R21 Elektrochemische technieken in de elektronica

Vele moderne voorwerpen uit het dagelijkse leven hebben oppervlaktebehandelingen ondergaan : autoonderdelen, keukengerei, blikjes voor voedingswaren, bouwmaterialen zoals metalen ramen of metalen dakbedekkingen enz.
Soortgelijke werkwijzen worden toegepast bij devervaardiging van elektronische componenten zoals gedrukte schakelingen, elektrische contacten en condensatoren.
De meeste van dergelijke bewerkingen zijn toepassingen uit de elektrochemie. Aan de hand van de hiernavolgende voorbeelden kunnen we dit illustreren.

1. Het elektrolytisch afzetten van metalen en legeringen.

Het doel van elektrodepositie is een oppervlaktelaag op een metaal aan te brengen zodat de gewenste eigenschappen aan dit oppervlak verkregen worden :
hardheid, erosie- of corrosiebestendigheid, glans enz. Bovendien moet de hechting van deze laag aan het substraat perfect zijn.

Het principe van 'elektroplating' is vrij eenvoudig : elektrolyse. Dus redox-reacties die niet-zelfonderhoudend zijn maar opgelegd worden door een stroombron.
De kathode is het te behandelen object. De anode wordt het best vervaardigd uit een (elektro)chemisch inert materiaal (dure Pt- of Ti-legeringen) of bestaat uit het metaal waarmee de kathode wordt behandeld. Het elektrolysebad is meestal het kritische onderdeel van de cel. Het bevat het geschikte metaalzout. Meestal is het af te zetten metaal aanwezig in een complexe vorm.
Metaalcomplexen vertonen namelijk een grotere oplosbaarheid en stabiliteit dan sulfaten, chlorides of andere zouten. De kunst om het geschikte bad te bereiden zit in de toevoeging van additieven die meestal van organische aard en slechts in geringe concentraties aanwezig zijn. Zij zijn het echter die uiteindelijk instaan voor bepaalde belangrijke eigenschappen die de afgezette laag eventueel moet verkrijgen :

ð Glans : de additieven sturen de microruwheid van de
    afzetting. In de meeste gevallen is nog niet bekend
    hoe zij dit doen.

ð Bevochtiging : meestal treedt, tijdens het afzetten
    van het metaal, waterstofontwikkeling op. Hierdoor
    kunnen microscopische delen van het oppervlak met
    dit gas bedekt worden. Doordat de elektrolyse op
    deze plaatsen onderbroken zou worden, kan dit leiden     tot een geringere hechting. Additieven trachten dit
    te voorkomen.

ð Structuur van de afzetting : door de inbouw van
    (fragmenten van) bepaalde organische moleculen kan     de kristalstructuur van de afzetting verstoord
    worden.
    Zoiets leidt vaak tot betere eigenschappen van de
    laag: soldeerbaarheid van elektronische
    componenten, corrosieweerstand van oppervlakken,
    hardheid enz.

De dikte van elektrolytische afzettingen ligt tussen 1 en 100 µm.

2. Het stroomloos afzetten van oppervlaktelagen

Zoals bij elektrodepositie is het hier de bedoeling om metaalionen uit de elektrolyt op het metaaloppervlak te reduceren, zodat de gewenste oppervlaktelaag verkregen wordt.
Bij stroomloos afzetten wordt de drijvende kracht voor de reductie geleverd door een tweede elektroactief bestanddeel van het bad : een reductor. Het te behandelen metaaloppervlak moet daarom voldoende katalytische eigenschappen hebben :
zowel de reductie van het metaal als de oxidatie van de reductor moeten met grote snelheid op dit (katalytische) oppervlak plaats kunnen grijpen.

Om de katalytische eigenschappen van het metaaloppervlak te verzekeren, dient dit laatste vaak een activatiebehandeling, een etsstap, te ondergaan : de plaat krijgt een zo groot mogelijke specifieke oppervlakte, olieresten worden verwijderd, enz.

Reductoren die in deze context worden gebruikt zijn H₃PO₃ en formaldehyd. Aangezien het reducerend vermogen van een reductor eventueel pH-afhankelijk is, speelt de buffering van het bad een even belangrijke rol.
De dikte van de stroomloos afgezette metaallaagjes ligt eveneens tussen 1 en 100 µm.

3. Elektrochemische conversie van oppervlakken

Wanneer een voldoende passieve film op een metaaloppervlak ligt, kan een grote graad van corrosiebestendigheid, een betere elektrische isolatie of een fraaier uitzicht bereikt worden. Typerend voor deze techniek is dat men hierbij oxides, chromaten en fosfaten van het metaal aan het oppervlak vormt.

ð Het anodiseren van aluminium :
    Bij het anodiseren wordt de buitenste laag van het
    metaal omgezet in zijn oxide.
    Titaan, koper, staal, tantaal en niobium worden op
    deze manier behandeld.
    Het economisch belangrijkste proces is evenwel het
    anodiseren van aluminium. Het metaal wordt hiertoe
    ondergedompeld in een oplossing van zwavelzuur,
    fosforzuur of oxaalzuur en als anode geschakeld aan
    de stroombron.

    De halfreacties die hierbij een rol spelen zijn :

    De globale, door de elektrische stroom opgelegde
    redox-reactie wordt dan :

    De benodigde stroomintensiteit schommelt hier
    tussen 1 en 100 A/m². Naargelang van de duur van
    de anodisering kunnen laagdiktes verkregen worden
    van 2 µm (bij condensatoren) tot 100 µm (bij
    bouwmaterialen).

ð Het fosfateren :
    Fosfaatoppervlakken dienen meestal als grondlaag
    voor verdere afwerking met behulp van verf of van
    organische coatings. De corrosieweerstand en
    hechting van de verflaag wordt, door de
    aanwezigheid van de grondlaag, drastisch verbeterd.
    De belangrijkste toepassingen zijn : het fosfateren
    van staal en van aluminium voor de automobiel- en
    de bouwnijverheid. De chemische en
    elektrochemische fenomenen die plaatsgrijpen tijdens     de fosfateringsstap zijn complex en nog lang niet
    eenduidig gekarakteriseerd. Deze technologie is
    eerder gebaseerd op ervaring dan op
    wetenschappelijke kennis.

ð Het chromateren :
    Ondanks hun toxiciteit worden chromaatoplossingen
    veelvuldig gebruikt om beschermende en decoratieve
    lagen aan te brengen op voornamelijk aluminium en
    zink.
    De voornaamste toepassing vindt men in de
    voedingsnijverheid, nl. aluminiumblikjes.
    Vanwege de toxiciteit van chromaten tracht men
    meer over te gaan naar chromofosfateren of
    fosfateren.