Optymalizacja elektroosadzania elektrycznych mikrokontaktów miedzianych w wytwarzaniu zintegrowanych wielowarstwowych obwodów elektrycznych (obwodów drukowanych)

Przedstawiona praca koncentruje się na możliwościach zaprojektowania, skonstruowania i przetestowania elektrochemicznego systemu umożliwiającego monitoring stanu kąpieli galwanicznej. Z racji specyfiki produkcji prowadzonej w firmie PIT-RADWAR S.A. jako obiekt opracowania wybrana została kwaśna kąpiel do miedziowania. W wymienionej firmie służy ona do wykonania kontaktów elektrycznych w używanych w elektronice obwodach drukowanych. Na początku, w części opisującej aktualny stan wiedzy dotyczącej tematu pracy, przedstawiono definicje ważnej dziedziny elektrochemii - galwanotechniki Wytłumaczono znaczenie procesów red-ox zachodzących na powierzchni stałych materiałów prowadzących do wytworzenia rożnego rodzaju powłok. Można znaleźć tu informacje o historycznym rozwoju tej ważnej dla gospodarki dziedziny i charakterystykę najważniejszych, wykorzystanych technologicznie procesów galwanicznych cynkowania, niklowaniu, chromowaniu, złoceniu i stanowiącemu istotę przedłożonej pracy miedziowaniu. W tej części wymienione zostały podstawowe cele wytwarzania powłok galwanicznych. Przedstawiono zróżnicowanie rodzajów powłok ze względu na ich przeznaczenie (ochronne, dekoracyjne, techniczne) oraz opisane zostały najważniejsze sposoby prądowego i bezprądowego osadzania powłok galwanicznych. Zdefiniowano pojęcie „kąpiel galwaniczna” i określono role znajdujących się w niej składników i najważniejszych parametrów jej pracy. Wskazano cele systematycznego analizowania składu i stanu elektrolitu. Ważną częścią wstępu literaturowego jest opis procesów dedykowanych do galwanicznego wytwarzania kontaktów elektrycznych w obwodach elektronicznych o dużej i wielkiej skali integracji elementów (obwody drukowane, zewnętrzne i wewnętrzne polaczenia w mikroprocesorach). Ponieważ miedź jest najczęściej stosowana do wytwarzania takich połączeń procesy miedziowania rożnymi sposobami opisano ze szczególną starannością. Najobszerniej scharakteryzowano proces miedziowania z kwaśnych siarczanowych elektrolitów dedykowanych temu celowi. Przedstawione zostały podstawowe składniki roztworu oraz opisano najczęściej stosowane dodatki wymieniono przypisywane im role w wytwarzaniu powłok i ich wpływ na właściwości osadzanej miedzi (naprężenia, ujednolicenie grubości zdolność do wypełniania zagłębień i otworów). Przedyskutowane zostały warunki optymalizacji prowadzenia procesu, przedstawiono zagrożenia wynikające z nieprzestrzegania parametrów procesu miedziowania najczęściej spowodowanych odstępstwami od składu kąpieli zalecanego przez producenta. Szczególnie starannie odniesiono się do kluczowych wyzwań dotyczących produkcji wielowarstwowych płyt obrodów drukowanych. Dalej część literaturowa zawiera zestawienie najpopularniejszych metod analizy składu roztworów kąpieli galwanicznych. Przedstawiono tu podstawowe cele przeprowadzanych procedur analitycznych, zwrócono uwagę na specyfikę działań analitycznych. Podczas badania kąpieli galwanicznych analitycy często nie maja pełnych danych o oznaczanych substancjach, a wiedzą tylko o ich działaniu na proces technologiczny. Dlatego przegląd rozpoczyna się opisu metody praktycznej oceniającej stan kąpieli testów przeprowadzanych w komórce Hulla. Wyniki takich pomiarów pozwalają specjalistom diagnozować problemy występujące podczas prowadzenia procesów. Dokładniejsze określenie zawartości poszczególnych składników roztworu dokonuje się kilkoma technikami analitycznymi. Należą do nich opisane w dysertacji metody elektroanalityczne: woltamperometria, potencjometria, amperometria i konduktometria. Inne często stosowanie metody to chromatografia z rożnymi metodami detekcji i różnego rodzaju spektroskopie. Niestety ze względu na nieujawnianie przez producentów składów kąpieli galwanicznych zadania stawiane przed laboratoriami analitycznymi są specyficzne i trudne. Zestawienie wykorzystanej w badaniach aparatury, odczynników i materiałów rozdziela przegląd literatury od prezentacji wyników badan. W tym miejscu opisano konstrukcję d

This dissertation focuses on the design, construction, and testing of an electrochemical system for monitoring the condition of commercially used electroplating bath. Due to the specific nature of production at PIT-RADWAR S.A., an acidic copper plating bath was chosen as the subject of the study. In this company, the bath is used for creating electrical contacts in printed circuit boards used in electronics. At the outset, the current state of knowledge in electrochemistry, specifically electroplating, is reviewed. The redox processes occurring on solid surfaces, which lead to the formation of various coatings, are explained. The work also discusses the historical development of this economically important field, as well as key industrial processes like zinc plating, nickel plating, chrome plating, and gold plating, with a special focus on copper plating, the central subject of the dissertation. The basic objectives of electroplating, such as protection, decoration, and technical applications, are highlighted, along with methods of electrolytic and electroless deposition. The concept of the electroplating bath is defined, and the roles of its components and the key operational parameters are outlined. The importance of regularly analyzing the electrolyte composition and condition is emphasized. The literature review also covers electroplating processes used for producing electrical contacts in highly and ultra-highly integrated electronic circuits, such as printed circuit boards and microprocessor connections. Since copper is the most common material for these items, the dissertation provides a detailed description and evaluation of copper plating processes, particularly those using acidic sulfate electrolytes. The key components of these solutions are mentioned, and commonly used additives are indicated, including their roles in influencing the properties of the deposited copper (such as stress, thickness uniformity, and the ability to fill recesses and holes) were explained. The necessity of optimization of the copper plating process is also highlighted, as well as the risks associated with deviations from the recommended bath composition. Further, the literature review summarizes the most popular methods for analyzing electroplating baths, focusing on the objectives of analytical procedures and the specific challenges faced by analysts, who often lack complete information about the substances being measured. One practical method for assessing bath condition is the Hull cell test, which allows specialists to diagnose problems occurring in the plating process. More precise measurements of individual bath components are performed using several analytical techniques, including electroanalytical methods such as voltammetry, potentiometry, amperometry, and conductometry. Chromatography and various spectroscopic methods are also frequently used were characterized. In the end of this part special attention was paid to the fact that, the task of analyzing electroplating baths is complicated by manufacturers not disclosing bath compositions. The research methodology section outlines the equipment, reagents, and materials used in experiments. This is followed by a description of the dedicated system designated for monitoring electroplating baths. The technical requirements critical for the measuring vessel and electrodes were explained, along with the selection of materials. Commonly used measurement techniques were briefly described. Particular attention was turned to the use of a copper electrode immersed in the bath solution as a reference electrode. Detailed discussion regarding its repeatability, stability and reliability, was enclosed to this section. The constructed complete electrochemical cell was used to measure three components of the acidic copper sulfate bath: copper ions, chloride ions, and sulfuric acid. Complete measurement procedures were developed for each component, and their effectiveness was verified. The results