Se acabó el cobre: ​​la química detrás del grabado de PCB

Por muchas razones, el grabado casero de PCB es un arte en extinción. La razón principal es, por supuesto, el aumento de los servicios rápidos de fabricación de PCB; Cuando puedes enviar tus Gerbers y recibir de vuelta una caja con una docena de PCB fabricados profesionalmente por unos pocos dólares, ¿por qué querrías molestarte en grabar los tuyos propios?

Dejando a un lado la conveniencia y el costo, hay muchas razones válidas para crear sus propios tableros, que van desde no tener que esperar el envío hasta simplemente querer controlar el proceso usted mismo. Sin embargo, sea cual sea el bando en el que te encuentres, vale la pena saber qué sucede cuando tu simple placa revestida de cobre, adornada con tu preciosa obra de arte, se desliza dentro del tanque de grabado y se convierte en una placa de circuito impreso. ¿Qué está pasando exactamente allí para eliminar el cobre? ¿Y cómo afecta el método de grabado al producto final? Echemos un vistazo a algunos de los métodos de grabado más populares para comprender la química detrás de las tablas.

Al fin y al cabo, el grabado de PCB consiste en eliminar el cobre de una placa de la forma más controlada posible. Los métodos de grabado de PCB generalmente se clasifican en una de dos categorías amplias: procesos húmedos y secos. Para el jugador doméstico, los procesos secos incluirían métodos como fresar trazos con un enrutador CNC, o incluso el método probado y verdadero de raspar trazos usando una hoja de afeitar. A nivel comercial, el grabado en seco generalmente se refiere a métodos como el grabado con láser, en el que se utiliza un láser de alta potencia para eliminar el cobre del sustrato subyacente para crear rastros, o el grabado con plasma, que utiliza energía de RF para generar un plasma reactivo a partir de un grabado. gas.

Con la notable excepción de raspar los rastros con un X-Acto, todos estos métodos de grabado en seco tienen la desventaja de necesitar máquinas especializadas de algún tipo. Sin embargo, lo que les falta en simplicidad lo compensan con el grabado y el fino control que logran en la eliminación del cobre. Los métodos de grabado en seco son todos procesos anisotrópicos; es decir, dirigen la extracción de cobre en una sola dirección y evitan el riesgo de subcotización. Los métodos húmedos, todos los cuales dependen de reacciones químicas para convertir el cobre metálico en una solución acuosa, son procesos isotrópicos, lo que significa que se desarrollan de manera más o menos uniforme en todas las direcciones. Esto puede convertirse en un problema; Si el proceso no se controla estrictamente, las reacciones de grabado pueden extenderse debajo de la capa de resistencia enmascarando áreas de futuras trazas de la PCB, creando potencialmente un estrechamiento de las trazas de alta resistencia o incluso circuitos abiertos.

Si ha realizado algún grabado de PCB en casa, es muy probable que al menos haya probado el antiguo recurso, el cloruro férrico. Es barato y fácil, y tiene muchas ventajas sobre otros productos químicos de grabado húmedo, una de las cuales es que puedes hacer un suministro casi ilimitado del material usando nada más que un puñado de clavos y algunos productos químicos que puedes conseguir fácilmente en una piscina. tienda y farmacia:

También conocido como cloruro de hierro (III) (FeCl3), el cloruro férrico disuelve rápida y eficazmente el cobre metálico, pero ¿cómo es la reacción? La reacción general es bastante sencilla:

Cuando el cloruro férrico entra en contacto con el cobre metálico, uno de sus átomos de cloro se transfiere a un átomo de cobre, formando cloruro de cobre (II) o cloruro cúprico, que es soluble en agua. Esto permite enjuagar el cobre que alguna vez estuvo adherido al sustrato de PCB. Parece bastante simple, pero esa reacción general esconde mucha complejidad química, y vale la pena profundizar un poco en los detalles.

Primero, un poco sobre nomenclatura. Los compuestos con cationes metálicos (especies cargadas positivamente) han utilizado tradicionalmente diferentes sufijos para indicar su estado de oxidación o la carga del átomo. El sufijo "-ic" denota el estado de oxidación superior, mientras que "-ous" se refiere al estado de oxidación inferior. El sufijo se añade al prefijo latino del metal, dando lugar a nombres como "férrico", que se refiere al hierro con un estado de oxidación 3+, o "ferroso", que es un estado 2+. Esta convención se remonta casi a los días de la alquimia y, aunque todavía es de uso común, la nomenclatura estándar ahora indica el estado de oxidación con números romanos entre paréntesis en los nombres de compuestos, cloruro de hierro (III) (FeCl3) y hierro (II). cloruro (FeCl2).

La nomenclatura sienta las bases para comprender las reacciones subyacentes que hacen que el cloruro férrico sea bueno para grabar el cobre. En solución, el cloruro férrico se disocia rápidamente en iones hierro (III) y cloruro:

(ecuación 1)

Asimismo, el agua se disocia en iones hidrógeno e hidroxilo:

(ecuación 2)

Esto da como resultado una gran cantidad de iones de hierro (III) con una fuerte carga positiva en un entorno con muchos iones de hidroxilo cargados negativamente. Se juntan y forman hidróxido de hierro (III), que es un compuesto insoluble que precipita en la solución:

(ecuación 3)

Sacar todos esos iones hidroxilo de la solución deja un montón de iones de hidrógeno, lo que tiene el efecto de hacer que la solución sea más ácida (disminuyendo su pH). Esto crea un ambiente donde los iones de hierro (III) de la ecuación 1 ganan un electrón (reducción) del revestimiento de cobre sólido de la PCB, lo que resulta en la oxidación del cobre a iones de cobre (II) en solución:

(ecuación 4)

Los iones de cobre (II) y hierro (II) en solución quedan libres para unirse a todos los iones de cloruro altamente electronegativos de la ecuación 1, formando los productos cloruro de cobre (II) y cloruro de hierro (II) en el lado derecho de la ecuación general. ecuación, y dejando atrás áreas libres de cobre en el PCB recién nacido. La solución de grabado eventualmente se satura con óxido de cobre (II), que comienza a precipitar de la solución como un sólido azul verdoso. Sin embargo, lleva un tiempo llegar allí; Dependiendo de la fuerza del grabador cuando esté fresco, puede esperar que contenga hasta 50 gramos por litro de metal de cobre antes de que no pueda contener más.

Los persulfatos suelen estar disponibles como sales de sodio o amonio y, a veces, incluso como sales de potasio. Estas especies cargadas positivamente se conocen como contraiones; cuando se disuelven en agua, las sales de persulfato se disocian rápidamente en iones de persulfato libres y sus contraiones:

Los contraiones simplemente flotan y no participan de manera seria en la siguiente reacción de grabado; simplemente se ocupan de unirse libremente a los iones persulfato y caerse en una danza constante de equilibrio. La verdadera acción es con los persulfatos, que están listos para empezar a trabajar con el cobre metálico.

A diferencia del cloruro férrico, la reacción general entre los persulfatos y el cobre es prácticamente toda la historia:

Cuando los iones persulfato entran en contacto con cobre sólido, el metal dona con entusiasmo electrones al enlace peróxido, reduciendo el enlace y dividiendo el persulfato en dos iones sulfato mientras solubiliza el cobre. Luego, el cobre disuelto se une a uno de los iones sulfato para formar sulfato de cobre (II), lo que le da a la solución grabadora de persulfato un matiz azul verdoso familiar a medida que avanza el grabado.

Otro grabador popular tanto entre los cerveceros caseros como entre los fabricantes comerciales es el cloruro cúprico, o utilizando la nomenclatura actualmente aceptada, el cloruro de cobre (II). Puede parecer un poco extraño que un grabador de cobre contenga cobre en sí, pero el cloruro cúprico graba de forma rápida y económica, y tiene el beneficio de la regeneración.

Si bien es posible comprar (o preparar) una solución de cloruro cúprico tratando el cobre sobrante con ácido clorhídrico, es más fácil simplemente juntar todos los ingredientes con la PCB que se va a grabar y dejar que el cobre de la placa reemplace el cobre sobrante. . La reacción general es bastante simple, pero nuevamente esconde una complejidad química interesante:

El cloruro cúprico ataca el cobre metálico de la PCB, produciendo dos moléculas de cloruro cuproso soluble en el proceso. Bastante simple, pero ¿de dónde viene el cloruro cúprico? Necesitamos una forma de disolver un poco de cobre del tablero y hacerlo reaccionar con algunos iones de cloruro. Esto se hace comúnmente con una mezcla de ácido clorhídrico y peróxido de hidrógeno. Primero, el peróxido de hidrógeno se descompone en agua y un radical de oxígeno, mientras que el ácido clorhídrico se disocia en iones de hidrógeno y cloruro:

Esta es una mezcla bastante potente, en la que el radical oxígeno y los iones cloruro atacan el metal de cobre sólido y forman un complejo conocido como tetraclorocuprato:

El complejo cloro-cobre es capaz de oxidar directamente el cobre, lo que crea el cloruro cúprico que luego continuará y realizará la mayor parte del grabado:

La ventaja clave del grabado con cloruro cúprico es la regeneración, que se puede lograr de varias maneras. Industrialmente, a menudo se burbujea cloro gaseoso a través del agente decapante; esto vuelve a convertir el cloruro cuproso en cloruro cúprico sin diluir el grabador, pero obviamente no es algo que desee hacer en el laboratorio doméstico. El perclorato de sodio, otro agente oxidante fuerte, a veces se usa industrialmente, pero tiene la desventaja de generar un precipitado de cloruro de sodio en el agente decapante que debe eliminarse. También existen métodos electrolíticos y electroosmóticos que restauran el cloruro cúprico y al mismo tiempo recuperan el cobre metálico, pero obviamente son complicados.

Afortunadamente, el jugador doméstico tiene disponible un método de regeneración simple, uno que utiliza químicos que ya hemos agregado para iniciar la reacción: ácido clorhídrico y peróxido:

La oxidación del cloruro cuproso con peróxido de hidrógeno en presencia de iones de cloruro del ácido clorhídrico restablece eficazmente la solución de grabado, restaura el cloruro cúprico y prepara la solución para otro intento con el metal de cobre sólido. Sin embargo, esto produce moléculas de agua, por lo que la dilución es un problema, pero eso se puede compensar hasta cierto punto agregando más ácido. Aún así, es un sistema bastante bueno, un proceso casi de circuito cerrado que es barato y simple.

Obviamente, faltan muchos detalles en este recorrido rápido y hay muchos otros métodos de grabado que no he cubierto. Pero cualquiera que elija usar, asegúrese de tomar las precauciones adecuadas, usar su EPP y tener un plan sobre lo que va a hacer con los desechos.