Galvanoplastia de cobre
La galvanoplastia de cobre es el proceso de galvanizar una capa de cobre sobre la superficie de un objeto metálico. El cobre se utiliza tanto como revestimiento independiente como capa base sobre la que posteriormente se recubren otros metales. [1] La capa de cobre puede ser decorativa, proporcionar resistencia a la corrosión, aumentar la conductividad eléctrica y térmica o mejorar la adhesión de depósitos adicionales al sustrato. [2] [3]
Descripción general
La galvanoplastia de cobre se lleva a cabo en una celda electrolítica mediante electrólisis . Al igual que con todos los procesos de galvanoplastia, la pieza a galvanizar debe limpiarse antes de depositar el metal para eliminar suciedad, grasa, óxidos y defectos. [4] [5] Después de la limpieza previa, la pieza se sumerge en la solución electrolítica acuosa de la celda y funciona como cátodo . Un ánodo de cobre también se sumerge en la solución. Durante la galvanoplastia, se aplica una corriente eléctrica directa a la celda que hace que el cobre en el ánodo se disuelva en el electrolito a través de la oxidación , perdiendo electrones e ionizándose en cationes de cobre . Los cationes de cobre forman un complejo de coordinación con las sales presentes en el electrolito, después de lo cual se transportan desde el ánodo al cátodo . En el cátodo, los iones de cobre se reducen a cobre metálico al ganar electrones. Esto hace que una película delgada, sólida y metálica de cobre se deposite sobre la superficie de la pieza.
Los ánodos pueden ser simples placas de cobre o cestas de titanio o acero llenas de pepitas o bolas de cobre. [6] Los ánodos pueden colocarse en bolsas para ánodos, que generalmente están hechas de polipropileno u otro tejido y se utilizan para contener partículas insolubles que se desprenden del ánodo y evitan que contaminen el baño de enchapado. [2] [7]
Los baños de galvanoplastia de cobre se pueden utilizar para recubrir un revestimiento de impacto o de destello , que es una capa inicial delgada y altamente adherente que se recubre con capas adicionales de metal y que sirve para mejorar la adhesión de las capas posteriores al sustrato subyacente, o un revestimiento más grueso de cobre que puede servir como capa de acabado o como revestimiento independiente. [5]
Tipos de química de recubrimiento
Hay una variedad de diferentes químicas de electrolitos que se pueden utilizar para la galvanoplastia de cobre, pero la mayoría se pueden caracterizar ampliamente en cinco categorías generales según el agente complejante: [2] [6]
- Cianuro alcalino
- Alcalino sin cianuro
- Sulfato ácido
- Fluoroborato ácido
- Pirofosfato
Cianuro alcalino
Los baños de cianuro alcalino han sido históricamente una de las químicas de enchapado más comúnmente utilizadas para la electrodeposición de cobre. [5] [8] Los baños de cobre con cianuro generalmente brindan un alto poder de cobertura y penetración , lo que permite una cobertura uniforme y completa del sustrato, pero a menudo platean con una menor eficiencia de corriente . [2] Producen un acabado metálico favorecido por su carácter de bloqueo de la difusión . El bloqueo de la difusión se utiliza para mejorar la adherencia a largo plazo de diferentes metales, por ejemplo, cromo y acero. También se utiliza para evitar que el segundo material se difunda en el sustrato.
Los baños de cianuro contienen cianuro cuproso como fuente de iones de cobre (I), cianuro de sodio o potasio como fuente de cianuro libre que forma complejos con el cianuro cuproso para hacerlo soluble, e hidróxido de sodio o potasio para aumentar la conductividad y el control del pH. [9] Los baños también pueden contener sales de Rochelle y carbonato de sodio o potasio , así como una variedad de aditivos patentados. [2] Los baños de cianuro de cobre se pueden utilizar como baños de solo impacto de baja eficiencia, baños de placa de impacto de eficiencia media y baños de enchapado de alta eficiencia. [6]
Composición del baño
| Nombre químico | Fórmula | Huelga [6] | Placa de cierre [6] | Placa de alta eficiencia [6] | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Sodio | Potasio | Sodio | Potasio | Sodio | Potasio | ||
| Cianuro de cobre (I) | CuCN | 30 g/l | 30 g/l | 42 g/L | 42 g/L | 75 g/l | 60 g/L |
| Cianuro de sodio o potasio | NaCN o KCN | 48 g/l | 58,5 g/l | 51,9 g/l | 66,6 g/L | 97,5 g/l | 102 g/l |
| Hidróxido de sodio o potasio | NaOH o KOH | 3,75–7,5 g/l | 3,75–7,5 g/l | Control a pH 10,2–10,5 | 15 g/l | 15 g/l | |
| Sales de Rochelle | KNaC4H4O6 · 4H2O | 30 g/l | 30 g/l | 60 g/L | 60 g/L | 45 g/l | 45 g/l |
| Carbonato de sodio o potasio | Na2CO3 o K2CO3 | 15 g/l | 15 g/l | 30 g/l | 30 g/l | 15 g/l | 15 g/l |
Condiciones de funcionamiento
- Temperatura: 24-66 °C (golpe); 40-55 °C (placa de golpe); 60-71 °C (alta eficiencia) [6]
- Densidad de corriente del cátodo: 0,5-4,0 A/dm2 ( encendido); 1,0-1,5 A/dm2 ( placa de encendido); 8,6 A/dm2 ( alta eficiencia) [6]
- Eficiencia actual: 30-60% (golpe); 30-50% (placa de golpe); 90-99% (alta eficiencia); [6]
- pH: >11,0 [2]
Toxicidad
Los baños comerciales suelen utilizar una solución de cianuro de cobre, que retiene una alta concentración de cobre. Sin embargo, la presencia de cianuro libre en los baños los hace peligrosos debido a la naturaleza altamente tóxica del cianuro . Esto crea riesgos para la salud y problemas con la eliminación de desechos. [6]
Alcalino sin cianuro
Debido a las preocupaciones de seguridad que rodean el uso de productos químicos de recubrimiento a base de cianuro, se han desarrollado baños de recubrimiento de cobre alcalinos que no contienen cianuro. Sin embargo, por lo general, su uso es limitado en comparación con los productos químicos alcalinos a base de cianuro más comunes. [2]
Sulfato ácido
Los electrolitos de sulfato de cobre ácido son soluciones relativamente simples de sulfato de cobre y ácido sulfúrico que son más baratas y fáciles de mantener y controlar que los electrolitos de cobre cianurado. [2] En comparación con los baños de cianuro, proporcionan una mayor eficiencia de corriente y permiten una mayor densidad de corriente y, por lo tanto, velocidades de enchapado más rápidas, pero generalmente tienen menos poder de penetración, aunque existen variaciones de alto poder de penetración. [2] Además, no se pueden usar para enchapar directamente sobre metales menos nobles como el acero o el zinc sin aplicar primero una capa de barrera a base de cianuro u otra capa de barrera, de lo contrario, el ácido en el baño provocará la formación de un revestimiento de inmersión que comprometerá la adhesión. [6] Debido a este fenómeno, así como al menor poder de penetración, los baños de sulfato ácido no se suelen utilizar como baños de penetración. [2]
Junto con el cianuro alcalino, los baños de cobre ácido se encuentran entre los electrolitos de enchapado de cobre más comúnmente utilizados, [10] con aplicaciones industriales que incluyen enchapado decorativo, electroformado , rotograbado y fabricación de placas de circuito impreso y semiconductores. [6] [11]
Los baños de sulfato ácido contienen sulfato cúprico como fuente de iones de cobre (II); ácido sulfúrico para aumentar la conductividad del baño, garantizar la solubilidad de la sal de cobre, disminuir la polarización del ánodo y el cátodo y aumentar el poder de penetración; y una fuente de iones de cloruro como el ácido clorhídrico o el cloruro de sodio , que ayuda a reducir la polarización del ánodo y evita que se formen depósitos estriados. [6] La mayoría de los baños también contienen una variedad de aditivos orgánicos para ayudar a refinar la estructura del grano, mejorar la ductilidad y dar brillo al depósito. [12] Las variaciones del electrolito de cobre ácido incluyen baños de uso general, baños de alto poder de penetración y baños de alta velocidad. Los baños de alto poder de penetración y de alta velocidad se utilizan cuando se requiere un mayor poder de penetración y velocidades de enchapado más rápidas, incluso para la fabricación de placas de circuito impreso donde se requiere un alto poder de penetración para enchapar las áreas de baja densidad de corriente en los orificios pasantes. [2]
Composición del baño
| Nombre químico | Fórmula | Concentración en el baño [2] | ||
|---|---|---|---|---|
| De uso general [2] | Lanzamiento alto [2] | Alta velocidad [2] | ||
| Sulfato de cobre (II) | CuSO4 | 190–250 g/L | 60–90 g/L | 80–135 g/L |
| Ácido sulfúrico | H2SO4 | 45–90 g/L | 150–225 g/L | 185–260 g/L |
| Ion cloruro | Cl − | 20–150 ppm | 30–80 ppm | 40–80 ppm |
| Aditivos | Varía | Varía | ||
Condiciones de funcionamiento
- Temperatura: Generalmente ambiente, [6] aunque algunos baños pueden funcionar a temperaturas tan altas como 43 °C [2]
- Densidad de corriente del cátodo: 2–20 A/dm 2 (uso general); 1,5–5 A/dm 2 (alto alcance); 5–20 A/dm 2 (alta velocidad) [2]
- Eficiencia actual: 100% [6]
Aditivos
Se han desarrollado varios aditivos comunes y patentados para electrolitos de cobre ácidos para ayudar a mejorar el poder de desprendimiento y nivelación, dar brillo al acabado, controlar la dureza y la ductilidad y otorgar otras propiedades deseadas al depósito. Las formulaciones históricas que datan de mediados del siglo XX a menudo usaban tiourea y melaza, mientras que otras formulaciones usaban varias gomas, carbohidratos y ácidos sulfónicos . [13] [8]
Para aplicaciones de semiconductores y placas de circuitos impresos, los baños de cobre ácido utilizan aditivos que facilitan el recubrimiento en vías y orificios pasantes de alta relación de aspecto . Dichos aditivos se pueden agrupar en tres categorías: [14]
- Supresores (también conocidos como inhibidores o portadores) (normalmente poliéteres como el polietilenglicol o el polipropilenglicol )
- Aceleradores (también conocidos como abrillantadores) (normalmente tioles o disulfuros como el ácido 3-mercapto-1-propanosulfónico o el disulfuro de bis-(3-sodio sulfopropilo))
- Niveladores (los ejemplos incluyen tintes como Janus Green B , Alcian Blue y Diazine Black)
Sin estos aditivos, el cobre se depositará preferentemente en la superficie cerca de la parte superior de las vías en lugar de dentro de las vías debido a la menor densidad de corriente local dentro de las vías, lo que genera un llenado de arriba hacia abajo de las vías y huecos no deseados. El supresor inhibe el enchapado cerca de la parte superior de la vía y la superficie, mientras que el abrillantador acelera el enchapado cerca de la parte inferior de la vía. El nivelador ayuda a prevenir la acumulación en la apertura de la vía y crea un acabado de superficie más suave. [14] [15]
Fluoroborato ácido
Los baños de fluoroborato de cobre son similares a los baños de sulfato ácido, pero utilizan fluoroborato como anión en lugar de sulfato. [6] El fluoroborato de cobre es mucho más soluble que el sulfato de cobre, lo que permite disolver mayores cantidades de sal de cobre en el baño, lo que permite densidades de corriente mucho más altas que las que son posibles en los baños de sulfato de cobre. Su uso principal es para el enchapado de alta velocidad donde se requieren altas densidades de corriente. Las desventajas de la química del fluoroborato incluyen un poder de penetración menor que los baños de sulfato ácido, un mayor costo de operación y mayores riesgos de seguridad y preocupaciones por el tratamiento de desechos. [2]
Los baños de fluoroborato ácido contienen tetrafluoroborato cúprico y ácido fluorobórico . El ácido bórico se suele añadir al baño para evitar la hidrólisis de los iones de fluoroborato, lo que genera fluoruro libre en el baño. A diferencia de los baños de sulfato ácido, los baños de fluoroborato no suelen contener aditivos orgánicos. [6]
Composición del baño
| Nombre químico | Fórmula | Concentración en el baño [6] | ||
|---|---|---|---|---|
| Alta concentración | Baja concentración | |||
| Tetrafluoroborato de cobre (II) | Cu( BF4 ) 2 | 459 g/L | 225 g/L | |
| Ácido fluorobórico | 4º año de la fundación | 40,5 g/l | 15 g/l | |
Condiciones de funcionamiento
- Temperatura: 18-66 °C [6]
- Densidad de corriente del cátodo: 13-38 A/dm 2 (alta concentración); 8-13 A/dm 2 (baja concentración) [6]
- pH: 0,2-0,6 (alta concentración); 1,0-1,7 (baja concentración) [6]
Pirofosfato
Los baños de cobre pirofosfatados poseen una química más suave en comparación con los baños de cianuro alcalino tóxicos y los baños de cobre ácido corrosivos, ya que funcionan a un pH ligeramente alcalino y utilizan compuestos de pirofosfato relativamente no tóxicos. Si bien los electrolitos de pirofosfato son más fáciles de tratar como desechos que los baños de cianuro alcalino y ácido, son más difíciles de mantener y controlar. Los baños de pirofosfato ofrecen un alto poder de penetración y producen depósitos brillantes y dúctiles, lo que los hace particularmente útiles para la fabricación de placas de circuito impreso donde se requiere una alta penetración para el recubrimiento de orificios pasantes con una alta relación de aspecto. [2] [16]
Los baños de pirofosfato contienen pirofosfato cúprico como fuente de iones de cobre (II), pirofosfato de potasio como fuente de pirofosfato libre que aumenta la conductividad del baño y ayuda con la disolución del ánodo, amoníaco para aumentar la disolución del ánodo y el refinamiento del grano de depósito, y una fuente de iones de nitrato como el nitrato de potasio o amonio para disminuir la polarización del cátodo y aumentar la densidad de corriente máxima permitida. Cuando se prepara el baño, el pirofosfato de cobre y el pirofosfato de potasio reaccionan para formar un complejo, [K 6 Cu(P 2 O 7 ) 2 ], que se disocia para formar el anión Cu(P 2 O 7 ) 2 6− a partir del cual se deposita el cobre. Las variaciones del electrolito de pirofosfato incluyen baños de uso general, baños de impacto y baños de circuitos impresos. Los baños de circuitos impresos generalmente contienen aditivos orgánicos para mejorar la ductilidad y el poder de penetración. [2] [6]
En los baños de pirofosfato, los iones ortofosfato se forman a partir de la hidrólisis del pirofosfato y tienden a acumularse en el electrolito con el tiempo, lo que presenta desafíos de mantenimiento. Los iones ortofosfato disminuyen el poder de penetración del baño y la ductilidad de los depósitos en concentraciones superiores a 40–60 g/L, y conducen a una menor conductividad de la solución, depósitos bandeados y un rango de densidad de corriente brillante más bajo en concentraciones superiores a 100 g/L. El ortofosfato se elimina del baño ya sea haciendo diluciones y vaciados parciales o vaciando y rehaciendo completamente el baño. [6]
Control de corriente
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Es importante controlar la corriente para producir la superficie de cobre más lisa posible. Con una corriente más alta, se formarán burbujas de hidrógeno en el elemento que se va a revestir, lo que dejará imperfecciones en la superficie. A menudo, se agregan otros productos químicos para mejorar la uniformidad y el brillo del revestimiento. Estos aditivos pueden ser cualquier cosa, desde jabón para platos hasta compuestos patentados. Sin algún tipo de aditivo, es casi imposible obtener una superficie lisa.
La superficie formada siempre necesita ser pulida para lograr brillo. Una vez formada, tiene un brillo mate.
Aplicaciones
Excluyendo la industria del enchapado en tiras continuas, el cobre es el segundo metal que se enchapa más comúnmente después del níquel. [6] La galvanoplastia de cobre ofrece una serie de ventajas sobre otros procesos de enchapado, incluyendo un bajo costo del metal, un acabado brillante de alta conductividad y alta ductilidad y una alta eficiencia de enchapado. El proceso tiene una variedad de aplicaciones tanto decorativas como de ingeniería.
Aplicaciones decorativas
El enchapado de cobre decorativo aprovecha el alto poder nivelador de las formulaciones de baño de cobre que producen depósitos brillantes, la capacidad del cobre para cubrir defectos en el metal base y la suavidad del cobre que lo hace fácil de pulir y abrillantar para obtener un acabado brillante. Si bien el cobre puede usarse como la capa decorativa final de la superficie, generalmente se lo recubre posteriormente con otros metales que son más resistentes al desgaste o al deslustre, como el cromo, el níquel o el oro; en este caso, el brillo de la capa base de cobre mejora el aspecto de la capa de acabado posterior. [5] Los productos que utilizan enchapado de cobre decorativo incluyen molduras de automóviles, muebles, manijas de puertas y gabinetes, artefactos de iluminación, utensilios de cocina, otros artículos para el hogar y prendas de vestir. [9] [17]
El recubrimiento de cobre también se utiliza para acuñar moneda . [18] [19]
Aplicaciones de ingeniería
La galvanoplastia de cobre se utiliza ampliamente en la fabricación de dispositivos eléctricos y electrónicos, debido a la alta conductividad eléctrica del cobre: es el segundo metal más conductor de electricidad después de la plata. [20] El cobre se galvaniza sobre placas de circuitos impresos para agregar metal a los orificios pasantes y fabricar las pistas de circuito conductoras de la placa. Esto se hace mediante un proceso sustractivo donde el cobre se galvaniza como una capa sin patrón que posteriormente se graba con una máscara estampada para formar el circuito deseado (recubrimiento de panel), o mediante un proceso aditivo o semiaditivo donde se aplica una máscara estampada que expone el circuito deseado a la placa seguido de un recubrimiento de cobre sobre las áreas de circuito sin máscara (recubrimiento de patrón). [12] La industria de semiconductores utiliza el proceso de damasquinado para galvanizar con patrón el cobre en vías y zanjas de interconexiones para metalización. [21] El cobre también se utiliza para galvanizar cables de acero para aplicaciones de cableado eléctrico. [22]
Como metal blando, el cobre también es maleable y, por lo tanto, tiene la flexibilidad inherente de mantener la adhesión incluso si un sustrato está sujeto a ser doblado y manipulado después del enchapado. Cuando se galvaniza, el cobre proporciona una cobertura suave y uniforme que, por lo tanto, proporciona una base excelente para procesos de recubrimiento o enchapado adicionales. La resistencia a la corrosión es otra ventaja del cobre. Aunque el cobre no es tan eficaz para resistir la corrosión como el níquel, por lo que se usa comúnmente como capa base para el níquel si se necesita una mayor protección contra la corrosión; por lo general, es el caso de los materiales que se requieren para trabajar en entornos marinos y submarinos. Por último, el cobre tiene propiedades antibacterianas y, por lo tanto, se usa en algunas aplicaciones médicas. [23]
Véase también
Referencias
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Enlaces externos
- Recubrimiento real sobre cobre tratado con PTH Recubrimiento de cobre químico en YouTube (de manera responsable)
