Formación de lodos y película de ánodo de cobre

Existe una cantidad significativa de información errónea y malentendidos sobre la formación de película y la creación de lodos anódicos en relación con el uso en galvanoplastia de ánodos de cobre con contenido de fósforo. En este artículo intentaré aclarar el proceso.

El fósforo se agrega al cobre por varias razones. Es un desoxidante en cobre fundido, reduce sustancialmente la conductividad eléctrica del metal y afecta otras propiedades de este. También se utiliza en ánodos de cobre para galvanoplastia, ya que, junto con los cloruros en un baño de galvanoplastia, formará una película negra en la superficie del ánodo. Esta película inhibe la corrosión ácida del ánodo y reduce, en gran medida, la formación de partículas de cobre en el electrolito. Este efecto beneficioso disminuye la probabilidad de asperezas causadas por partículas en el objeto que se está revistiendo. Por ejemplo, al galvanizar tarjetas de circuito impreso, esta película negra protectora evita que las partículas de cobre generen cortocircuito entre las trazas de la tarjeta.

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La formación de la película negra requiere tres componentes: fósforo en el ánodo, iones de cloruro en el electrolito de cobre ácido y flujo de corriente eléctrica desde el ánodo a través del electrolito hasta el cátodo (la parte que se está revistiendo). En consecuencia, las cantidades de estos tres constituyentes tienen un gran efecto sobre la formación, el espesor y la adherencia de la película a la superficie del ánodo. Analicemos estos a su vez.

Fósforos

Los ánodos de fósforo-cobre utilizados en electrolitos de cobre ácido pueden tener un rango de contenido de fósforo que va desde 20 ppm (0.020%) hasta 1000 ppm (0.10%), o más, según el proceso de revestimiento y la densidad de corriente eléctrica entre el ánodo y el cátodo. Para la mayoría de las aplicaciones de galvanoplastia, incluidas las tarjetas de circuito impreso (PCB, en inglés), el revestimiento de plásticos (POP, en inglés) y las aplicaciones de acabado de metales en general (GMF, en inglés), el contenido de fósforo está entre 0.040% y el 0.065%. Para operaciones de galvanoplastia de alta velocidad, a menudo se emplean cantidades más elevadas de fósforo.

Cloruros

Los cloruros, por lo general, se incorporan al electrolito de cobre ácido mediante la adición de ácido clorhídrico (HCl). La concentración de cloruro típica para galvanoplastia es de 50 a 100 ppm. Se formará una película a concentraciones más bajas de cloruro, pero la película se volverá delgada y transparente en esos niveles. Es importante destacar que, a medida que la concentración de cloruro alcanza las 150 ppm, aproximadamente, la película se vuelve no conductora y se torna gris o blanca con una sensación grasosa. El momento exacto en el que esto ocurre depende del nivel de fósforo en el ánodo y de la densidad de corriente del ánodo.

Bolas de ánodo de cobre.

Densidad de corriente

La densidad de corriente eléctrica empleada en el baño de galvanoplastia variará de acuerdo con el proceso en particular. Un flujo de corriente más alto entre el ánodo y el cátodo, medido en amperios por pie cuadrado (ASF), generalmente aumentará la velocidad de deposición del proceso de revestimiento. Sin embargo, la densidad de corriente debe controlarse para producir la calidad de metal revestido requerida en la aplicación. La densidad de corriente permitida dependerá de muchos factores, incluido el contenido de ácido y cobre del electrolito, la temperatura del electrolito, la circulación del electrolito en el tanque, el material y tejido de la bolsa del ánodo y los reactivos agregados al electrolito para obtener las características de superficie requeridas para la electrodeposición adecuada del cobre sobre la superficie a recubrir. Muchos otros factores que controlan la densidad de corriente permitida, están más allá del alcance de esta discusión.

Barras de ánodo de cobre.

Formación de película negra: cómo funciona

El ánodo de fos-cobre tiene fósforo distribuido por toda la matriz de cobre. A medida que tiene lugar la electrólisis, el cobre se disuelve electrolíticamente desde la superficie del ánodo, exponiendo el fósforo. El fósforo en la superficie del ánodo reacciona con los iones de cloruro en el electrolito y forma una película negra compleja de cobre y cloruro de fósforo. Esta película negra, porosa, permite que los átomos de cobre pasen a través de la película hacia el electrolito y luego hacia el cátodo (la parte que se está revistiendo).

A medida que el ánodo se disuelve, se expone más fósforo y la película negra se pone más gruesa. Finalmente, en tanto que el ánodo se contrae y cae más abajo en la canasta del ánodo, la película negra se desprende y se deposita en el fondo de la bolsa del ánodo. Este es el llamado lodo anódico. El lodo también contiene elementos de impurezas no solubles en el electrolito de cobre ácido. Las impurezas solubles se disuelven en el electrolito y se eliminan mediante el esquema de procesamiento de electrolitos aplicable. Los niveles mínimos de impurezas que se encuentran en los ánodos de cobre que cumplen con los estándares de pureza aceptados y bien documentados tienen un efecto insignificante en la película, generación de lodos y volumen de lodos producidos.

Es extremadamente importante entender que cuanto mayor es el contenido de fósforo del ánodo a cualquier densidad de corriente anódica, mayor es la cantidad de película anódica que se produce y, por lo tanto, más cantidad de lodo anódico se genera. Con un contenido bajo de cloruro en el baño, la película negra tiende a ser delgada. A medida que aumenta el contenido de cloruro, la película negra será más gruesa. Como se señaló antes, si el contenido de cloruro se encuentra en el rango de 150 ppm, la condición de la película cambiará a blanco grisáceo con una sensación grasosa característica al tacto. Se volverá no conductor, se producirá una polarización del ánodo y se detendrá el proceso de revestimiento.

La anterior es una descripción simplificada del proceso de formación de la película. Otras variables afectan este proceso, la formación de la película del ánodo y la cantidad de lodo anódico creado. Estas incluyen: circulación del electrolito dentro y alrededor de la bolsa del ánodo, concentración de cobre y ácido en el electrolito, temperatura del baño y densidad de corriente del ánodo. La limpieza del ánodo también es muy importante para la formación adecuada de la película y afecta el volumen de lodo anódico. El aceite y la grasa inhibirán la formación de películas al igual que los óxidos y otros residuos. Se necesita un seguimiento y control cuidadosos de todos los aspectos del proceso para asegurar la formación de película deseada y controlar la cantidad de lodo anódico creado.

Nota: La formación de lodos anódicos es una parte inherente del proceso de galvanoplastia de ánodos de fos-cobre, por lo que resulta esencial tener una comprensión real de la formación de lodos anódicos de cobre.