Montagne russe termiche: svelare la dipendenza dalla temperatura nelle determinazioni CVS

30 ott 2023

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La produzione di circuiti stampati (PCB) è un processo complesso. Il layout del PCB richiede il controllo preciso delle concentrazioni di additivi organici durante la fase di ramatura. L'analisi ciclica voltammetrica stripping (CVS) viene utilizzata per misurare e quantificare la concentrazione di questi additivi. Le variazioni di temperatura possono influenzare la precisione dell'analisi CVS. Pertanto è importante monitorare e controllare la temperatura del bagno di ramatura.

Questo articolo introduce la metodologia per determinare gli additivi organici nei bagni di ramatura e spiega come la temperatura influisce sulle misurazioni CVS. Inoltre, viene dimostrato un modo semplice ed efficace per migliorare in modo innovativo la precisione nell'analisi degli additivi organici.

Panoramica su PCB, placcatura in rame e additivi organici

I dispositivi elettronici continuano a ridursi nelle dimensioni mentre si espandono in funzionalità e prestazioni. Per questo motivo ogni millimetro di spazio su un circuito stampato è un bene prezioso. I moderni layout PCB spingono oltre i limiti, aumentando il numero di vie di connessione e riducendo contemporaneamente le distanze di interconnessione [1]. Questa crescente complessità impone requisiti severi al processo di produzione, dove la precisione è fondamentale.

Tra le fasi cruciali della produzione di PCB, la placcatura in rame galvanico dei fori e della superficie della scheda occupa un posto centrale. Questo processo utilizza additivi organici come soppressori, brillantanti e livellanti per ottenere un controllo preciso sulle proprietà fisiche del rame placcato. È imperativo mantenere la concentrazione di questi additivi organici entro un intervallo di concentrazione molto ristretto.

Come misurare e quantificare la concentrazione di additivi organici

La complessa interazione tra gli additivi organici e il processo di ramatura stesso viene studiata utilizzando il Cyclic Voltammetric Stripping. CVS utilizza uno dei principi più semplici dell'elettrochimica: la velocità di galvanizzazione. Questa è la velocità con cui uno strato di rame viene depositato sulla superficie di un substrato.

Per eseguire l'analisi CVS viene utilizzata una cella elettrochimica dotata di un sistema a tre elettrodi. Uno di questi è un elettrodo a disco di platino rotante, controllato con precisione dallo strumento (Figura 1).

Effetti degli additivi organici sul processo di ramatura

In generale, il soppressore riduce la quantità di rame placcato quando viene aggiunto alla soluzione di placcatura (Figura 2A). Quando introdotto in una soluzione di rame satura di soppressore (nota anche come «soluzione di intercettazione»), il brillantante aumenta la quantità di rame placcato (Figura 2B). L'aggiunta di un livellatore al bagno galvanico riduce l'altezza del picco del rame. Tuttavia, l'effetto del livellatore sulla velocità di deposizione del rame è meno efficiente di quello del soppressore [2].

Fonti di variazione di temperatura durante la misurazione del campione

Vale la pena considerare le eventuali variazioni di temperatura che possono verificarsi durante la determinazione degli additivi organici nei bagni di ramatura. La temperatura del campione può differire in modo significativo dalla temperatura di altre soluzioni utilizzate per la misurazione (ad esempio, soluzione di intercettazione). Ciò può essere attribuito a vari fattori, come ad esempio:

utilizzo di un condizionatore o di una presa d'aria in prossimità del dispositivo
fluttuazioni termiche diurne: la calibrazione viene eseguita al mattino (temperature più basse) mentre le misurazioni vengono effettuate nel pomeriggio a temperature più elevate
condizioni di processo effettive rispetto alle impostazioni di laboratorio: la differenza tra la temperatura operativa del bagno (ad esempio, 50 °C) e la temperatura ambiente del laboratorio (20–25 °C)

Sebbene queste situazioni si incontrino comunemente, spesso vengono trascurate. Tutto ciò può influenzare negativamente la precisione nella determinazione degli additivi organici con CVS.

Svelare l'influenza della temperatura sulla determinazione del soppressore

L'influenza delle differenze di temperatura sull'accuratezza della determinazione del soppressore è stata studiata utilizzando la tecnica della titolazione della diluizione (DT). Per simulare condizioni realistiche e rilevanti, sono state registrate quattro curve di calibrazione a diverse temperature della soluzione (20, 24, 28 e 32 °C).

All'aumentare della temperatura di calibrazione (Tc), sono stati osservati cambiamenti significativi nella pendenza della curva di calibrazione DT (Figura 3). Ciò indica una correlazione positiva tra la temperatura della soluzione e l'effetto inibitore dell'additivo soppressore. L'aumento della temperatura della soluzione determina un effetto inibitore potenziato dell'additivo soppressore. In definitiva, è necessaria una concentrazione inferiore di soppressore per ridurre la velocità di placcatura allo stesso livello (Figura 3, linea tratteggiata).

Successivamente, sono state condotte quattro determinazioni aggiuntive utilizzando le stesse temperature (temperatura di determinazione, T_d) delle curve di calibrazione nella Figura 3. Queste determinazioni sono state quindi ricalcolate in modo incrociato con le diverse curve di calibrazione. Ciò è stato fatto per studiare l'effetto della differenza di temperatura tra la calibrazione e le soluzioni campione sulla precisione della determinazione del soppressore. I risultati di questo ricalcolo trasversale sono mostrati nella Tabella 1.

Tasso di recupero in relazione alla temperatura	T_c
20 °C	24 °C	28 °C	32 °C
T_d	20 °C	97%	96%	91%	85%
24 °C	103%	102%	96%	90%
28 °C	109%	107%	102%	95%
32 °C	113%	112%	106%	99%

Risultati accurati con un tasso di recupero compreso tra il 90 e il 110% possono essere ottenuti quando T_d è entro ± 8 °C da T_c. Questi risultati supportano fortemente la comprensione comune dell’intricata relazione tra temperatura ed efficacia del soppressore. Spiegano inoltre l'inesattezza dei risultati ottenuti da alcuni utenti e giustificano il ragionamento a favore di un migliore controllo della temperatura della soluzione durante la determinazione del CVS.

Esplorazione dell'effetto della temperatura sul comportamento del brillantante

La quantificazione della concentrazione del brillantante si basa sulla tecnica di approssimazione lineare modificata (MLAT). MLAT presuppone una relazione lineare tra concentrazione e segnale. L'effetto della temperatura su questa correlazione è stato esplorato utilizzando aliquote di brillantanter.

Le curve di aggiunta standard sono state registrate in un intervallo di concentrazione del brillantante compreso tra 0 e 12 ml/L. Per ciascuna soluzione di misurazione del brillantante sono state valutate diverse temperature (20, 25, 30, 35 e 40 °C). Le curve di addizione standard registrate a queste temperature sono presentate in Figura 4.

Segnali più elevati risultano dall'aumento della temperatura delle soluzioni di misurazione. Tuttavia, quando la temperatura della soluzione di misurazione superava i 30 °C, non era evidente alcuna correlazione lineare tra segnale e concentrazione (Figura 4, linee tratteggiate).

La temperatura della soluzione di misurazione è influenzata sia dalla soluzione ausiliaria (soluzione di intercettazione) che dal campione aggiunto. Per studiare l'influenza della temperatura del campione sui risultati, sono stati testati diversi rapporti di miscelazione del campione e della soluzione intercettante a temperature comprese tra 20 e 40 °C. La temperatura della soluzione ausiliaria è rimasta costante a 25°C. L'effetto della temperatura del campione sulla velocità di recupero è mostrato nella Tabella 2.

Rapporto di miscelazione del campione*	Tasso di recupero a:
	20 °C	30 °C	40 °C
60%	99%	118%	126%
48%	101%	113%	117%
36%	101%	109%	110%
24%	101%	101%	104%
12%	99%	100%	99%

Questa tabella mostra che se c'è una differenza di temperatura superiore a 10 °C tra la soluzione di intercettazione e il campione e la frazione del campione supera il 48% dell'intera soluzione di misurazione, il tasso di recupero di una soluzione standard è maggiore del 110%.

Soluzioni Metrohm per affrontare le sfide legate alla temperatura durante le determinazioni CVS

Metrohm si impegna ad aiutare i clienti a ottenere la massima precisione e accuratezza nel loro lavoro di laboratorio. Ciò si estende alla determinazione degli additivi organici nei bagni di ramatura. Il risultato è lo sviluppo di soluzioni CVS semplici e convenienti per superare i problemi derivanti dalle differenze di temperatura.

L'894 Professional CVS (Figura 1), abbinato al sensore di temperatura Pt1000 (Figura 5), consente il monitoraggio della temperatura in tempo reale durante le determinazioni CVS. Questa integrazione semplice ed efficace garantisce condizioni ottimali per ogni analisi. Il sensore di temperatura Pt1000 può identificare variazioni di 0,1 °C. Con solo una piccola modifica nel software viva è possibile una determinazione completamente automatizzata e a temperatura controllata degli additivi organici.

A complemento di questa potente coppia, il recipiente di misurazione con camicia del termostato (Figura 6) aggiunge un ulteriore livello di controllo e stabilità. Questo ambiente termostatato per la soluzione di intercettazione e il campione elimina le differenze di temperatura che potrebbero influire sull'accuratezza delle determinazioni CVS.

Risultati coerenti e affidabili sono ottenibili quando si determinano gli additivi organici nei bagni di ramatura. Ciò è possibile utilizzando l'894 Professional CVS (o 884 Professional VA) dotato di sensore di temperatura Pt1000, insieme ad un vaso di misura con camicia termostatata collegato ad un eventuale circolatore bagnomaria termostatato.

Riassunto

Metrohm offre diverse soluzioni in grado di migliorare la precisione e l'affidabilità dell'analisi CVS, garantendo che i processi di produzione di PCB raggiungano il loro pieno potenziale. Utilizzando un sensore di temperatura altamente sensibile e un recipiente di misura con camicia termostatica, le determinazioni CVS possono essere eseguite in modo affidabile e riproducibile, eliminando gli errori dovuti alle differenze di temperatura.

Riferimenti

[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