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Acabados superficiales tradicionales para PCBs y sus limitaciones en medidas electroquimicas

Acabados superficiales tradicionales para PCBs y sus limitaciones en medidas electroquímicas

En anteriores publicaciones hemos visto cómo la tendencia natural de los dispositivos electrónicos es integrarlos en un PCB. Esta tendencia también se aplica a los sensores electroquímicos.

Actualmente, la transición de los sensores electroquímicos hacia circuitos impresos se ha realizado mediante screen-printing con los llamados electrodos serigrafiados o SPEs. Este método de fabricación, pese a conseguir reducir los costes y permitir la fabricación en masa, tiene limitaciones en el desarrollo de dispositivos de sensado complejos. 

La solución a estas limitaciones es integrar los sensores electroquímicos en PCBs. Pero hasta el momento, esto ha sido un reto ya que los acabados superficiales tradicionales no están diseñados para la electroquímica, sino para evitar la oxidación del cobre del PCB y facilitar su soldadura.

A continuación, os hablaremos de los acabados superficiales más comunes en los PCBs y por qué no funcionan para medidas electroquímicas.

Acabados superficiales tradicionales para PCBs

Por qué los PCBs necesitan un acabado superficial?

El último paso en la fabricación de un PCB es el acabado superficial. Este acabado es necesario, ya que el cobre utilizado para conectar los distintos componentes en un PCB se oxida con el tiempo al estar expuesto al aire. Esta capa de óxido afecta negativamente al rendimiento de un PCB. Por lo tanto, las distintas conexiones que quedan expuestas para conectar los distintos dispositivos electrónicos necesitan de un recubrimiento protector.

Hoy en día, los acabados superficiales más comunes para PCBs son: HASL, ENIG, ENEPIG, Hard/Soft Gold y ImAg.

HASL o Hot Air Solder Leveling

HASL, del inglés Hot Air Solder Leveling, es el acabado superficial más económico.

Consiste en una fina capa de estaño depositada encima del cobre expuesto tras la aplicación del soldermask.

Esta capa de estaño se aplica submergiendo el PCB en estaño fundido y retirando el exceso mediante un proceso conocido como "air knives". Estos air knives consisten aire comprimido a alta presión el cual forma un "cuchillo" y elimina el exceso de forma parecida a como un secador de manos actual empuja el exceso de agua.

Figura 1. Esquema de distribución de capas en PCBs con acabado HASL
Figura 1. Esquema de distribución de capas en PCBs con acabado HASL

El acabado HASL, pese a ser muy económico y prevenir la corrosión del cobre, no es adecuado para medidas electroquímicas. El estaño no es un material inerte, electroquímicamente hablando, y se corroe al aplicarle un voltage en una solución acuosa.

ENIG o Electroless Nickel Immersion Gold

Figura 2. Esquema de distribución de capas en PCBs con acabado ENIG.
Figura 2. Esquema de distribución de capas en PCBs con acabado ENIG.

ENIG, del inglés Electroless Nickel Immersion Gold, es el acabado superficial más común a día de hoy.

El oro, proporciona una buena resistencia a la corrosión. Sin embargo, este no puede depositarse directamente sobre el cobre. Esto es debido a que el oro se puede dissolver y difundir en el cobre a temperatura ambiente. De modo que, si el oro se deposita directamente sobre el cobre, al cabo de poco tiempo el cobre vuelve a estar expuesto y puede oxidarse.


Para evitar la difusión del oro en el cobre, una capa gruesa de níquel se deposita entre el oro y el cobre. Esta capa de níquel evita la difusión del oro en el cobro y da, como resultado, un acabado superficial estable.

Pese a que el oro es un material ideal para la electroquímica, ya que es inerte y no se corroe al aplicarle un voltage en una disolución acuosa, el acabado ENIG no es adecuado para realizar medidas electroquímicas. Esto es debido a que este acabado superficial tiene un grosor muy fino de oro y con porosidad que deja expuesta la capa de níquel. De modo que, al aplicar un voltage en solución acuosa, el níquel se corroe, el cual deja espuesto al cobre, que también se corroe, llevando a la destrucción del dispositivo.

ENEPIG o Electroless Nickel, Electroless Palladium, Immersion Gold

ENEPIG, del inglés, Electroless Nickel, Electroless Palladium, Immersion Gold, es un acabado superficial muy parecido al ENIG. La principal diferencia es la presencia de una capa adicional de paladio entre las capas de oro y níquel.

Gracias a la capa extra de paladio, el acabado ENEPIG tiene una mayor resistencia a la corrosión que el ENIG. Sin embargo, este aumento de resistencia supone un incremento en el precio debido al uso de paladio en el acabado.

Figura 3. Esquema de distribución de capas en PCBs con acabado ENEPIG.
Figura 3. Esquema de distribución de capas en PCBs con acabado ENEPIG.

Si bien sí que el acabado ENEPIG proporciona una mayor resistencia a la corrosión para las aplicaciones tradicionales de los PCBs, esta no es suficiente para poder utilizar este acabado para poder realizar medidas electroquímicas.

La porosidad presente en las capas de oro y paladio en los acabados ENEPIG es suficiente para exponer el níquel durante experimentos electroquímicos. Así pues, tanto el níquel como el cobre experimentan corrosión durante las medidas, lo que causa la destrucción del dispositivo.

Hard/Soft Gold

Figura 4. Esquema de distribución de capas en PCBs con acabado Hard Gold o Soft Gold.
Figura 4. Esquema de distribución de capas en PCBs con acabado Hard Gold o Soft Gold.

Tanto el Hard como el Soft Gold, son acabados superficiales electrolíticos. Esto quiere decir que las capas se depositan mediante un proceso de electrodeposición.

De forma parecida al ENIG, este acabado superficial también dispone de una capa intermedia de níquel entre el oro y el cobre. Pero en este caso, la capa de oro es significativamente más gruesa, pudiendo llegar a varios micrómetros.

Debido al mayor grosor de oro y a la necesidad de equipamiento especial, este es el acabado superficial más caro.


Tal y como el título sugiere, este acabado puede ser:

  • Hard Gold, o oro duro: en este caso, la capa de oro depositado no es pura, sino que es una aleación con un pequeño porcentaje de otro metal. Las aleaciones más comunes son oro-cobalto y oro-níquel, manteniendo el porcentaje de oro > 99.5%. Gracias a esta aleación, la dureza resultante del oro es más alta. Esto hace a este acabado ideal para circuitos que necesitan poder conectarse y desconectarse múltiples veces.
  • Soft Gold, o oro blando: en este caso, la capa de oro depositado es muy pura, con  > 99.9% de oro. Como resultado, este oro es más blando y no es apropiado para conexiones repetidas. Sin embargo, debido a su alta pureza, se utiliza a menudo en aplicaciones biomédicas, ya que permite evitar que el paciente entre en contacto con metales tóxicos como el níquel y el cobre.

El acabado Hard/Soft Gold es el que proporciona una mayor protección a la corrosión, ya que la capa de oro es muy gruesa. Pero no funciona bien para realizar medidas electroquímicas.

Pese a tener un gran grosor, la capa de oro sigue teniendo poros que exponen la capa de níquel. De modo que al aplicar un voltage en solución acuosa, el níquel se corroe y expone el cobre. Este a su vez se corroe y destruye el dispositivo.

A menudo, se intenta combatir la corrosión mediante capas más y más gruesas de oro, llegando a veces a los 100 micrómetros de grosor. Sin embargo, esto no garantiza que los poros presentes no lleguen al níquel, lo que resulta en dispositivos muy caros e inservibles.

ImAg o Immersion Silver

El acabado ImAg, del inglés Immersion Silver, es un acabado superficial más sencillo que ENIG, pero normalmente más económico y mejor para el medio ambiente.

Este recubrimiento consiste en una fina capa de plata encima del cobre.

Si bien la plata también se oxida en contacto con el aire, lo hace más lentamente que el cobre, por lo que supone una mejora en la resistencia a la corrosión respecto al cobre, pero menor respecto al acabado ENIG.

Figura 5. Esquema de distribución de capas en PCBs con acabado ImAg.
Figura 5. Esquema de distribución de capas en PCBs con acabado ImAg.

La plata es un material común en electroquímica, sobre todo para electrodos de referencia. Sin embargo no es adecuado para los electrodos de trabajo ni auxiliares. Esto es debido a que, si hay una corriente a través de un electrodo de plata en un electrolito acuoso, este se corroe. Por lo tanto, el acabado ImAg no es adecuado para el desarrollo de biosensores electroquímicos basados en PCBs.

Por qué ningún acabado superficial tradicional de PCBs sirve para electroquímica?

El proceso de deposición de los acabados superficiales suelen dejar poros que exponen las capas inferiores que son susceptibles a la corrosión. Como esto sólo se observa en las condiciones necesarias para realizar medidas electroquímicas, este problema no se ha solucionado. Hay que pensar que los acabados superficiales actuales fueron desarrollados para asegurar la estabilidad y la solderabilidad de los PCBs.

La solución: un acabado superficial desarrollado para electroquímica

En Macias Sensors, somos conscientes que, para que se complete la transición de la electroquímica hacia los circuitos impresos, se necesita un nuevo acabado superficial.

Por esta razón, hemos desarrollado nuestro proceso de deposición de metal endurecido expresamente para aplicaciones en electroquímica.

Gracias a nuestro proceso, podemos proporcionar a los PCBs de un acabado superficial que nos permite realizar medidas electroquímicas sin dañar el dispositivo.

Con nuestro acabado superficial es posible integrar los sensores electroquímicos en un PCB. Esto nos permite desarrollar rápidamente sistemas de biosensado complejos a medida que combinen electroquímica, microfluidica, control de temperatura, calibración interna y sensores complementarios.

Figura 6. Voltametría cíclica comparando el acabado ENIG (azul) con el acabado de oro endurecido de Macias Sensors (rojo).
Figura 6. Voltametría cíclica comparando el acabado ENIG (azul) con el acabado de oro endurecido de Macias Sensors (rojo).


Si estas interesado en cómo Macias Sensors puede ayudarte en el desarrollo de sensores electroquímicos con tecnología de PCB, contacta con nosotros.