссылки
Благодарности
Авторы выражают благодарность Департаменту науки и технологий Китая по программе 973 (контракт №: 2015CB057202), Фонду естественных наук Китая (контракт №: 51575542), проекту Discovery. Государственной ключевой лаборатории высокопроизводительного комплексного производства (контракт №: ZZYJKT2015-09) и Инновационный план CSU (контракт №: 2016CX010) для их поддержки.
Информация об авторе
Авторы и филиалы
1. Государственная ключевая лаборатория высокопроизводительного комплексного производства, Чанша, 410083, Китай
  Фулян Ван, Хунбинь Сяо и Ху Хе
2. Школа машиностроения и электротехники, Центральный Юг University, Changsha, 410083, China
  Fuliang Wang, Hongbin Xiao & Hu He
Авторы
1. Fuliang Wang
  Посмотреть публикации авторов
  Вы также можете искать этого автора в
  PubMed Google Scholar
2. Hongbin Xiao
  Просмотр публикаций автора
  Вы также можете искать этого автора в
  PubMed Google Scholar
3. Hu He
  Просмотр публикаций автора
  Вы также можете искать этого автора в
  PubMed Google Scholar
Contributions
F.