Los acabados superficiales tradicionales de las placas de circuito impreso y sus limitaciones en la electroquímica

En entradas anteriores hemos expuesto la tendencia natural de los dispositivos electrónicos a integrarse en una placa de circuito impreso. Esta tendencia también se aplica a los sensores electroquímicos.

Por el momento, la transición de los sensores electroquímicos hacia los circuitos impresos se ha llevado a cabo mediante la serigrafía con los SPE. Este método de fabricación, aunque reduce los costes y permite la producción en masa, tiene sus limitaciones. Sobre todo cuando se desarrollan sistemas de detección complejos.

La solución a estas limitaciones es integrar los sensores electroquímicos en las placas de circuito impreso. Pero hasta ahora, esto ha sido un reto. Todos los acabados superficiales tradicionales no estaban diseñados para la electroquímica, sino para evitar la oxidación del cobre en la PCB y facilitar la soldabilidad.

En este post explicaremos los acabados superficiales de PCB más comunes y por qué no funcionan para la electroquímica.

Acabados superficiales tradicionales para placas de circuito impreso

¿Por qué los PCB necesitan un acabado superficial?

El último paso en la fabricación de las placas de circuito impreso es el acabado de la superficie. Este acabado superficial es necesario, ya que el cobre utilizado para la conexión de los diferentes componentes de una PCB se oxida con el tiempo cuando se expone al aire. Esta capa de óxido afecta negativamente al rendimiento de una PCB. Por lo tanto, las almohadillas de conexión expuestas deben estar protegidas por un acabado superficial especializado.

Hoy en día, los acabados superficiales más comunes para las placas de circuito impreso son HASL, ENIG, ENEPIG, Oro duro/suave e ImAg.

Nivel de soldadura por aire caliente o HASL

El HASL es el acabado superficial más económico. Consiste en una fina capa de soldadura depositada sobre el cobre expuesto tras la aplicación de la máscara de soldadura.

This layer is applied by immersing the PCB in molten solder and removing the excess with “air knives”. These “air knives” are, essentially, pressurized air that works as a “knife” and removes the excess solder in a similar way as hand dryesr push excess water.

El acabado HASL, aunque es muy económico, no es adecuado para las mediciones electroquímicas. Ya que puede corroerse al aplicar un potencial en un electrolito acuoso.

Oro por inmersión en níquel químico o ENIG

El ENIG es el acabado superficial más común en las placas de circuito impreso.

Esto significa que, si el oro se deposita sobre el cobre directamente, se difundirá a través del oro y acabará oxidándose una vez que llegue a la superficie.

The immersion gold layer provides a good corrosion resistance. However, this can’t be deposited directly onto copper. Since copper diffuses into gold at room termperature.

Para evitar este problema de difusión, se deposita una gruesa capa de níquel entre la base de cobre y la capa de oro. Esta capa de níquel actúa como barrera de difusión para el cobre y hace que la ENIG sea un acabado superficial estable para las placas de circuito impreso tradicionales.

Sin embargo, si se utilizan placas de circuito impreso ENIG para realizar mediciones electroquímicas, aparecerá la corrosión.

Esto sucede porque la capa de oro es muy fina y porosa. Y aunque funciona bien para evitar que los PCB se corroan en el aire, no sirve para las mediciones electroquímicas. Una vez que se aplica un potencial dentro de un electrolito, primero se disuelve el níquel expuesto y luego la base de cobre. En última instancia, el dispositivo de PCB quedaría destruido e inservible.

Níquel químico, paladio químico por inmersión en oro o ENEPIG

Este acabado superficial es muy similar al ENIG, pero presenta una capa adicional de paladio entre las capas de níquel y oro.

Gracias a esta capa de paladio, ENEPIG presenta un mejor comportamiento ante la corrosión que ENIG, pero esto tiene un precio más elevado.

Aunque ENEPIG muestra una mejora en la corrosión respecto a ENIG para aplicaciones tradicionales de PCB, no es suficiente para considerar este acabado superficial para las mediciones electroquímicas.

Las porosidades presentes en las capas de oro y paladio son suficientes para exponer la placa inferior de níquel durante las mediciones electroquímicas. Así, una vez que se aplica un potencial dentro de un electrolito, los resultados son los mismos que en los revestimientos ENIG: disolución del níquel y del cobre que conduce a la destrucción del dispositivo.

Oro duro y blando

Los acabados superficiales de oro duro y blando son revestimientos electrolíticos. Es decir, se depositan mediante un proceso conocido como electrodeposición.

Al igual que la ENIG, este acabado superficial también tiene una capa intermedia de níquel para bloquear la difusión del cobre. Sin embargo, en este caso, la capa de oro es significativamente más gruesa, llegando a menudo a varias micras.

Debido a este mayor grosor, y a la necesidad de equipos especializados, este acabado superficial es el más caro.

Como sugiere el título, este acabado superficial tiene dos variantes:

  • Oro duro: en este caso la capa de oro depositada no es pura, sino una aleación para dotar al oro de una mayor dureza. Las aleaciones más comunes son el oro-cobalto y el oro-níquel, manteniendo el porcentaje de oro en el plat > 99,5 %. Este acabado se utiliza para los conectores de borde en las placas de circuito impreso para evitar el desgaste excesivo debido a las conexiones repetitivas
  • Oro blando: en este caso la capa de oro depositada es muy pura, con más de 99,9% de contenido de oro en la capa chapada. Como resultado, esta capa de oro es más blanda y no es adecuada para conexiones repetitivas. Sin embargo, debido a su gran pureza, suele utilizarse en aplicaciones biomédicas para evitar el contacto con metales tóxicos como el níquel y el cobre.

El Oro Duro/Suave es el acabado superficial que proporciona la mayor protección contra la corrosión, ya que la capa de oro es muy gruesa.

Sin embargo, este acabado superficial no es lo suficientemente bueno para las mediciones electroquímicas,

A pesar de tener una gruesa capa de oro, esta capa sigue siendo demasiado porosa y deja al descubierto la capa de níquel. Por lo tanto, una vez que se aplica un potencial, las capas inferiores de níquel y cobre se disuelven y el PCB se destruye.

A menudo, en un intento de evitar esta corrosión, se depositan capas de oro cada vez más gruesas. A veces incluso se llega a los 100 micrómetros. Sin embargo, esto no garantiza el éxito de la placa. Hay que tener en cuenta que el problema no es el grosor, sino la porosidad.

Plata de inmersión o ImAg

ImAg es un acabado superficial más sencillo que el ENIG, el ENEPIG o el Oro Duro/Suave. Además, es más económico y mejor para el medio ambiente debido a los productos químicos utilizados.

Este acabado superficial consiste en un fino revestimiento de plata directamente sobre la base de cobre.

Aunque la plata también se oxida en el aire, lo hace a un ritmo más lento que el cobre. Por lo tanto, las placas de circuito impreso con acabado ImAg ofrecen cierta resistencia a la corrosión, pero no tan buena como la ENIG, la ENEPIG o el oro duro/suave.

This surface finish is interesting for electrochemistry, particularly to integrate reference electrodes. However, it is not suitable for working or counter electrodes. That’s because if a silver electrode experiences a current it will oxidise and dissolve. Therefore, ImAg is not suitable to develop PCB-based electrochemical sensors either.

¿Por qué ninguno de los acabados superficiales tradicionales de las placas de circuito impreso no sirven para la electroquímica?

Los procesos mencionados tienden a dejar poros entre las capas. Por esta razón, aunque se utilice oro como capa superior, las placas inferiores se corroen porque los poros las dejan al descubierto.

Dado que esta corrosión sólo se observa durante las mediciones electroquímicas, es decir, cuando se aplica un potencial dentro de un electrolito, esta cuestión no se ha abordado. Al fin y al cabo, los acabados superficiales de las placas de circuito impreso se desarrollaron para garantizar la estabilidad de la vida útil y la soldabilidad de las placas.

La solución: un acabado superficial especialmente desarrollado para la electroquímica.

En Macias Sensors somos conscientes de que, para la transición de los biosensores electroquímicos a las placas de circuito impreso, es necesario un acabado superficial adecuado.

Por esta razón, hemos desarrollado nuestro propio proceso de deposición de metal endurecido. Especialmente diseñado para las mediciones electroquímicas.

Gracias a nuestro proceso, podemos suministrar sensores electroquímicos basados en PCB que pueden realizar mediciones electroquímicas sin dañar el dispositivo.

Nuestro acabado superficial permite la integración de biosensores electroquímicos en complejos conjuntos de placas de circuito impreso. Como resultado, podemos desarrollar rápidamente complejos sistemas de biosensores que combinan:

  • electroquímica
  • microfluidos
  • control de la temperatura
  • calibración interna
  • sensores complementarios

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