UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

Diseno e Implementacion de un Equipo

de Electrodeposicion de Cobre en

Sustratos de Vidrio

por

Sergio Zambrano Perilla

Proyecto presentado para obtener el tıtulo de

Ingeniero Electronico

en la

Facultad de Ingenierıa

Departamento de Ingenierıa Electrica y Electronica

2 de diciembre de 2013

Indice general

1. Introduccion 1

2. Objetivos 2

2.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.2. Objetivos Especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.3. Alcance y Productos Finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

3. Descripcion de la Problematica y Justificacion del Trabajo 3

4. Marco Teorico 4

4.1. Ley de Faraday . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

4.2. Bano Electrolıtico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

4.3. Condiciones de Operacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4.3.1. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4.3.2. Densidad de Corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4.3.3. Equipamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4.3.4. Anodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4.4. Modulacion de Corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4.5. Medicion del Grosor de la Deposicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

5. Definicion y Especificacion del Trabajo 8

5.1. Definicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5.2. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

6. Metodologıa del Trabajo 10

6.1. Plan de Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

6.2. Busqueda de Informacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

6.3. Alternativas de Desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

7. Trabajo Realizado 12

7.1. Diseno Conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

7.2. Diseno Basico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

7.3. Diseno Detallado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

7.4. Descripcion del Resultado Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

7.4.1. Resumen Modo de Operacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

7.5. Trabajo Computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

8. Validacion del Trabajo 21

i

Contents ii

8.1. Metodologıa de Prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

8.2. Validacion de los Resultados del Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

9. Discusion 24

10.Conclusiones 25

Bibliografıa 26

Capıtulo 1

Introduccion

En la actualidad, el cobre es el metal mas depositado en todo tipo de materiales uti-

lizados para aplicaciones en la industria de los plasticos, en la fabricacion de circuitos

impresos, en el area automotriz, y en procesos de electrorefinado y electroformado. La

electrodeposicion de este elemento abarca desde multiples campos en la ingenierıa hasta

innumerables aplicaciones decorativas, dadas sus propiedades tanto mecanicas y fısicas,

como electricas. Con respecto a esto, siendo el cobre un material con excelentes carac-

terısticas como conductor, se constituye como un elemento fundamental para realizar

circuitos impresos o para depositarse en elementos que seran utilizados para conducir

corrientes electricas.

Con respecto a la industria de fabricacion de circuitos impresos, la tecnica de electro-

deposicion es comunmente utilizada para realizar la adhesion de capas de metales sobre

sustratos en producciones automatizadas a gran escala. De esta manera, existe toda una

tecnologıa alrededor de esta tecnica, que abarca elementos desde la preparacion del equi-

pamiento y la instrumentacion electronica, hasta el analisis de los banos electrolıticos,

los tanques y las condiciones de operacion del proceso.

Segun esto, y teniendo como base el interes desde el Centro de Microelectronica de la

Universidad de Los Andes en realizar circuitos impresos sobre sustratos de vidrio, es

necesario contar en primera instancia con un equipo y un metodo que permita realizar

la deposicion de capas micrometricas de cobre sobre estos materiales. Para realizarlo, se

parte de la deposicion de capas nanometricas de metales en laminas de vidrio realizada

por el evaporador fısico en Sala Limpia, y se busca implementar un equipo que aumente

su grosor en varios ordenes de magnitud. De esta manera, se busca que las propiedades

fısicas de la deposicion sean lo suficientemente buenas como para soportar etapas poste-

riores como el ataque quımico para la fabricacion de circuitos impresos o el proceso de

soldado de los elementos que componen el circuito.

1

Capıtulo 2

Objetivos

2.1. Objetivo General

Disenar un equipo electronico que permita realizar el proceso de deposicion de capas mi-

crometricas de cobre sobre sustratos de vidrio, empleando el proceso de electrodeposicion

quımica.

2.2. Objetivos Especıficos

� Implementar el equipamiento y la instrumentacion electronica que son necesarios

para la operacion del proceso de electrodeposicion quımica.

� Disenar una interfaz para el usuario final que incluya la posibilidad de realizar la

configuracion de los parametros del proceso de electrodeposicion.

� Plantear las caracterısticas de la solucion quımica y las dimensiones del tanque en

el que se realizara el proceso de electrodeposicion.

2.3. Alcance y Productos Finales

Como resultado del desarrollo del proyecto, sera entregado un equipo que permita depo-

sitar capas micrometricas de cobre sobre las laminas de vidrio previamente evaporadas

en la Universidad. Este dispositivo tendra una interfaz mediante la cual sera posible

realizar la configuaracion de los parametros finales de la deposicion. De manera adicio-

nal, se entregara el compuesto quımico que permite la deposicion, ası el tanque y los

electrodos de cobrepara realizar el proceso.

2

Capıtulo 3

Descripcion de la Problematica y

Justificacion del Trabajo

Por medio del uso del evaporador fısico en Sala Limpia, es posible realizar deposiciones

de metales sobre sustratos de vidrio en la Universidad de Los Andes. Sin embargo, las

capas depositadas a traves de este metodo tienen una fuerte restriccion en su grosor,

dado que este no superara el orden de los nanometros. Teniendo en cuenta la necesidad

de realizar desarrollo de disenos en cobre sobre vidrio, es a veces necesario que estas capas

tengan un mayor grosor que permita el paso de corrientes mayores. Mas aun, si se desea la

fabricacion de circuitos impresos sobre sustratos de vidrio, es necesario que la deposicion

ademas de ser del orden de micrometros, tenga una serie de caracterısticas fısicas que

la hagan resistente a los procesos de ataque quımico utilizados para la fabricacion del

circuito, o a la soldadura de los elementos que componen el mismo.

De acuerdo a lo anterior, se plantea el diseno y la implementacion de un equipo elec-

trodepositador de cobre sobre vidrio que tenga la capacidad de aumentar el grosor de

las laminas de vidrio evaporadas en la Universidad. Como resultado del proceso, se

tendran deposiciones de muy buena calidad y que permitan el diseno de nuevos sensores

y circuitos por parte del Centro de Microelectronica de la Universidad de Los Andes.

3

Capıtulo 4

Marco Teorico

La electrodeposicion es un proceso electroquımico en el cual la corriente electrica reduce

los cationes disueltos de un metal de manera que estos formen una capa de metal en un

electrodo. El elemento que se desea recubrir constituye el catodo del circuito electrico,

mientras que el anodo esta hecho del metal que se desea depositar [1]. Luego, ambos

componentes son sumergidos en una solucion electrolıtica acuosa que contiene una sal del

metal que se desea depositar, ası como una serie de agregados que mejoran las condiciones

de conduccion de corriente electrica del proceso y las caracterısticas de la deposicion final.

Finalmente, una fuente de alimentacion provee corriente electrica al anodo, oxidando los

atomos del metal del cual esta compuesto y permitiendoles disolverse en la solucion (ver

Fig.4.1). En el catodo, los iones disueltos en la solucion electrolıtica se reducen en la

interfaz entre la solucion y el catodo, de manera tal que quedan depositados en este.

La tasa a la cual el anodo se disuelve equivale a la tasa a la cual el catodo esta siendo

depositado; es decir, es proporcional a la corriente electrica fluyendo a traves del circuito

[2].

4.1. Ley de Faraday

La Ley de Faraday establece que la cantidad de reaccion electroquımica que ocurre en

un electrodo es proporcional a la cantidad de carga electrica que ha circulado a traves

de la celda electroquımica. De esta manera, si el peso de un producto de la electrolisis

es w, entonces la Ley de Faraday establece que:

w = ZQ (4.1)

Donde Z es el equivalente electroquımico del metal y Q. Segun esto, el grosor de la

deposicion puede ser evaluado al considerar su volumen y su area superficial. Dado que

4

Marco Teorico 5

Figura 4.1: Proceso de Electrodeposicion de Cobre sobre un Metal en un Bano deSulfato de Cobre.

el volumen V es el producto del area superficial cubierta a y del grosor de la deposicion

h, se tiene que h = V/a. El volumen de la deposicion esta relacionado con el su peso w

de acuerdo a la densidad del material d segun la relacion d = w/V . Segun esto:

h =V

a=

w

ad(4.2)

Si se busca determinar el tiempo t requerido para obtener un grosor de la deposicion h

dada cierta corriente I, se utiliza la Ley de Faraday y se tiene que:

h =w

ad=ZQ

ad=ZIt

ad[m] (4.3)

t =had

ZI[s] (4.4)

Para el cobre, el valor del equivalente electroquımico Z corresponde a 0,0003281g/C [1].

4.2. Bano Electrolıtico

El proceso de electrodeposicion de capas de metal en la industria se basa comunmente

en electrolıticos acuosos, conocidos como banos electrolıticos. Estos banos estan consti-

tuidos primordialmente por una sal del metal que sera depositado, junto con soluciones

acidas o alcalinas que mejoran la conduccion. Finalmente, pueden agregarse aditivos que

optimicen ciertas propiedades de la deposicion final [1].

Durante las ultimas decadas, cientos de diferentes banos han sido desarrollados para

permitir u optimizar la deposicion de metales y compuestos. Estos banos pueden ser

Marco Teorico 6

clasificados segun el pH al cual operan, constituyendose entonces como soluciones acidas,

alcalinas o neutras. Entre estas tres categorıas, las soluciones acidas son las mas comunes

a nivel industrial, dada la facilidad en que se pueden conseguir los compuestos quımicos

y la simplicidad en que son realizados los banos correspondientes [3][4].

Las soluciones electrolıticas acidas se basan usualmente en sales de los metales a deposi-

tar, junto con una alta concentracion de un acido que permite optimizar la conductividad

electrica de la deposicion. La cantidad de acido depositada cambia radicalmente la fuer-

za con la cual las partıculas de cobre quedan depositadas sobre el sustrato, por lo cual

es comun en la literatura observar que para aplicaciones orientadas hacia la fabricacion

de circuitos impresos, se utilizan soluciones con altas cantidades de acidos que permiten

mejorar la fuerza mecanica de la deposicion [5][6].

4.3. Condiciones de Operacion

4.3.1. Temperatura

La temperatura de operacion en los procesos de electrodeposicion puede variar desde 37

◦C hasta 60 ◦C; encontrandose comunmente en rangos que van desde los 32 ◦C hasta

43 ◦C. Incrementos en la temperatura tienen como resultado mayores conductividades

y menor polarizacion entre el anodo y el catodo, sin embargo menores temperaturas se

traducen en una mejor deposicion final [2].

4.3.2. Densidad de Corriente

La densidad de corriente trabajada en la operacion del equipo de electrodeposicion

influira en el tiempo requerido para terminar el proceso dado un grosor requerido de

la deposicion, y en el tamano medio de las partıculas que son depositadas en la capa

final; a mayor densidad de corriente, menor tamano de las partıculas que son depositadas.

4.3.3. Equipamiento

Los tanques en los cuales se depositan el anodo, el catodo y el bano electrolıtico son

hechos usualmente de acero o de plastico, cuando se manejan grandes cantidades de

la solucion acida. Sin embargo, para pequenos volumenes es comun la utilizacion de

tanques de fibra de vidrio o policarbonato [2].

Marco Teorico 7

4.3.4. Anodos

En los equipos de electrodeposicion, los anodos estan comunmente compuestos por barras

y hojas de cobre, teniendo en cuenta que estos tengan una alta pureza y esten libres de

capas de oxido. El tamano y la forma final utilizada, depende altamente de la aplicacion

especıfica y de las dimensiones del tanque.

4.4. Modulacion de Corriente

Bajo la premisa de mejorar las propiedades de los depositos generados mediante el pro-

ceso de electrodeposicion, se han utilizado diferentes tecnicas de modulacion de corriente

que van desde el uso convencional de corriente continua, hasta mas recientes metodos

periodicos, de pulsos y asimetricos [2][5]. La utilizacion de fuentes de pulsos de corriente

gira en torno a la aplicacion de corriente continua durante cierto intervalo de tiempo,

seguido de un lapso en el que se detiene o se reversa dicha alimentacion. En contraste

con el metodo convencional de corriente dc, para esta tecnica se cuenta con tres variables

de decision (amplitud de corriente, tiempo-on y tiempo-off), lo cual permite adicionar

un control sobre el proceso de electrodeposicion. De igual manera, se ha reportado en la

literatura una mejorıa en las propiedades mecanicas y fısicas de las deposiciones que se

realizan mediante pulsos de corriente [2].

4.5. Medicion del Grosor de la Deposicion

En el momento de realizar la operacion del equipo, es necesario conocer cual es la

cantidad de cobre que se ha depositado en determinado momento del tiempo, dado

que se requiere garantizar que el grosor de la deposicion sea lo suficientemente grande

para su uso como circuito impreso. De acuerdo a esto, se realiza la ubicacion de una

Microbalanza de Cristal de Cuarzo, aprovechando las caracterısticas piezoelectricas de

estos elementos. El principio de su funcionamiento radica en que dado un cambio en las

condiciones fısicas del cristal (i.e. la deposicion de una masa sobre su area superficial),

se presenta en cambio en sus caracterısticas electricas (i.e. cambio en su frecuencia de

resonancia). Al poder detectar estos cambios electricos, es posible realizar una medicion

de como fueron sus alteraciones fısicas; es decir, cual ha sido la masa de cobre depositada.

Al relacionarse con el area superficial y la densidad, es posible determinar el espesor de

la deposicion.

Capıtulo 5

Definicion y Especificacion del

Trabajo

5.1. Definicion

El equipo de electrodeposicion disenado esta en capacidad de generar capas micrometri-

cas de cobre sobre sustratos de vidrio previamente evaporados en Sala Limpia. Por

consideraciones del tamano del tanque y la fuente de corriente disenada, las dimensio-

nes maximas de dichas laminas de vidrio no puede superar los 10 x 10 cm. Se realiza

la formulacion y entrega de 1.5L de .Acid Copper”, la solucion quımica que permite el

proceso de electrodeposicion, ya que corresponde al volumen del tanque utilizado.

5.2. Especificaciones

Con respecto a las especificaciones del equipo electrodepositador disenado, se tiene que:

� Se conecta a la red electrica de la Universidad a 120 VAC.

� Cuenta con una interfaz de usuario en la cual se pueden seleccionar las condicio-

nes del proceso (dimensiones del vidrio, ancho de pulsos de corriente, tiempo de

deposicion).

� Implementa una fuente de corriente de pulsos de 1 kHz, con ciclo util variable, y

una corriente de hasta 4 A que depende de las dimensiones del sustrato.

� Permite un modo de operacion por medio de temporizador (se estima el tiempo

requerido para lograr cierta deposicion) y por medio de microbalanza (determina

el cambio en la masa y, por lo tanto, en el grosor de la deposicion).

8

Definicion y Especificacion del Trabajo 9

� Presenta un indicador de porcentaje transcurrido durante la ejecucion del proceso,

el cual termina automaticamente cuando el tiempo requerido se completa.

� Incluye 1.5 L del compuesto quımico requerido para hacer la deposicion, el tanque

utilizado para contenerlo, y los electrodes de cobre necesarios para completar el

montaje.

Capıtulo 6

Metodologıa del Trabajo

Luego de tener las especificaciones iniciales, se procedio a realizar el diseno del equipo

teniendo en cuenta una estructura de tres partes: Diseno conceptual, basico y detallado.

Con respecto al diseno conceptual, fueron definidos los elementos que conforman la

operacion del equipo con respecto a las especificaciones iniciales. Luego, el diseno basico

permitio identificar la manera en que cada uno de estos bloques funcionales iba a ser

implementado de manera circuital, teniendo en cuenta las restricciones y los objetivos.

Finalmente, en el diseno detallado se plantea cada uno de los circuitos de operacion del

sistema, a partir de la seleccion final de los componentes y las simulaciones realizadas

sobre ellos.

6.1. Plan de Trabajo

Con respecto al Plan de Trabajo planteado y desarrollado durante el proyecto de grado,

se presenta en la Fig.6.1 el cronograma que incluye todas las tareas del semestre.

6.2. Busqueda de Informacion

Con respecto a las fuentes de informaction utilizadas en el desarrollo del trabajo, se acu-

dio principalmente a literatura referente a los procesos de electrodeposicion quımica de

metales. En estas referencias, se encontro informacion necesaria acerca de los elementos

requeridos por un equipo electrodepositador de cobre, las caracterısticas de operacion

del proceso, referencias a la manera de implementar el bano quımico y el montaje final

con los tanques.

10

Metodologıa del Trabajo 11

Figura 6.1: Cronograma de Trabajo.

Con respecto a la selecciond e topologıas y componentes, se acudio a referencias tales

como los datasheet y las notas de clase de materias cursadas durante mi pregrado, de

manera tal que pudiera realizar un diseno adecuado a las especificaciones del proceso y

a los requerimientos de Sala Limpia, ası como moderado con respecto a costos de diseno,

fabricacion e implementacion.

6.3. Alternativas de Desarrollo

Para el desarrollo del trabajo, se plantearon diferentes alternativas para el diseno de

los elementos circuitales (i.e. interfaz, fuente de corriente, modos de operacion). Sin

embargo, y despues de proponer topologıas que involucraban componentes diferentes

a los escogidos, se opto por realizar el diseno final teniendo en cuenta consideraciones

de costo, operacion, facilidad de obtener los materiales en el mercado colombiano y

funcionalidad segun los requerimientos.

Capıtulo 7

Trabajo Realizado

A continuacion, se presenta el proceso de diseno del equipo de electrodeposicion tenien-

do en cuenta su Diseno Conceptual, Basico y Detallado. Finalmente, se describen los

resultados finales obtenidos.

7.1. Diseno Conceptual

En la Fig.7.1 se muestra el diseno conceptual desarrollado para el sistema electrodepo-

sitador de cobre.

Figura 7.1: Diseno Conceptual Equipo Electrodepositador de Cobre.

12

Trabajo Realizado 13

El diseno conceptual permite identificar una serie de bloques constitutivos del equipo

electrodepositador, los cuales en conjuncion permiten obtener un equipo completo para

desarrollar el proceso.

En primer lugar, se requiere de una manera de alimentar al equipo, por lo que la mejor

solucion consiste en conectarse directamente a la red de la Universidad disponible en Sala

Limpia. Luego, se debe contar con una unidad de procesamiento, la cual permita utilizar

y sincronizar los otros modulos que conforman el sistema. El uso de un microcontrolador

permite una gran flexibilidad con respecto a las capacidades del equipo, ademas que el

uso de sus perifericos facilitara el trabajo con los demas bloques del dispositivo.

De manera adicional, se requiere de la implementacion de una interfaz de usuario, la

cual le permita realizar la configuracion de los parametros del proceso, ası como una

presentar visualizacion del estado del mismo. Como requerimiento operativo del proceso,

se necesita del diseno de una fuente de corriente que pueda ser modulada por pulsos, y

cuya amplitud maxima pueda ser determinada de acuerdo a las condiciones del proceso.

Luego, es necesario la existencia de un metodo para determinar el estado actual de la

deposicion, de manera tal que se pueda estimar o calcular el ancho obtenido durante y

al final del proceso. Por ultimo, se requiere de la elaboracion del compuesto quımico y

el montaje del tanque que permitiran realizar la electrodeposicion de cobre sobre vidrio,

teniendo en cuenta los requerimientos establecidos inicialmente para el sistema.

7.2. Diseno Basico

En la Fig.7.2 se muestra el diseno basico desarrollado para el sistema electrodeposita-

dor de cobre. Con respecto a cada uno de los bloques definidos en la etapa de Diseno

Conceptual, se realiza una descrpicion de los elementos que se utilizaran en cada uno de

ellos, teniendo en cuenta el funcionamiento descrito para cada modulo.

Con respecto a la unidad de procesamiento del equipo, se utilizara un modulo ATMe-

ga32 de acuerdo a su capacidad de memoria y a los perifericos que contiene [7]. Sus

caracterısticas mas releventes que seran utilizadas en el equipo son los multiples canales

PWM, el numero considerable de pines de proposito general, dos de sus canales ADC de

10-bit de resolucion, sus contadores internos tipo Timer, la habilitacion de interrupciones

y una frecuencia maxima de trabajo de 16 MHz.

Luego, se define que la interfaz del usuario este comprendida por una pantalla LCD

grafica de 128x64 para realizar las notificaciones al usuario, una serie de botones tipo

Trabajo Realizado 14

Figura 7.2: Diseno Basico Equipo Electrodepositador de Cobre.

pulsador para que se pueda realizar el control del equipo, e indicadores auxiliares tipo

LED de proposito general.

Con respecto a la fuente de corriente, se opta por una topologıa de espejo de corriente

controlado por voltaje, de amplitud maxima igual a 4 A, el cual es controlado desde el

microcontrolador por medio de un canal PWM y un filtro pasa bajos. Con la integracion

de switches analogicos, es posible implementar una modulacion de corriente en pulsos

de 1 kHz.

Como fue definido anteriormente, el equipo es alimentado directamente desde la red

de la Universidad disponible en Sala Limpia, por medio de un adaptador de 12 Vdc/5

A. Ademas, se implementara una regulacion interna de voltaje para los circuitos que

requieren conexion a 5V.

Para la medicion del grosor de deposicion, se plantean dos metodos en el equipo disenado.

El primer metodo, consiste en la utilizacion de una microbalanza de cristal de cuarzo

conectado a un oscilado astable. Ante cambios en la masa producidos por el cobre

depositado sobre el cristal, se produce un cambio en la frecuencia natural de oscilacion

del circuito. Es posible relacionar ambas variables por medio de la ecuacion de Sauerbrey.

El segundo metodo, consiste en la implementacion de un temporizador con un timer 1

Hz, el cual funcionara como un interrupt externo del microcontrolador, y permitira lle-

var la cuenta del tiempo actual de la deposicion. De acuerdo a la Ley de Faraday, es

posible relacionar la cantidad de cobre depositada con un tiempo asociado. Segun esto,

el modo temporizador calcula el tiempo requerido para cierto grosor del cobre, y ejecuta

el programa durante este intervalo.

Trabajo Realizado 15

Finalmente, se realiza la composicion quımica tomando como base la formulacion en la

literatura para el .Acid Copper”[1][4][8]. Esta solucion consiste en la mezcla de Agua,

Sulfato de Cobre, Acido Sulfurico y Acido Clorhıdrico, la cual garantiza una deposicion

consistente y de buena calidad. El tanque que se utilizara para realizar el proceso debe

ser de policarbonato, material resistente a esta composicion de acidos diluidos.

7.3. Diseno Detallado

De acuerdo con las consideraciones presentadas en el Diseno Conceptual y Basico, en la

Fig.7.3 se presenta el diseno detallado del circuito que compone el equipo electrodepo-

sitador de cobre.

Figura 7.3: Diseno Detallado Equipo Electrodepositador de Cobre.

El diseno detallado incluye todas las interconexiones entre los distintos elementos del

circuito, ası como los valores y referencias de cada componente. De acuerdo con lo

planteado anteriormente, se realiza la unidad de procesamiento con un ATmega32, y se

muestran las conexiones realizadas con los pines de programacion, los pushbuttons de la

interfaz y la pantalla LCD (se utiliza la librerıa disponible en [9] para realizar el control

del modulo GLCD desde el microcontrolador por medio de un contorlador KS0108).

Ademas, se utilizan los canales PWM para controlar la tension de entrada a la fuente de

Trabajo Realizado 16

corriente controlada por voltaje (PWM y un filtro pasa-bajos), y para realizar los pulsos

de corriente mediante dos switches analogicos conectados en configuracion SPDT.

La fuente de corriente, dividida en dos ramales para disminuir la carga sobre cada uno de

los circuitos, esta compuesta por una configuracion de OpAmp, transistor y resistencia

de sensado. Dado que el circuito de la fuente de corriente manejara magnitudes conside-

rables, es importante considerar la disipacion de potencia de estos elementos para evitar

su averıa. Por lo tanto, se utilizan resistencias de potencia para el sensado, y disipadores

de mediano tamano en cada uno de los transistores.

El oscilador astable se configura por medio de una configuracion de compuertas inver-

soras y resistencias de ajuste. El reloj de 1 Hz utilizado como interrupt externo, se

implementa por medio de una configuracion de contadores binarios (prescaler), junto

con un cristal de precision.

A partir del circuito esquematico presentado anteriormente, se muestra en la Fig.7.4 el

circuito impreso desarrollado para el equipo electrodepositador de cobre.

Figura 7.4: Circuito Impreso Equipo Electrodepositador de Cobre.

Con respecto a la composicion quımica utilizada para realizar la deposicion, las canti-

dades finales de cada uno de los compuestos se muestra en la Tabla 7.1.

Trabajo Realizado 17

Compuesto Cantidad

Agua - H2O 1.06 L

Sulfato de Cobre - CuSO4 112.35 g

Acido Sulfurico (35 %) - H2SO4 430 mL

Acido Clorhıdrico (35 %) - HCl 0.20 mL

Cuadro 7.1: Composicion Quımica - Acid Copper

Finalmente, se muestra en la Fig.7.5 los planos correspondientes al diseno fısico del

equipo electrodepositador de cobre. En este se incluye la ubicacion de la pantalla LCD,

los botones de control del dispositivo y los LEDs auxiliares de notificacion al usuario.

El material escogido para realizar la implementacion de este diseno fısico corresponde a

acrılico opaco de 2 mm de espesor.

Figura 7.5: Dseno Fısico Equipo Electrodepositador de Cobre.

Trabajo Realizado 18

7.4. Descripcion del Resultado Final

De acuerdo con el diseno final planteado anteriormente, se presenta en la Fig.7.6 el

equipo electrodepositador de cobre luego de su implementacion definitiva.

Figura 7.6: Montaje Final Equipo Electrodepositador de Cobre.

Puede observarse la construccion del equipo en acrılico, teniendo en cuenta el diseno

mecanico presentado anteriormente, los elementos de la interfaz tales como la pantalla

LCD y los botones de control, el tanque en policarbonato utilzado para llevar a cabo el

proceso, y la solucion de ’Acid Copper’ correspondiente.

De manera adicional, se muestra en la Fig.7.7 una fotografıa del menu de usuario en el

que se observa la operacion del equipo en modo temporizador, donde se indica al usuario

el tiempo transcurrido del proceso y el porcentaje hasta la finalizacion del mismo.

Figura 7.7: Ejemplo del Equipo Electrodepositador de Cobre en Operacion.

Trabajo Realizado 19

7.4.1. Resumen Modo de Operacion

El equipo electrodepositador cuenta con cuatro opciones una vez que se ejecuta el pro-

grama. La primera de ellas, consiste en el ingreso por parte del usuario de las dimensiones

de la lamina de vidrio que desea electroplatear. Luego, se selecciona el ancho de pulso

de la corriente que sera aplicada sobre el vidrio, teniendo en cuenta que la frecuencia de

trabajo es de 1 kHz. En tercer lugar, se determina el modo de operacion del programa:

microbalanza o temporizador. De acuerdo a la opcion escogida, un submenu permite

calibrar el equipo o establecer el tiempo de operacion del proceso, respectivamente. Fi-

nalmente, se da inicio a la operacion del equipo, presentando antes un resumen de toda

la configuracion final con la que se va a ejecutar.

A partir de este momento, el equipo comienza a suministrar corriente al tanque de

electroplateado teniendo en cuenta los parametros configurados por el usuario. Luego, se

hace una indicacion de la medicion en corriente en tiempo real, hasta que esta alcance el

set point establecido de acuerdo al tamano de la lamina de vidrio. A partir de este punto,

se muestra en pantalla una indicacion del tiempo restante para terminar el proceso. En

cualquier momento el usuario puede abortar la ejecucion de la deposicion, revertir una

decision y volver a hacer la configuracion de los parametros del proceso.

El electrodo positivo del equipo se conecta a los anodos de cobre, mientras que el electro-

do negativo se conecta a la lamina de vidrio, asegurandose que esta queda completamente

sumergida en la solucion. Dado que para la operacion del equipo se requiere del uso de

sustancias quımicas corrosivas, es obligatorio el uso de elementos de proteccion personal

a la hora de realizar el montaje y aplicar la solucion electrolıtica. Es importante evitar

el contacto con el compuesto quımico, ası como tener cuidado en el momento de operar

el circuito.

7.5. Trabajo Computacional

Para la realizacion del diseno del equipo electrodepositador de cobre, fueron utilizadas

herramientas computacionales que permitieran la simulacion de los circuitos y la progra-

macion, ası como el diseno del PCB y la interfaz final. Con respecto a esto, se enumeran

a continuacion cada uno de los programas usados.

� Labcenter Electronics - Proteus 8: Simulacion de los circuitos disenados y la pro-

gramacion hecha en el microcontrolador (ver Fig.7.8).

� Atmel Studio 6.1: Compilacion del codigo y programacion del microcontrolador

utilizado en el equipo.

Trabajo Realizado 20

� Eagle 6.5.0: Diseno del circuito impreso final del equipo electrodepositador de

cobre.

� AutoCAD360: Diseno fısico del equipo. Generacion de los archivos necesarios para

realizar el corte laser de las laminas de acrılico de acuerdo a la Fig.7.5.

Figura 7.8: Simulacion del Equipo Electrodepositador de Cobre en PROTEUS 8.

Capıtulo 8

Validacion del Trabajo

8.1. Metodologıa de Prueba

A continuacion, se presenta la metodologıa de prueba de los resultados obtenidos. Para

esto, se opera el equipo para generar capas de cobre sobre las previamente evaporadas

laminas de vidrio en Sala Limpia.

En primer lugar, se realiza la conexion de la lamina de vidrio al electrodo negativo

del equipo, mientras que se conecta el electrodo positivo a los anodos de cobre. Se

debe asegurar que los electrodos se encuentre correctamente conectados, ası como que

la lamina de vidrio quede totalmente sumergida en la solucion electrolıtica. Luego, se

configura en el programa el ancho de manera tal que corresponda aproximadamente al de

la lamina de vidrio. A continuacion, se escoge el ancho de pulsos con el que se trabajara el

proceso de electrodeposicion. Durante la validacion de los resultados, este ancho de pulso

se establecio en el valor por defecto (50 %). Despues, se determina el modo de operacion

con el que trabajara el equipo. En este punto se escoge que el dispositivo funcione en la

opcion temporizador, y se establece un ancho de la deposicion deseado correspondiente

a unidades de micras. Finalmente, se ejecuta el proceso de electrodeposicion durante el

tiempo establecido. Una vez que se de por concluido, es importante retirar la lamina

de vidrio de manera rapida, lavarla con agua para eliminar los desechos de la solucion

quımica, y secarla inmediatamente para evitar la aparicion de oxido en su superficie.

8.2. Validacion de los Resultados del Trabajo

Luego de realizar el proceso de electrodeposicion siguiendo el protocolo descrito ante-

riormente, se obtuvieron resultados exitosos en el crecimiento de una capa micrometrica

21

Validacion del Trabajo 22

de cobre sobre vidrio.

Visualmente, es posible observar la diferencia de manera inmediata al retirar las laminas

de la solucion electrolıtca. En las Fig.8.1 y Fig.8.2 se muestra la diferencia para una

lamina antes y despues de ser electrodepositada, respectivamente.

Figura 8.1: Lamina de Vidrio antes de ser Electrodepositada (Capa Nanometrica).

Figura 8.2: Lamina de Vidrio despues de ser Electrodepositada (Capa Micrometrica).

Sin embargo, con el fin de poder determinar cual es el grosor efectivo de la lamina luego

de realizar el proceso de electrodeposicion, se utiliza el Perfilometro disponible en Sala

Limpia. A continuacion, se muestra en la Fig.8.3 y Fig.8.4 los resultados de perfilometrıa

obtenidos para laminas con deposiciones de 2µm y 4µm, respectivamente.

Figura 8.3: Lamina de Vidrio con deposicion de 2µm.

Validacion del Trabajo 23

Figura 8.4: Lamina de Vidrio con deposicion de 4µm.

Puede observarse que, para ambos casos, se realiza una medicion de perfilometrıa descen-

diendo de la capa de cobre hasta hacer contacto con el vidrio. Los resultados obtenidos

para cada uno de los grosores determinados son adecuados, teniendo en cuenta que exis-

te cierta presencia de impurezas o acumulaciones en algunas partes de la superficie. Es

importante notar que hacia el borde de la capa de cobre aumenta considerablemente su

groso, lo cual significa que hay una mayor concentracion de cobre siendo depositada en

esta parte de la lamina.

Con respecto al segundo modo de operacion, la determinacion del grosor por medio del

uso de una microbalanza de cristal de cuarzo, no se obtuvieron los resultados espera-

dos al trabajar dentro de una solucion lıquida conductora (se anulo la oscilacion del

circuito). De esta manera, se opta por trabajar unicamente con el modo temporizador

y la aproximacion de la Ley de Faraday. Es posible, sin embargo, conectar al cristal a

la solucion acuosa y usarse como un sensor off-line. Esto significa que se puede realizar

la conexion del cristal al circuito oscilador y calibrar el cero, para luego descoenctarlo y

comenzar el proceso de electrodeposicion ubicando el cristal cerca a la lamina de vidrio.

Finalmente, en el momento que se desee saber cual es el grosor del cobre depositado

sobre el vidrio, se vuelve a coenctar el cristal de cuarzo al circuito oscilador y por medio

del equipo se determina el cambio de la frecuencia natural y, de esta manera, la cantidad

de cobre sobre la microbalanza.

Capıtulo 9

Discusion

En este trabajo, se presento el proceso de diseno y validacion de un equipo electrode-

positador de cobre sobre vidrio. Su objetivo, es el de generar capas micrometricas de

cobre sobre las laminas de vidrio previamente evapoaradas en la Universidad de Los

Andes, de manera tal que el nuevo grosor del cobre permita la elaboracion de circuitos

impresos. Luego de tener en cuenta aspectos tales como la capacidad de corriente, el

modo de operacion, las dimensiones del vidrio a electrodepositar y las caracterısticas de

la solucion electrolıtica; se desarrolla un dispositivo funcional que cumple con la funcion

para la cual fue disenado.

Es posible realizar a futuro una caracterizacion acerca de la manera en que modificando

las condiciones de operacion del circuito, cambien las propiedades finales de la deposicion

sobre el vidrio. Esto es posible, por ejemplo, variando el ancho de los pulsos de corriente,

modificando los componentes de la solucion electrolıtica, o cambiando la temperatura a

la cual se ejecuta el proceso.

Dado que los resultados al utilizar los cristales de cuarzo como sensores para el equipo no

fueron los adecuados, se puede realizar el acondicionamiento de un circuito que permita

medir en tiempo real el grosor de la deposicion que se esta llevando a cabo por el equipo.

Para poder adaptarse al dispositivo, es desarrollo debe realizarse teniendo en cuenta el

principio de funcionamiento del cristal, generando cambios en la frecuencia de oscilacion

ante alteraciones en la masa sobre el sensor.

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Capıtulo 10

Conclusiones

� Como resultado de este trabajo, se logro disenar un dispositivo que tuviera en

cuenta aspectos tales como la capacidad de corriente, el modo de operacion, las

dimensiones del vidrio y las caracterısticas de la solucion electrolıtica, para realizar

el proceso de electrodeposicion de cobre sobre sustratos de vidrio.

� A la hora de realizar la operacion del equipo, es importante tener en cuenta que se

esta trabajando con soluciones quımicas corrosivas, por lo cual el uso de elementos

de proteccion personal es obligatorio.

� Luego de finalizar con una deposicion sobre una lamina de vidrio, es fundamental

retirarla rapidamente de la solucion electrolıtica, lavarla con agua para eliminar

residuos de este compuesto y secarla inmediatamnte para que no se genere oxido

sobre ella. Finalmente, la lamina debe ser protegida durante su almacenamiento,

evitando el contacto con superficies humedas que puedan generar suciedad en la

misma.

� Para trabajo futuro, es posible realizar una caracterizacion acerca del efecto en

el cambio de las condicionos de operacion (i.e. temperatura, solucion electrolıtica,

ancho de pulsos) en la calidad de la deposicion final hecha sobre el vidrio.

� Por medio de la adecuacion de un tanque de mayor tamano, un adaptador de

mas alta capacidad, y algunas modificaciones al circuito basico, el dispositivo es

facilmente escalable para la operacion con laminas de mayor tamano orientadas

hacia la industria.

� El proceso desarrollado en este trabajo permite realizar la deposicion de cobre

sobre otros materiales diferentes al vidrio, garantizando que exista conductividad

electrica en el sustrato que se desea electrodepositar.

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Bibliografıa

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