Sobre acabados de superficie y magnetismo

Si algo tiene de estimulante trabajar en el mundo académico, son las diversas y muchas veces inesperadas peticiones que uno recibe por parte del personal investigador. Recientemente nos encontramos con una que creo que se puede hacer extensiva a muchos otros diseñadores, sobre todo del ámbito de productos médicos. Atañe a la composición de materiales del acabado superficial de una PCB y a su comportamiento cuando se somete a campos magnéticos.

Razón de ser

Empecemos recordando el más básico de los principios que justifica la necesidad de un acabado de superficie: el cobre se oxida al contacto con el aire. Esto resulta fatal, tanto desde el punto de vista de la conductividad que esperamos del cobre, como de la soldabilidad de los pads. Simple y llanamente, el hilo o la pasta de soldadura no se adhieren al cobre cuando se funden si éste está oxidado.

Tenemos por tanto que añadir algún tipo de capa que cubra y proteja las aperturas de la máscara de soldadura y que evite que el cobre permanezca en contacto directo con el aire.

Opciones disponibles de acabado

La mayor parte de los acabados de superficie que los fabricantes ofrecen son de tipo metálico: tras fabricar la máscara de soldadura, se añade(n) una (o varias) capa(s) metálica(s) que cubre(n) los espacios abiertos. Este proceso se realiza generalmente mediante dos tipos de técnicas:

• Metalización por inmersión: al introducir la PCB en un baño químico, el metal más noble sustituye al menos, cubriéndolo con una capa muy fina (de solo unos átomos). Es una reacción de desplazamiento empleada normalmente para oro y plata.
• Metalización autocatalítica (electroless plating): es una reacción de reducción impulsada por agentes catalíticos, entre los cuales se cuenta el propio metal a depositar. Permiten grosores mucho mayores que la inmersión. Es común su uso con el níquel.

Los acabados más comunes que nos ofrecen los fabricantes son:

• Hot Air Levelling (HAL), ya sea con o sin plomo.
• Estaño químico (Imm. Sn).
• Níquel y oro químicos (ENIG: Electroless Nickel Immersion Gold).
• Níquel, paladio y oro químicos (ENEPIG: Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold).
• Plata química (Imm. Ag).
• Oro macizo (hard gold): común para conectores de borde de PCB, como PCIe.
• Pasivado orgánico (OSP: Organic Solderability Preservatives): basado en agua.

Cada uno de los diversos acabados tiene sus puntos a favor y sus desventajas, así como sus partidarios y detractores. En general, los factores que pesan más a la hora de decidir el acabado, son:

• Planaridad final.
• Período de conservación en almacén (shelf life).
• Resistencia a ciclos de temperatura.
• Como no, precio.

No me detendré más en analizar cada uno de los diversos tipos de acabado disponibles. Para comprenderlos a la perfección recomiendo encarecidamente la lectura del siguiente artículo de Juan Carlos Oca, experto en procesos de manufactura de PCBs.
Valga la siguiente tabla a modo de resumen:

Qué ocurre cuando soldamos

Al aplicar calor a un pad, lo que en realidad ocurre es que el tratamiento de superficie se disuelve en la pasta o hilo de soldadura, permitiendo así que se forme la unión (solder joint) entre el material fundido y el cobre. La excepción a la regla sería el acabado ENIG, donde la capa de oro se disolvería y la unión se produciría con la capa de níquel.
Vemos entonces que el único fin del acabado superficial es mantener los pads de nuestra PCB en perfecto estado para el momento de realizar la soldadura de componentes, garantizando una calidad de la misma tan buena como sea posible dentro de unos márgenes de presupuesto.

Materiales magnéticos

Todos hemos jugado en nuestra infancia con imanes, arrastrando sin contacto una cucharilla, un clavo o cualquier otro elemento metálico. Nos ofuscábamos también al comprobar que ciertos objetos metálicos eran inmunes al efecto del imán. La explicación es sencilla: no todos los metales se pueden clasificar como magnéticos.
En realidad, desde el punto de vista físico, existen varios niveles de magnetismo. Todos los metales tienen algún grado de atracción magnética, pero sólo en alguno de ellos el efecto es verdaderamente notorio: son los que, simplificando, se denominan materiales magnéticos (o ferromagnéticos). Son, esencialmente, tres: el hierro, el níquel y el cobalto (así como las aleaciones hechas a partir de ellos). Quedémonos con este dato para el siguiente punto.

Caso concreto

Retomando el motivo principal de este artículo, vayamos al caso concreto. En el Departamento de Física experimentan constantemente con muestras de materiales bajo diversas condiciones de temperatura, presión, etc. y de exposición a campos magnéticos. Requirieron de nuestra ayuda para diseñar y fabricar una serie de PCBs donde se colocarían (mediante wirebonding) muestras de materiales que serían sometidas a fuertes campos magnéticos. El fin último de la investigación era establecer la idoneidad o no de dichos materiales para ser usados en aparatos médicos tales como los escáneres de resonancia magnética.
La dificultad del diseño de la PCB en sí era mínima. Sin embargo, era de vital importancia que ningún material de la PCB contuviera trazas de material magnético. Caso contrario, la destrucción de la PCB durante la prueba sería un hecho, además de interferir en los resultados medidos.
Como norma general, para la mayoría de las PCBs que diseñamos y fabricamos aquí usamos acabado superficial ENIG o HAL. En este caso, HAL no era una opción, puesto que no es apto para wirebonding. ENIG tuvo que ser igualmente descartado por la presencia (aunque mínima) de níquel.
Pensamos entonces en oro químico, pero contiene níquel igualmente (el oro en contacto directo con el cobre provoca una reacción de desplazamiento, razón por la que se intercala el níquel entre ambos).
El siguiente paso nos llevó a considerar la plata química: se puede depositar directamente sobre el cobre. Sin embargo, no ofrece buenas propiedades para el wirebonding.
Finalmente, la última indagación nos condujo a la solución adecuada: plata y oro químicos (ISIG: Immersion Silver Immersion Gold). Se trata de un acabado de reciente creación que reúne todas las condiciones que buscamos y que está destinado a convertirse en estándar industrial en el campo médico. Entre el oro y el cobre se introduce una capa de plata que evita la difusión entre ambos. Al tener oro en la superficie, el wirebonding es posible y la planaridad excelente. Evidentemente, existe una penalización en el precio que conlleva el uso de metales nobles. No obstante, está enteramente justificada para el caso que nos ocupa.

Conclusiones

El campo de la electrónica médica está experimentando un boom en los últimos años y todo hace suponer que seguirá creciendo fuertemente en el futuro. En este artículo se proporciona una solución de acabado superficial apta para dicho campo.

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