-
Tercer Congreso Virtual, Microcontroladores y sus
Aplicaciones
Congreso 2014, Pgina 1
Metalizado de Superficies no Conductoras destinado al
recubrimiento de Through-holes
Ivana Tondato; Jos Mara De Paoli; Claudio Cavallero; Carla
Bruno
Universidad Tecnolgica Nacional- Facultad Regional
Avellaneda
Laboratorio Abierto - Departamento de Qumica
Argentina
Correo-e: [email protected];
[email protected];[email protected];
[email protected]
Abstract. La electrodeposicin permite el recubrimiento de
superficies conductoras con metales. Sin
embargo, no es aplicable sobre materiales que carecen de esta
propiedad. El denominado proceso de
ELECTROLESS logra, mediante una secuencia de reacciones redox,
plagar extensiones inertes de centros activos. De forma tal, que el
rea resulta apta para la autocatalizacin. Metales como el Cu
poseen innumerables aplicaciones pero, especialmente en el campo
de la electrnica, resultan de vital
importancia en el grabado de pistas. De ah, el inters por
generar mecanismos que admitan
depositarlo en geomtricas complejas. Tal es el caso de los
espacios Through-holes donde cualquier
artilugio mecnico como ser remaches o rudimentarios puentes,
incrementan la resistencia de los
circuitos y entorpecen el acabado de los mismos...
1 Introduccin
La historia de los circuitos impresos nace de la mano
de Paul Eisler (1907-1995), ingeniero austriaco,
quien los diseo como parte componente de una radio
por el ao 1938.
Probablemente este invento adquiri su importancia
durante la segunda guerra mundial, cuando fue
utilizado en la construccin de una espoleta de
proximidad vital para contrarrestar la bomba area
alemana V-1. Con el pasar de los aos y la resolucin
de los hechos, la tecnologa fue expandindose desde
la aviacin hasta el uso domstico.
Actualmente los circuitos electrnicos poseen
diversas escalas de complejidad en su fabricacin y
diseo: existen desde aquellos denominados de
simple faz hasta circuitos multicapa. Sin embargo, la
idea inicial de ser caminos conductores soportados
por medios aislantes se conserva en cada uno de
ellos.
Las plaquetas FR2 estn compuestas por cartn
presando embebido en una resina plastificante. El
cobre que en ellas se observa es fuertemente adherido
mediante un adhesivo y no por un proceso qumico.
Es decir, no se trata de una interaccin molecular de
los componentes sino ms bien de un proceso de
laminacin.
Lo mismo sucede con las placas FR4 donde cada
lmina externa de cobre constituye una cara viable
para la impresin de pistas. Quienes son
interconectadas entre s mediante through holes y, en
el peor de los casos, remaches.
Es en este punto cuando se torna interesante
comprender la tecnologa electroless. Si bien el
objetivo es simular un proceso de galvanizado, se ve
beneficiada debido a que no requiere que las
superficies a recubrir posen propiedades catdicas;
bastas con que se generen cavidades capaces de
almacenar iones fcilmente oxidables.
2 Metalizacin
El proceso electroless consiste en una secuencia de
reacciones redox autocatalticas ya que no es
necesario proporcionar una fuente de corriente
externa para su inicio y regulacin. Si bien es un
mecanismo simple, las reas a ser tratar requieren de
una serie de tratamientos previos. A continuacin
detallaremos cada uno de ellos.
2.1 Limpieza de las superficies
Este quizs sea el paso de menor complejidad del
proceso pero si el de mayor vitalidad. Puesto que si la
superficie no se encuentra adecuadamente limpia,
todos las dems etapas sern soportados sobre
impurezas o suciedad. Dejando librado al azar la
efectividad del metalizado.
De esta forma, se comienza lavando las superficies a
tratar con una solucin limpiadora. La misma
-
2
consiste en una mezcla homognea de: tenso activo
aninico, agua e isopropanol.
Materia prima % p/v
Tenso activo aninico 2-4
Isopropanol 20-30
Agua A volumen
Tabla 1: Composicin solucin limpiadora.
Las plaquetas deben ser sumergidas en su totalidad en
la solucin donde permanecern por un tiempo
aproximado de 15 minutos.
Hecho esto, deben retirarse cuidadosamente evitando
ser tocadas directamente con las manos (se sugiere el
empleo de guantes de latex o nitrilo) Las mismas,
deben reposar hasta que se encuentren secas.
nicamente, cuando se haya completado 100 % esta
etapa, se puede considerar a las extensiones aptas para el
proceso.
2.2 Mordentado por rugosidad
Solo con limpiar el rea a tratar no basta para que el
proceso sea exitoso.
Desde un punto de vista fsico qumico, se est
trabajando con materiales que carecen de electrones
y/o cargas capaces de interactuar como lazos de
unin entre sustancias. Por ello, es menester
asegurarse que la zona a recubrir por el metal sea lo
ms rugosa posible formando valles microscpicos.
Son precisamente estos valles los que funcionan de
cavidades contendoras durante la fase de activacin.
Imagen 1: Vista de perfil de una superficie rugosa
Los metales pertenecientes al pre activado se
depositaran sobre las depresiones y funcionaran como
iones intercambiables en el proceso de activado.
Inicialmente en este trabajo, se crea que la
utilizacin de solucin sulfocrmica ayudara a
aumentar la rugosidad de los agujeros conectores
entre ambas caras. Sin embargo, se observaron los
siguientes fenmenos:
1) La solucin sulfocrmica es demasiado oxidante atacando de
sobremanera el
recubrimiento de cobre.
2) Si bien el ngulo de contacto de las gotas se vio ampliamente
acrecentado (mayor
mojabilidad) la rugosidad generada no
causo mejoras significativas.
3) Al generarse las perforaciones necesarias para conectar ambas
pistas, se crea tambin
una zona de rugosidad apropiada para que se
depositen los iones del pre activado.
MOJABILIDAD
PLACA T (c) TIEMPO
(MIN)
FRENTE
(grados)
DORSO
(grados)
FR2 70
40 72,83 81,29
50 66,47 74,96
60 58,74 81,31
FR4 70 30 74,92 78,93
50 54,11 72,97
Tabla 2: Valores de mojabilidad segn tiempo de
exposicin a solucin sulfocrmica y tipo de sustrato.
Materia prima %p/v
K2Cr2O7 1-3
H2SO4 30-50
Agua A volumen
Tabla 3: Solucin sulfocrmica
2.3 Pre activado de la superficie
Bsicamente el pre activado consiste en un bao de
SnCl2. 2H2O en un medio acido que evite la
formacin de precipitados. En general, el Sn
reacciona en sistemas bsicos formando precipitados.
Lo cual representa una disminucin considerable del
rendimiento del proceso. Ya que son precisamente los
tomos de Sn los que funcionan como mediadores en
el anclaje de los metales del grupo IB a las zonas no
conductoras.
Sin la presencia de estos ltimos tomos sera
imposible lograr la deposicin del Cu. Puesto que
para que eso suceda es necesario que el potencial de
reduccin del compuesto frente al cual debe
reaccionar el Cu sea menor que el de ste. De otra
forma, el Cu seguir formando parte de la solucin
electroless y nunca se adherir a la superficie.
En este trabajo se han manipulado dos tipos de
soluciones de pre activado. La primera de ellas con
una concentracin moderada de HCl como
acidificante y la segunda mucho ms acentuada en
esta sustancia. Los resultados indicaron que a pesar
que la solubilidad del SnCl2. 2H2O mejora con el
agregado de HCl, la efectividad subsecuente del
-
Tercer Congreso Virtual, Microcontroladores y sus
Aplicaciones
Congreso 2014, Pgina 3
mtodo se ve segregada. Ya que la interaccin de los
cloruros libres con los tomos de Ag es tal que esta
misma no queda disponible para reaccionar con la
solucin de Cu. Careciendo de sentido todo la etapa
de activacin.
Materia prima %p/v
SnCl2. 2 H2O 2-5
HCl 6-10
Agua A volumen
Tabla 4: Solucin de pre activado.
2.4 Activado
Lo que se busca en esta etapa es intercambiar los
tomos de Sn que quedaron depositados en las
cavidades de la superficie por tomos del grupo IB.
Se requieren especficamente estos tomos y no otros
ya que poseen en su configuracin electrnica
externa electrones libres que capaces de permitir la
unin electroqumica deseada en una reaccin redox.
Muchas bibliogrficas siguieren el hecho de la
utilizacin de Pd como activador. Sin embargo, el
valor del mismo desalienta su empleo. En este
proyecto se han puesto en prctica soluciones en base
a Ag en medio bsico, obtenindose performances
igualmente aceptables.
Lo verdaderamente importante es que luego de cada
etapa las placas sean enjuagas con agua destilada y se
dejen secar perfectamente. La eliminacin de
residuos de cada subproceso asegura el xito del
conjunto.
Materia prima %p/v
AgNO3 0,1-0,3
Agua Amoniacal 1-3
Agua A volumen
Tabla 5: Solucin de activado.
2.5 Deposicin Electroless
Es crucial en esta instancia las variables de pH y
temperatura.
La reaccin redox que aqu se lleva a cabo es
extremadamente sensible al pH. Tal es el caso que a
pHs superiores a 13, la misma se ve totalmente
detenida y a valores inferiores a 10 no se logra
alcanzar la energa de activacin requerida para el
inicio de la reaccin. Resultando totalmente truco
cualquier el mecanismo de metalizacin.
En cuanto a la temperatura, es el artilugio que se
tiene para controlar la velocidad con que reacciona.
Ya que si bien, puede creerse que culminar el proceso
a la mayor velocidad posible sera el escenario
deseado, se presentan otras sutilezas a tener en
cuenta. La solucin electroless utilizada cuenta con
formaldehido como agente reductor fuerte. Esto
implica que el producto al oxidarse se convierte en
parte en H2(g) . Dicho gas en el seno del fluido
producir burbujas que dificultaran la adherencia del
cobre sobre el circuito. Una forma de evitar la brusca
formacin de burbujas es controlando la temperatura
y moviendo lentamente cada un periodo de tiempo
considerable el recipiente contendor. De forma tal de
liberar las burbujas hacia la superficie externa. Se ha
encontrado que una temperatura entre 40 - 60 C
favorece considerablemente la reaccin.
Materia prima %p/v
CuSO4. 5H2O 0,5-0,8
EDTA 1-3
HCHO 0,2-0,5
Tenso activo 0,1-0,5
Agua A volumen
Tabla 6: Solucin electroless.
3 Consideraciones tcnicas
La gran dificultad de esta metodologa no erradica en
metalizar la superficie no conductora sino en cmo
metalizarla. Se han intentado recubrir los through
holes una vez que las pistas estaban grabadas sobre
las placas. Sin embargo, los resultados fueron
negativos ya que el proceso es no selectivo y no solo
se metalizaba las cavidades sino tambin los espacios
libres entre pistas cortocitcuitando las placas.
Tambin se prob proteger las placas con una laca
antisoldante. Pero el cobre tambin se deposita sobre
ella y es muy difcil de retirar luego, daando la
estructura del circuito en s.
La mejor alternativa para esta metodologa es cobrear
los agujeros antes de realizar el grabado de las placas
y proteger los mismos del proceso de decapado
necesario. Aunque, si se recurre a este va, se necesita
trabajar con gran exactitud a la hora de perforar las
placas puesto que luego estos deben coincidir con las
pistas a grabar.
Esta etapa aun constituye un desafo en el proceso.
-
4
4 Conclusiones
Todos los tipos de placas ensayadas lograron ser
metalizadas. No se ha evidencia diferencia entre
cobrear una placa FR2 de una FR4 a pesar de que sus
materiales conformantes sean distintos.
Es de suma importancia la limpieza de las
superficies, as como los lavados entre etapas.
Existen alternativas econmicas al Pd como activador
que evidencian rendimientos satisfactorios.
La performance de las soluciones electroless se ve
acrecentada en atributos finales como: aspecto y
adherencia, por la suma de un tenso activo a la
misma.
Es clave la eleccin de la metodologa de produccin
de las placas. No es lo mismo metalizar los agujeros
primero y luego decapar que viceversa. No debe
perderse de vista que el proyecto en gran medida
depende de eso.
Agradecimientos
Agrademos pblicamente a las autoridades de la
Universidad Tecnolgica Nacional- Facultad
Regional Avellaneda quienes nos han brindado el
espacio fsico y el sustento econmico para llevar a
cabo este proyecto. As como tambin, en especial
reconocimiento a los ingenieros: Daniel Acerbi y
Cristian Conejeros que han dado todo si en bsqueda
del xito.
Referencias
Universidad de Guadalajara Centro Universitario de
Ciencias Exactas e Ingenieras. Laboratorio de
Electroqumica y Corrosin (LEC). Prctica #32
Metalizado de plsticos.
Estudio del proceso electroless para el metalizado de
modelos plsticos usados en electroconformado-
N.Daz, M.D. Marrero, M.D. Monzn, P.M.
Hernndez.
Electroless deposition of Copper.Milan Paunovic,
Copyright 2014. Ivana Tonato, Jos Mara De Paoli, Claudio
Cavallero, Carla Bruno: Los autores delegan a la Organizacin del
Tercer Congreso Virtual de Microcontroladores la licencia para
reproducir este documento
para los fines del Congreso ya sea que este artculo se publique
en el sitio web del congreso, en un CD o en un
documento impreso de las ponencias del Segundo Congreso Virtual
de Microcontroladores.
