DEPUNEREA ELECTROCHIMICĂ A CUPRULUI PENTRU REALIZAREA CABLAJELOR IMPRIMATE UTILIZATE

ÎN ELECTRONICĂ

În tehnologia fabricării cipurilor electronice depunerile de cupru sunt utilizate intens pentru fabricarea circuitelor imprimate. Prin circuit imprimat, se înţelege de obicei, ansamblul suport izolant, conductoarele imprimate şi componente fixate definitiv pe suport.

Avantajul utilizării cuprului este datorat unei acoperiri uniforme pe suprafaţă în special atunci când se utilizează aditivi specifici de depunere.

Pentru conductoare imprimate, cel mai utilizat material este cuprul cu puritate electrotehnică (peste 99.5 %). Mult mai rar se foloseşte argintul (în tehnologii de sinteză).

Foaia de cupru pentru acoperirea semifabricatelor placate are grosimi de 5 - 100 [μm], dar grosimea cea mai utilizată este în jur de 35 [μm]; grosimile mai mici nu asigură rezistenţă suficientă (conductoarele se desprind uşor de suport, se rup la lipire, etc) şi se folosesc când urmează îngroşarea conductoarelor prin depunere electrochimică de cupru, iar grosimile mai mari nu sunt economice şi se utilizează pentru cablaje care lucrează în condiţii grele.

Depunerea electrochimică a cuprului se realizează în special pentru:- fabricarea cablajelor imprimate cu găuri nemetalizate, cu

conductoare metalizate, prin tehnologie substractivă, (fig. 1)- fabricarea cablajelor imprimate cu găuri metalizate prin tehnologia

substractivă, (fig. 2)Pentru realizarea cablajelor circuitelor cu mare densitate de componente, în care se

folosesc circuite integrate complexe, cu multe terminale, cablajele dublu strat fără metalizarea găurilor se pot folosi cu mare dificultate. Cablajele fiind complicate nu se pot face toate conexiunile pe o singură faţă, iar numărul trecerilor care trebuie realizate cu fire este foarte mare (spaţiu ocupat mare, manoperă multă, erori frecvente). Soluţia problemei constă în utilizarea cablajelor cu găuri metalizate, iar pentru circuitele foarte complicate a cablajelor multistrat, care sunt tot cu găuri metalizate.

Fig. 1 Fabricarea cablajelor cu conductoare metalizate cu găuri nemetalizate prin tehnologie substractivă prin cuprare electrochimică

Fig. 2 Fabricarea cablajelor cu găuri metalizate prin tehnologie substractivă

Una din metodele folosite frecvent, de prevenire şi combatere a coroziunii metalelor constă în acoperirea acestora cu straturi protectoare metalice şi nemetalice prin electroliză.

Principiul lucrării: Electroliza reprezintă procesul de descompunere permanentă a unei substanţe sub

acţiunea curentului electric.

La trecerea curentului electric printr-un electrolit, adică în timpul electrolizei au loc cele

două procese distincte: transportul curentului electric şi reacţiile chimice care se produc la

electrozi.

Transformările chimice care au loc în timpul electrolizei depind de natura şi starea electrolitului, de natura solventului, de natura materialului din care sunt confectionaţi electrozii şi de prezenţa altor substanţe în soluţia sau topitura electrolitului.

Pe bază experimentală, M. Faraday descoperă între anii 1882 – 1933 că există o relaţie între cantitatea de electricitate care trece printr-un electrolit şi cantitatea de substanţă transformată prin electroliză, enunţând astfel legile electrolizei sau legile lui Faraday. Aceste legi se enunţă astfel:

1. Cantitatea de substanţă transformată la electrod în timpul procesului de electroliză este proporţională cu cantitatea de electricitate care trece prin soluţia sau topitura de electrolit.

m= kIt = kQ (1)unde:

m - cantitatea de substanţă transformată la electroliza, în g ;I - intensitatea curentului, în A;t - timpul de electroliză, în s;Q - cantitatea de electricitate (în C); Q=I t;

K= - echivalentul electrochimic, în sau .

Echivalentul electrochimic reprezintă cantitatea de substanţă depusă la electrod de cantitatea de electricitate de 1 coulomb (C).

2

2. La trecerea aceleiaşi cantităţi de electricitate prin soluţiile sau topiturile de electroliţi, cantităţile de substanţele puse în libertate la electrozi sunt proporţionale cu echivaleţii lor chimici. Deci, echivalenţii electrochimici sunt proporţionali cu echivalenţii chimici.

Se poate scrie:K= E/F (2)F - numărul lui Faraday (F= 96500 C = 26,8 Ah).

Deoarece  E = A/z, în care A reprezintă masa atomică, iar z reprezintă numărul de electroni implicaţi în proces egal cu sarcina ionului depus la electrod se mai poate scrie : K= A/zF (3) Reunind cele două formule, legile lui Faraday se pot exprima prin formula generală:

[g] (4)

Depunerile catodice (galvanice) ale stratelor metalice se fac în scopul creşterii rezistenţei la coroziune a pieselor acoperite, al îmbunătăţirii aspectului decorativ şi pentru mărirea rezistenţei acestora la uzură. Depunerile electrochimice (catodice) au la bază reacţia catodică de reducere a ionilor metalici din soluţii apoase :M+z + z e-→ M↓ pe suprafaţa piesei legată la polul negativ al unui circuit electric de electroliză (fig. 2).

Depunerea catodică a metalelor din soluţii apoase are loc la potenţiale mai negative decât potenţialul de echilibru al metalului în seria potenţialelor standard Volta.

Depunerile catodice de cupru prezintă o importanţă deosebită din punct de vedere decorativ, protector cât şi funcţional. În scop protector – decorativ, cuprul se depune ca substrat înaintea depunerilor de crom, nichel, argint şi staniu, atât pe materiale metalice cât şi pe materiale nemetalice, cum ar fi materiale plastice şi ceramice. În scop funcţional, datorită conductibilităţii electrice ridicate, depunerile de cupru sunt utilizate pe scară largă în tehnologiile electrotehnice şi electronice.

În lucrarea de faţă se va efectua o cuprare cu anod solubil, adică se va depune un strat de cupru pe o placă de alamă. Electrodepunerea cuprului are loc într-o celulă de electroliză (fig. 3), utilizând drept electrolit o soluţie acidă de CuSO4. Anodul celulei este o bară de

cupru, iar la catod se plasează piesa ce urmează a fi protejată.

Fig. 3. Montaj de electroliză 1- sursă de curent continuu; 2 – rezistenţă variabilă ; 3 – anod ; 4 – catod ; 5 – vas electroizolant ;

6 - miliampermetru

Sulfatul de cupru se disociază în soluţie conform ecuaţiei:CuSO4® Cu2+ + SO4

2- (5)

La electrozii instalaţiei de electroliză se desfăşoară reacţii electrochimice:

(-) Catod (alama): Cu2+ + 2e-® Cu (reducere) (6)

(+) Anod (cupru): Cu - 2e-®Cu2+ (oxidare) (7)Potrivit reacţiilor chimice de mai sus, la catod (polul negativ), deci pe piesa de alamă,

se depune cupru, iar anodul (piesa de cupru) se consumă (electroliza cu anod solubil).

3

Scopul lucrării: Depunerea cuprului pentru realizarea cablajelor imprimate utilizate în industria electronică.

Aparatură şi substanţe: Aparatură: anod de cupru, catod de alamă, montaj de electroliză, balanţă analiticăSubstanţe: soluţie acidă de sulfat de cupru

Modul de lucru: se curăţă electrodul de cupru şi piesa de alamă cu hârtie metalografică, se spală cu apă distilată şi se usucă cu hârtie de filtru; placa de alamă se cântăreşte la balanţa analitică, se introduce în baia de cuprare şi se leagă la polul negativ (catod) al sursei de curent continuu; la polul pozitiv (anod) se fixează electrodul de cupru; se conectează instalaţia la reţea, se pune în funcţiune şi se reglează cu ajutorul potenţiometrului intensitatea de 0,3 A; durata electrolizei este de 30 sau 45, minute după care se întrerupe funcţionarea circuitului electric; se scoate catodul şi se spală cu apă distilată, se usucă prin tamponare între două hârtii de filtru şi se cântăreşte la balanţa analitică.

ObservaţieObservaţie: în timpul electrolizei se va urmării ca intensitatea curentului electric să se menţină constantă.

Calcule şi rezultate: Randamentul de curent se calculează cu ajutorul relaţiei:

(8)

unde: mp - masa de cupru depusă practic, dată de diferenţa de masă a catodului (alamă)

înainte şi după electroliză; mt - masa teoretică de cupru care se calculează conform legilor lui Faraday

în care: A - masa atomică a metalului (ACu=63,5 g)

I - intensitatea curentului de electroliza (A); t - timpul de electroliza (s sau h); z - valenta metalului;

F - numărul lui Faraday (F= 96500 C = 26,8 Ah).Grosimea stratului de cupru depus la electroliză se calculează astfel:

(9)

unde : mp - masa practică de cupru depusă, g;

S - suprafaţa piesei pe care s-a realizat depunerea, cm2;

g - masa specifică (densitatea) cuprului (gCu=8,93 g/cm3).

Se întocmeşte următorul tabel:Metalul de

protejatI

[A]t

[ore]mi

[g]mf

[g]mp

[g]mt

[g]c

[%]S

[cm2]δ

[cm] [m]

Tema de casă:

4

1. Să se calculeze care trebuie să fie curentul de electroliză şi timpul de electroliză pentru depunerea unui strat de cupru de grosime 0,2mm pe o suprafaţă de 1cm2, dacă densitatea de curent este 1,5 A/dm2, iar AC u= 63g, z = 2, F = 96500A∙s şi η = 85%.2. O celulă de producere a aluminiului prin electroliza soluţiei de alumină în criolită topită necesită 20000 A. Cât aluminiu se obţine pe zi în celula de electroliză, presupunând că randamentul este 92%. Masa atomică a Al este 27 g, iar F=96500 A.sec. 3. La electroliza unei soluţii de fier la o intensitate de 4A şi un randament de 80% se depun în 2 ore 4,45 g fier. Care este starea de oxidare a fierului în soluţia respectivă. AFe= 56g. 4. Pentru acoperirea completă a unui obiect de podoabă este necesară o cantitate de 2,5 g Ag. Folosindu-se la electroliză un anod de argint într-o celula electrolitică cu soluţie de AgNO 3, timp de 10 min se cer: a) reacţiile la electrozi;b) intensitatea curentului folosit la argintare, dacă randamentul este de 75%c) dacă se foloseşte un curent de 5 A, care este randamentul de curent? 5. Se cuprează prin electroliză cu anod solubil de cupru un obiect cu dimensiunile 10-20 cm. Stratul de Cu depus are grosimea de 0,005 mm, (g = 8,9g/cm3). Să se scrie reacţiile care au loc la electroliza CuSO4 şi să se calculeze timpul de cuprare dacă intensitatea curentului este I = 5A. Masa atomică a Cu este 64 g, iar randamentul este de 85%

6. La nichelarea cu anod solubil a unei piese din oţel (S = 2,5 cm2), condiţiile de electroliză sunt: I=300 mA, t=20 min. Se mai cunosc ANi=59, F=96500 As, gNi = 7,13 g/cm3. Să se

determine grosimea stratului de Ni depus, dacă randamentul este de 80%7. Să se calculeze randamentul de curent la rafinarea electrolitică a cuprului, dacă timp de 4 ore, la o intensitate de curent de 5 A se depun 21,49 g Cu.8. La trecerea curentului electric prin două electrolizoare legate în serie conţinând soluţie de AgNO3, respectiv CUSO4, în primul se separă la catod 2,16 g Ag. Să se calculeze masa de cupru separată în al doilea electrolizor.9. Un obiect metalic cu suprafaţa de 100 cm2 trebuie nichelat cu un strat de grosime 0,3 mm, folosind o soluţie de NiSO4. Cât timp este necesar pentru electroliză dacă intensitatea curentului este 3 A, randamentul catodic 90% şi greutatea specifică a nichelului gNi=7,13

g/cm3.

10. Se nichelează prin electroliză cu anod solubil de nichel un obiect cu dimensiunile 20-20 cm. Stratul de Ni depus are grosimea de 0,02 mm, (g= 7,13g/cm3). Să se scrie reacţiile care au loc la electroliza NiSO4 şi să se calculeze timpul de nichelare dacă intensitatea curentului este I = 3A.

5