Les montagnes russes thermiques : Démêler la dépendance de la température dans les déterminations CVS

La fabrication de cartes de circuits imprimés (PCB) est un processus complexe. La disposition des circuits imprimés exige un contrôle précis des concentrations d'additifs organiques au cours de l'étape de cuivrage. L'analyse par voltampérométrie cyclique (CVS) est utilisée pour mesurer et quantifier la concentration de ces additifs. Les variations de température peuvent affecter la précision de l'analyse CVS. Il est donc important de surveiller et de contrôler la température du bain de cuivrage.

Cet article présente la méthodologie de détermination des additifs organiques dans les bains de cuivrage et explique comment la température affecte les mesures CVS. En outre, il présente une méthode simple et efficace permettant d'améliorer considérablement la précision de l'analyse des additifs organiques.

Aperçu des PCB, du cuivrage et des additifs organiques

Les dispositifs électroniques continuent de réduire leur taille tout en augmentant leurs fonctionnalités et leurs performances. C'est pourquoi chaque millimètre d'espace sur un circuit imprimé est une denrée précieuse. Les schémas de circuits imprimés modernes repoussent les limites : ils augmentent le nombre de trous de connexion tout en réduisant les distances d'interconnexion [1]. Cette complexité croissante impose des exigences strictes au processus de production, où la précision est primordiale.

Parmi les étapes cruciales de la fabrication des circuits imprimés, le placage galvanique des trous de forage et de la surface du circuit imprimé occupe une place centrale. Ce processus utilise des additifs organiques tels que des suppresseurs, des azurants et des niveleurs pour contrôler avec précision les propriétés physiques du cuivre plaqué. Il est impératif de maintenir la concentration de ces additifs organiques dans une fourchette très étroite.

Comment mesurer et quantifier la concentration des additifs organiques ?

L'interaction complexe entre les additifs organiques et le processus de placage du cuivre lui-même est étudiée à l'aide de la technique du stripping voltampérométrique cyclique (CVS). Le CVS utilise l'un des principes les plus simples de l'électrochimie : la vitesse d'électrodéposition. Il s'agit de la vitesse à laquelle une couche de cuivre est déposée sur la surface d'un substrat.

Pour effectuer l'analyse CVS, une cellule électrochimique équipée d'un système à trois électrodes est utilisée. L'une d'entre elles est une électrode rotative à disque de platine, contrôlée avec précision par l'instrument (Figure 1).  

Effets des additifs organiques sur le processus de cuivrage

En général, le suppresseur réduit la quantité de cuivre plaqué lorsqu'il est ajouté à la solution de placage (Figure 2A). Lorsqu'il est introduit dans une solution de cuivre saturée en suppresseur (également appelée "solution d'interception"), l'azurant augmente la quantité de cuivre plaqué (Figure 2B). L'ajout d'un niveleur à un bain de placage réduit la hauteur du pic de cuivre. Cependant, l'effet du niveleur sur la vitesse de dépôt du cuivre est moins efficace que celui du suppresseur. [2].

Sources de variation de la température pendant la mesure de l'échantillon

Il est utile de tenir compte des variations de température qui peuvent survenir lors de la détermination des additifs organiques dans les bains de cuivrage. La température de l'échantillon peut différer de manière significative de la température des autres solutions utilisées pour la mesure (par exemple, la solution d'interception). Ceci peut être attribué à différents facteurs, tels que :

1. l'utilisation d'un climatiseur ou d'une bouche d'aération à proximité de l'appareil
2. les fluctuations diurnes de la température : l'étalonnage est effectué le matin (températures plus basses) tandis que les mesures sont effectuées l'après-midi à des températures plus élevées
3. les conditions réelles du processus par rapport aux paramètres du laboratoire : la différence entre la température de fonctionnement du bain (par exemple, 50 °C) et la température ambiante du laboratoire (20-25 °C).

Bien que ces situations soient courantes, elles sont souvent négligées. Toutes ces situations peuvent avoir une influence négative sur la précision de la détermination des additifs organiques avec le CVS..

Démêler l'influence de la température sur la détermination du suppresseur

L'influence des différences de température sur la précision de la détermination du suppresseur a été étudiée à l'aide de la technique de titrage par dilution (DT). Pour simuler des conditions réalistes et pertinentes, quatre courbes d'étalonnage à différentes températures de solution (20, 24, 28 et 32 °C) ont été enregistrées.

Lorsque la température d'étalonnage (Tc) a été augmentée, des changements significatifs ont été observés dans la pente de la courbe d'étalonnage DT (Figure 3). Cela indique une corrélation positive entre la température de la solution et l'effet inhibiteur de l'additif suppresseur. L'augmentation de la température de la solution renforce l'effet inhibiteur de l'additif suppresseur. En fin de compte, une concentration plus faible de suppresseur est nécessaire pour réduire le taux de métallisation au même niveau. (Figure 3, ligne en pointillé).

Ensuite, quatre déterminations supplémentaires ont été effectuées en utilisant les mêmes températures (température de détermination, Td) que pour les courbes d'étalonnage de la figure 3. Ces déterminations ont ensuite été recalculées transversalement avec les différentes courbes d'étalonnage. Ceci a été fait pour étudier l'effet de la différence de température entre les solutions d'étalonnage et les solutions d'échantillon sur la précision de la détermination du suppresseur. Les résultats de ce recalcul transversal sont présentés dans le tableau 1.

Des résultats précis avec un taux de récupération compris entre 90 et 110 % peuvent être obtenus lorsque Td se situe à ± 8 °C de Tc. Ces résultats soutiennent fortement la compréhension commune de la relation complexe entre la température et l'efficacité du suppresseur. Elles expliquent également l'imprécision des résultats obtenus par certains utilisateurs et justifient l'amélioration du contrôle de la température de la solution lors de la détermination du CVS.

Exploration de l'effet de la température sur le comportement de l'azurant

La quantification de la concentration de l'azurant repose sur la technique d'approximation linéaire modifiée (MLAT). La MLAT suppose une relation linéaire entre la concentration et le signal. L'effet de la température sur cette corrélation a été étudié en utilisant des aliquotes d'azurant.

Des courbes d'addition standard ont été enregistrées dans une gamme de concentrations d'azurants de 0 à 12 mL/L. Différentes températures (20, 25, 30, 35 et 40 °C) ont été évaluées pour chaque solution de mesure de l'azurant. Les courbes d'addition standard enregistrées à ces températures sont présentées dans la figure 4.

Des signaux plus élevés résultent de l'augmentation de la température des solutions de mesure. Toutefois, lorsque la température de la solution de mesure dépasse 30 °C, aucune corrélation linéaire entre le signal et la concentration n'est évidente (figure 4, lignes pointillées).

La température de la solution de mesure est influencée à la fois par la solution auxiliaire (solution d'interception) et par l'échantillon ajouté. Pour étudier l'influence de la température de l'échantillon sur les résultats, différents rapports de mélange de l'échantillon et de la solution d'interception ont été testés à des températures comprises entre 20 et 40 °C. La température de la solution auxiliaire est restée inchangée. La température de la solution auxiliaire est restée constante à 25 °C. L'effet de la température de l'échantillon sur le taux de récupération est indiqué dans le tableau 2.

Ce tableau montre que si la différence de température entre la solution d'interception et l'échantillon est supérieure à 10 °C et que la fraction d'échantillon dépasse 48 % de la totalité de la solution de mesure, le taux de récupération d'une solution étalon est supérieur à 110 %.

Solutions Metrohm pour relever les défis de la température lors des déterminations CVS

Metrohm s'engage à aider ses clients à atteindre une précision et une exactitude maximales dans leurs travaux de laboratoire. Cet engagement s'étend à la détermination des additifs organiques dans les bains de cuivrage. Le résultat est le développement de solutions CVS simples et pratiques pour surmonter les problèmes liés aux différences de température.

Le CVS 894 Professional (figure 1), associé au capteur de température Pt1000 (figure 5), permet de contrôler la température en temps réel pendant les déterminations du CVS. Cette intégration simple et efficace garantit des conditions optimales pour chaque analyse. Le capteur de température Pt1000 peut identifier des changements de 0,1 °C. Il suffit d'un petit ajustement dans le logiciel viva pour permettre une détermination entièrement automatisée et contrôlée de la température des additifs organiques.

En complément de ce duo puissant, le récipient de mesure avec enveloppe thermostatée (figure 6) ajoute une couche supplémentaire de contrôle et de stabilité. Cet environnement thermostaté pour la solution d'interception et l'échantillon élimine les différences de température qui peuvent affecter la précision des déterminations CVS.

Des résultats cohérents et fiables peuvent être obtenus lors de la détermination des additifs organiques dans les bains de cuivrage. Ceci est possible en utilisant le 894 Professional CVS (ou 884 Professional VA) équipé d'un capteur de température Pt1000, ainsi qu'un récipient de mesure avec enveloppe thermostatée connecté à n'importe quel circulateur de bain d'eau thermostaté.

Résumé

Metrohm propose plusieurs solutions permettant d'améliorer la précision et la fiabilité des analyses CVS et de garantir que les processus de fabrication des PCB atteignent leur plein potentiel. L'utilisation d'un capteur de température très sensible et d'un récipient de mesure avec enveloppe thermostatée permet d'effectuer des déterminations CVS de manière fiable et reproductible, en éliminant les erreurs dues aux différences de température.

Références

[1] lesley. How to Avoid the Negative Effects of Vias in High-Speed PCB Design. PCBWAY.

[2] Ming-Yao Yen; Ming-Hung Chiang; Hsu-Hsin Tai; et al. Next Generation Electroplating Technology for High Planarity, Minimum Surface Deposition Microvia Filling. In 2012 7th International Microsystems, Packaging, Assembly and Circuits Technology Conference (IMPACT); IEEE: Taipei, Taiwan, 2012; pp 259–262. DOI:10.1109/IMPACT.2012.6420290

Vos connaissances à emporter

Livre blanc : Développement de méthodes CVS automatisées et optimisation des bains de métallisation multicomposants 

Brochure : 894 Professional CVS - Cyclic Voltammetric Stripping pour la détermination des additifs dans les bains galvaniques