Una montaña rusa térmica: desentrañando la dependencia de la temperatura en las determinaciones CVS

La fabricación de placas de circuito impreso (PCB) es un proceso complejo. El diseño de la PCB requiere controlar con precisión las concentraciones de aditivos orgánicos durante el paso de cobreado. El análisis de extracción voltamperométrica cíclica (CVS) se utiliza para medir y cuantificar la concentración de estos aditivos. Las variaciones de temperatura pueden afectar la precisión del análisis CVS. Por lo tanto, es importante monitorear y controlar la temperatura del baño de cobre. 

Este artículo presenta la metodología para determinar los aditivos orgánicos en baños de cobre y explica cómo la temperatura afecta las mediciones de CVS. Además, se demuestra una forma sencilla y eficaz de lograr una mejora innovadora de la precisión en el análisis de aditivos orgánicos.

Descripción general de los PCB, el revestimiento de cobre y los aditivos orgánicos

Los dispositivos electrónicos continúan reduciéndose de tamaño al tiempo que amplían su funcionalidad y rendimiento. Por esta razón, cada milímetro de espacio en una placa de circuito impreso es un bien preciado. Los diseños de PCB modernos superan los límites: aumentan el número de vías de conexión y, al mismo tiempo, reducen las distancias de interconexión [1]. Esta creciente complejidad impone requisitos estrictos al proceso de producción, donde la precisión es primordial.

Entre los pasos cruciales en la fabricación de PCB, revestimiento de cobre galvánico de los agujeros y la superficie del tablero cobra protagonismo. Este proceso utiliza aditivos orgánicos como supresores, abrillantadores, y niveladores para lograr un control preciso sobre las propiedades físicas del cobre chapado. Es imperativo mantener la concentración de estos aditivos orgánicos dentro de un rango de concentración muy estrecho.

Cómo medir y cuantificar la concentración de aditivos orgánicos

La compleja interacción entre los aditivos orgánicos y el propio proceso de revestimiento de cobre se investiga mediante decapado voltamperométrico cíclico. CVS utiliza uno de los principios más simples de la electroquímica: la velocidad de galvanoplastia. Ésta es la velocidad a la que se deposita una capa de cobre sobre la superficie de un sustrato.

Para realizar el análisis CVS, se emplea una celda electroquímica equipada con un sistema de tres electrodos. Uno de ellos es un electrodo de disco de platino giratorio, controlado con precisión por el instrumento (Figura 1).  

Efectos de los aditivos orgánicos en el proceso de cobreado.

En general, el supresor reduce la cantidad de cobre recubierto cuando se agrega a la solución de recubrimiento (Figura 2A). Cuando se introduce en una solución de cobre saturada con supresor (también conocida como «solución interceptora»), el abrillantador aumenta la cantidad de cobre chapado (Figura 2B). La adición de un nivelador a un baño de revestimiento reduce la altura del pico de cobre. Sin embargo, el efecto del nivelador sobre la tasa de deposición de cobre es menos eficiente que el del supresor [2].

Fuentes de variación de temperatura durante la medición de la muestra.

Vale la pena considerar las variaciones de temperatura que puedan ocurrir al determinar los aditivos orgánicos en los baños de cobre. La temperatura de la muestra puede diferir significativamente de la temperatura de otras soluciones utilizadas para la medición (p. ej., solución interceptora). Esto se puede atribuir a varios factores, tales como:

1. uso de una unidad de aire acondicionado o ventilación cerca del dispositivo
2. Fluctuaciones diurnas de temperatura: la calibración se realiza por la mañana (temperaturas más bajas) mientras que las mediciones se realizan por la tarde a temperaturas más altas.
3. Condiciones reales del proceso frente a entornos de laboratorio: la diferencia entre la temperatura de funcionamiento del baño (p. ej., 50 °C) y la temperatura ambiente del laboratorio (20–25 °C).

Aunque estas situaciones son comunes, a menudo se pasan por alto. Todo esto puede influir negativamente en la precisión a la hora de determinar los aditivos orgánicos con CVS.

Descubriendo la influencia de la temperatura en la determinación del supresor 

La influencia de las diferencias de temperatura en la precisión de la determinación del supresor se investigó utilizando la técnica de titulación por dilución (DT). Para simular condiciones realistas y relevantes, se registraron cuatro curvas de calibración a diferentes temperaturas de solución (20, 24, 28 y 32 °C). 

Como la temperatura de calibración (T_C) aumentó, se observaron cambios significativos en la pendiente de la curva de calibración DT (figura 3). Esto apunta a una correlación positiva entre la temperatura de la solución y el efecto inhibidor del aditivo supresor. El aumento de la temperatura de la solución da como resultado un efecto inhibidor mejorado del aditivo supresor. En última instancia, se requiere una concentración más baja de supresor para disminuir la velocidad de recubrimiento al mismo nivel (figura 3, Linea discontinua).

A continuación, se realizaron cuatro determinaciones adicionales utilizando las mismas temperaturas (temperatura de determinación, T_d) como para las curvas de calibración en figura 3. A continuación, estas determinaciones se recalcularon transversalmente con las diferentes curvas de calibración. Esto se hizo para investigar el efecto de la diferencia de temperatura entre las soluciones de calibración y de muestra sobre la precisión de la determinación del supresor. Los resultados de este recálculo transversal se muestran en tabla 1.

Se pueden obtener resultados precisos con una tasa de recuperación entre 90 y 110 % cuando T_d está dentro de ± 8 °C de T_C. Estos hallazgos respaldan firmemente la comprensión común de la intrincada relación entre la temperatura y la eficacia de los supresores. También explican la inexactitud de los resultados obtenidos por algunos usuarios y justifican el razonamiento para mejorar el control de la temperatura de la solución durante la determinación de CVS.

Explorando el efecto de la temperatura en el comportamiento del abrillantador.

La cuantificación de la concentración de abrillantador se basa en la Técnica de Aproximación Lineal Modificada (MLAT). MLAT asume una relación lineal entre concentración y señal. El efecto de la temperatura sobre esta correlación se exploró utilizando alícuotas de abrillantador.

Se registraron curvas de adición estándar en un rango de concentración de abrillantador de 0 a 12 ml/l. Se evaluaron varias temperaturas (20, 25, 30, 35 y 40 °C) para cada solución de medición de abrillantador. Las curvas de adición estándar registradas a estas temperaturas se presentan en Figura 4. 

Las señales más altas resultan del aumento de la temperatura de las soluciones de medición. Sin embargo, cuando la temperatura de la solución de medición superó los 30 °C, no fue evidente una correlación lineal entre la señal y la concentración (Figura 4, líneas puntedas).

La temperatura de la solución de medición se ve influenciada tanto por la solución auxiliar (solución interceptora) como por la muestra añadida. Para investigar la influencia de la temperatura de la muestra en los resultados, se probaron diferentes proporciones de mezcla de la muestra y la solución interceptora a temperaturas de 20 a 40 °C. La temperatura de la solución auxiliar se mantuvo constante a 25 °C. El efecto de la temperatura de la muestra sobre la tasa de recuperación se muestra en Tabla 2.

Esta tabla muestra que si hay una diferencia de temperatura de más de 10 °C entre la solución interceptada y la muestra, y la fracción de muestra supera el 48 % de toda la solución de medición, entonces la tasa de recuperación de una solución estándar es superior al 110 %.

Soluciones Metrohm para afrontar los desafíos de temperatura durante las determinaciones CVS

Metrohm se compromete a ayudar a los clientes a lograr la máxima precisión y exactitud en su trabajo de laboratorio. Esto se extiende a la determinación de aditivos orgánicos en baños de cobre. El resultado es el desarrollo de soluciones CVS sencillas y convenientes para superar los problemas derivados de las diferencias de temperatura. 

El 894 CVS profesional (Figura 1), acoplado al sensor de temperatura Pt1000 (Figura 5), permite el monitoreo de temperatura en tiempo real durante las determinaciones de CVS. Esta integración simple y efectiva garantiza condiciones óptimas para cada análisis. El sensor de temperatura Pt1000 puede identificar cambios de 0,1 °C. Con sólo un pequeño ajuste en el software viva es posible una determinación de aditivos orgánicos totalmente automatizada y con temperatura controlada.

Complementando este potente dúo, el recipiente medidor con camisa termostática (Figura 6) añade una capa adicional de control y estabilidad. Este entorno termostatizado para la solución interceptada y la muestra elimina las diferencias de temperatura que pueden afectar la precisión de las determinaciones CVS. 

Se pueden lograr resultados consistentes y confiables al determinar los aditivos orgánicos en baños de cobre. Esto es posible utilizando el 894 Professional CVS (o 884 Professional VA) equipado con el sensor de temperatura Pt1000, junto con un recipiente de medición con camisa termostática conectado a cualquier circulador de baño de agua termostatizado. 

Resumen

Metrohm ofrece varias soluciones que pueden mejorar la precisión y confiabilidad del análisis CVS, asegurando que los procesos de fabricación de PCB alcancen su máximo potencial. Al utilizar un sensor de temperatura altamente sensible y un recipiente de medición con camisa termostática, las determinaciones CVS se pueden realizar de manera confiable y reproducible, eliminando errores por diferencias de temperatura.

Referencias

[1]lesley. Cómo evitar los efectos negativos de las vías en el diseño de PCB de alta velocidad. PCBWAY.

[2] Ming-Yao Yen; Ming-Hung Chiang; Hsu-Hsin Tai; et al. Tecnología de galvanoplastia de próxima generación para relleno de microvías de alta planaridad y mínima deposición superficial. En 2012 7ma Conferencia Internacional de Tecnología de Microsistemas, Embalaje, Ensamblaje y Circuitos (IMPACT); IEEE: Taipei, Taiwán, 2012; págs. 259–262. DOI:10.1109/IMPACT.2012.6420290

Tus conocimientos para llevar

Papel blanco: Desarrollo de método CVS automatizado y optimización de baños de revestimiento multicomponente 

Folleto: 894 Professional CVS – Decapado Voltamétrico Cíclico para la determinación de aditivos en baños de galvanoplastia