Neste trabalho, é apresentado um estudo sobre a influência de aditivos em banhos de eletrodeposição de Au, análise da morfologia dos depósitos de Au e o crescimento de multicamadas da liga AuxSny por deposição eletroquímica. Os banhos de eletrodeposição estudados são baseados em uma composição, comum na literatura, formada por tetraclorourato(III) de potássio (KAuCl4), cloreto de estanho(II) (SnCl2), sulfito de sódio (Na2SO3), e citrato de amônio [(NH4)HC6H5O7]. Os contatos de solda da liga AuxSny, aplicáveis em diversos dispositivos microeletrônicos, podem ser formadas de maneira mais econômica a partir de banhos eletroquímicos. Banhos ácidos e reagentes de baixa toxicidade são exigências comuns dos novos banhos de eletrodeposição. A formação de multicamadas permite, ainda, ampliar o uso do metal de solda em dispositivos sensíveis a altas temperaturas, devido ao baixo ponto de fusão da liga. A obtenção das ligas AuxSny utilizando deposição eletroquímica, foi feita com base no estudo sobre banho de eletrodeposição e seus depósitos, a partir de um banho para deposição da liga AuxSny já conhecido. O aprimoramento do banho de eletrodeposição foi focado no banho de eletrodeposição de Au, com três opções de aditivos, buscando avaliar as características dos depósitos e o tempo de estabilidade do banho. Os aditivos utilizados foram hipofosfito de sódio (NaH2PO2), metanal (HCHO) e tiossulfato de sódio (Na2S2O3), separadamente. Esses banhos foram analisados por voltametria cíclica, e os depósitos obtidos a partir de eletrodeposições foram caracterizados por Espectrometria por Retroespalhamento de Rutherford (RBS), Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) e, em alguns casos, por Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios X (EDS). Análises de dimensão fractal e de escalamento dinâmico da rugosidade forneceram detalhes importantes sobre a morfologia superficial dos depósitos. .A adição de Na2S2O3 ao banho permitiu o desenvolvimento de um novo banho de eletrodeposição para a co-deposição de Au AuxSny. O Na2S2O3 atua como um complexante dos íons de Au(I) juntamente com o sulfito de sódio. O emprego de 3 g L-1 de Na2S2O3 evita a degradação do banho durante as eletrodeposições. Finalmente, o estudo da eletrodeposição de multicamadas foi feito por controle do potencial aplicado e por controle da corrente aplicada. As multicamadas obtidas apresentaram camadas da liga AuxSny com a concentração de Sn incorporado, variando entre 6 % e 49 % (em porcentagem atômica). / It is shown in this work a study about the influence of additives in baths for electrodeposition of Au, analysis of morphology of gold deposits and the growth of multilayered AuxSny alloys from improved electrodeposition baths based on a common composition of the literature containing potassium gold(III) chloride (KAuCl4), tin(II) chloride (SnCl2), sodium sulfite (Na2SO3) and ammonium citrate dibasic [(NH4)HC6H5O7]. The AuxSny solders are commonly used in microelectronic devices. These solders can be applied in a number of ways, and electrochemical deposition is an attractive alternative due to the low cost process. Acidic baths and low toxicity reagents are common requirements of new electrochemical baths. The multilayered AuxSny alloys are applicable to temperature sensitive materials due to its reduced melting point temperature. Therefore, the study of electrodeposition of AuxSny alloys began with an already known bath and aiming its improvement. The focus of interest was the gold bath, which received additives to improve control of the deposits and their stability. The additives used were sodium hypophosphite (NaH2PO2), methanal (HCHO) and sodium thiosulfate (Na2S2O3), one of each time. These baths were analyzed by cyclic voltammetry and the deposits obtained from these baths were analyzed by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), Scanning Electron Microscopy (SEM) and, in some cases, Energy Dispersive Spectrometry (EDS). Fractal dimension and dynamic scaling of the surface width analysis allowed one to quantify the surface morphology details. The addition of Na2S2O3 to the bath allowed the development of a new electrodeposition bath for co-deposition of AuxSny. The Na2S2O3 acts as complexing agent of Au(I) ions together with sodium sulfite. The use of 3 g L-1 of Na2S2O3 avoids bath degradation during the electrodepositions. Potential-controlled and current-controlled electrodepositions were employed to obtain multilayers of AuxSny alloys. The multilayer deposits obtained presented between 6 atomic % and 49 atomic % of tin.

Neste trabalho, é apresentado um estudo sobre a influência de aditivos em banhos de eletrodeposição de Au, análise da morfologia dos depósitos de Au e o crescimento de multicamadas da liga AuxSny por deposição eletroquímica. Os banhos de eletrodeposição estudados são baseados em uma composição, comum na literatura, formada por tetraclorourato(III) de potássio (KAuCl4), cloreto de estanho(II) (SnCl2), sulfito de sódio (Na2SO3), e citrato de amônio [(NH4)HC6H5O7]. Os contatos de solda da liga AuxSny, aplicáveis em diversos dispositivos microeletrônicos, podem ser formadas de maneira mais econômica a partir de banhos eletroquímicos. Banhos ácidos e reagentes de baixa toxicidade são exigências comuns dos novos banhos de eletrodeposição. A formação de multicamadas permite, ainda, ampliar o uso do metal de solda em dispositivos sensíveis a altas temperaturas, devido ao baixo ponto de fusão da liga. A obtenção das ligas AuxSny utilizando deposição eletroquímica, foi feita com base no estudo sobre banho de eletrodeposição e seus depósitos, a partir de um banho para deposição da liga AuxSny já conhecido. O aprimoramento do banho de eletrodeposição foi focado no banho de eletrodeposição de Au, com três opções de aditivos, buscando avaliar as características dos depósitos e o tempo de estabilidade do banho. Os aditivos utilizados foram hipofosfito de sódio (NaH2PO2), metanal (HCHO) e tiossulfato de sódio (Na2S2O3), separadamente. Esses banhos foram analisados por voltametria cíclica, e os depósitos obtidos a partir de eletrodeposições foram caracterizados por Espectrometria por Retroespalhamento de Rutherford (RBS), Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) e, em alguns casos, por Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios X (EDS). Análises de dimensão fractal e de escalamento dinâmico da rugosidade forneceram detalhes importantes sobre a morfologia superficial dos depósitos. .A adição de Na2S2O3 ao banho permitiu o desenvolvimento de um novo banho de eletrodeposição para a co-deposição de Au AuxSny. O Na2S2O3 atua como um complexante dos íons de Au(I) juntamente com o sulfito de sódio. O emprego de 3 g L-1 de Na2S2O3 evita a degradação do banho durante as eletrodeposições. Finalmente, o estudo da eletrodeposição de multicamadas foi feito por controle do potencial aplicado e por controle da corrente aplicada. As multicamadas obtidas apresentaram camadas da liga AuxSny com a concentração de Sn incorporado, variando entre 6 % e 49 % (em porcentagem atômica). / It is shown in this work a study about the influence of additives in baths for electrodeposition of Au, analysis of morphology of gold deposits and the growth of multilayered AuxSny alloys from improved electrodeposition baths based on a common composition of the literature containing potassium gold(III) chloride (KAuCl4), tin(II) chloride (SnCl2), sodium sulfite (Na2SO3) and ammonium citrate dibasic [(NH4)HC6H5O7]. The AuxSny solders are commonly used in microelectronic devices. These solders can be applied in a number of ways, and electrochemical deposition is an attractive alternative due to the low cost process. Acidic baths and low toxicity reagents are common requirements of new electrochemical baths. The multilayered AuxSny alloys are applicable to temperature sensitive materials due to its reduced melting point temperature. Therefore, the study of electrodeposition of AuxSny alloys began with an already known bath and aiming its improvement. The focus of interest was the gold bath, which received additives to improve control of the deposits and their stability. The additives used were sodium hypophosphite (NaH2PO2), methanal (HCHO) and sodium thiosulfate (Na2S2O3), one of each time. These baths were analyzed by cyclic voltammetry and the deposits obtained from these baths were analyzed by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), Scanning Electron Microscopy (SEM) and, in some cases, Energy Dispersive Spectrometry (EDS). Fractal dimension and dynamic scaling of the surface width analysis allowed one to quantify the surface morphology details. The addition of Na2S2O3 to the bath allowed the development of a new electrodeposition bath for co-deposition of AuxSny. The Na2S2O3 acts as complexing agent of Au(I) ions together with sodium sulfite. The use of 3 g L-1 of Na2S2O3 avoids bath degradation during the electrodepositions. Potential-controlled and current-controlled electrodepositions were employed to obtain multilayers of AuxSny alloys. The multilayer deposits obtained presented between 6 atomic % and 49 atomic % of tin.

Los dos baños de cobre más utilizados comercialmente son el baño ácido a base de sulfato y el baño alcalino a base de cianuro. Los baños alcalinos son utilizados principalmente para producir recubrimientos en piezas con geometría compleja y para evitar la deposición galvánica cuando se deposita un metal en un sustrato menos noble. Debido a la toxicidad de los compuestos de cianuro, se han desarrollado baños alternativos usando diferentes agentes complejantes. El punto de partida de la presente investigación es un baño primario sin cianuros para deposición de cobre en sustratos de Zamak desarrollado en el Instituto de Investigaciones Tecnológicas del Estado de Sao Paulo / Brasil. La sustitución de materias primas como el cianuro debe ser económicamente ventajosa y técnicamente viable. De esta manera, la investigación presentada pretendió proponer una alternativa para el tratamiento de residuos líquidos del baño ya mencionado con la finalidad de recuperar de manera simultánea el agua y las materias primas en un sistema cerrado. Se ha estudiado el proceso de separación por membranas de intercambio iónico, la electrodiálisis, usando un sistema en escala de laboratorio y una disolución sintética que simulaba las aguas residuales del baño a base de HEDP. Se ha evaluado la viabilidad del sistema por medio del análisis de los parámetros de operación, como la extracción de iones, la tasa de desmineralización, el porcentaje de concentración, la eficiencia de la intensidad calculada para cada especie y el consumo medio de energía. Debido a que el ácido HEDP es un agente quelante, se ha evaluado el transporte de los quelatos Cu(II) HEDP a través de membranas de intercambio de aniones por medio de métodos electroquímicos. Se han construido curvas cronopotenciométricas y curvas intensidad-potencial para diferentes disoluciones sintéticas que contenían los mismos compuestos que el baño original. Se ha establecido la relación entre la presencia de los quelatos en las disoluciones y los grupos fijos de intercambio de aniones. Por fin, se han realizado las pruebas de deposición usando electrólitos conteniendo los compuestos reciclados y se han evaluado las características de los depósitos obtenidos. Los resultados indicaron que el sistema de electrodiálisis usando membranas de intercambio de aniones con grupos de intercambio de base fuerte ha podido producir disoluciones tratadas y un concentrado conteniendo los iones del baño. Se ha podido añadir el concentrado al baño original para compensar eventuales perdidas del arrastre sin afectar la calidad de los depósitos. Por lo tanto, la aplicación de la electrodiálisis demostró ser una alternativa viable para la recuperación del agua y de las materias primas de la disolución evaluada, reduciendo la generación de residuos líquidos y ahorrando los recursos naturales. / The two most common commercial copper baths are the acid sulfate copper bath and the alkaline cyanide copper bath. Alkaline copper baths are mostly used to coat parts with complex geometry and to avoid galvanic deposition when depositing a metal on a less noble substrate. Because of the toxicity of cyanide compounds, alternative baths have been developed using different complexing agents. The starting point of the present study is a cyanide free strike bath developed for copper plating on Zamak substrates developed by the Institute for Technological Research of the State of São Paulo/ Brazil. The replacement of a raw material such as cyanide must be economically advantageous and technically feasible. Therefore, this study intended to propose an alternative to the treatment of liquid wastes from the mentioned bath, aiming at simultaneous water reclamation and chemicals recovery in a closed system. The electrodialysis membrane separation process was studied, using a laboratory-scale system operating with a synthetic solution simulating the rinsing waters from the HEDP-based bath. The feasibility of the technique was evaluated by analyzing operational parameters such as ion extraction, demineralization rate, concentration rate, current efficiency for each anionic specie and average energy consumption. Because HEDP is a chelating agent, the transport of Cu(II) HEDP chelates through anion exchange membranes was also evaluated by means of electrochemical methods. Chronopotentiometric and current-voltage curves were constructed for different model solutions containing the same compounds as the original bath. A relation between the presence of chelates in the solutions and the fixed ion exchange group could be established. Lastly, deposition tests were performed using electrolytes containing the recycled inputs and the characteristics of the coatings were analyzed. The results showed that an electrodialysis stack using strongly basic anion exchange membranes was suitable to produce treated solutions and a concentrate containing the ions from the bath. The concentrate could be added to the copper bath to compensate eventual drag-out losses without affecting the quality of the coatings. Thus, the application of electrodialysis was shown to be a feasible alternative for recovering water and inputs from the evaluated solution, reducing the wastewater generation and saving natural resources. / Els dos banys de coure més utilitzats comercialment són el bany àcid a base de sulfat i el bany alcalí a base de cianur. Els banys alcalins són utilitzats principalment per a produir recobriments en peces amb geometria complexa i per a evitar la deposició galvànica quan es deposita un metall en un substrat menys noble. A causa de la toxicitat dels compostos de cianur, s'han desenrotllat banys alternatius usant diferents agents complexants. El punt de partida de la present investigació és un bany primari sense cianurs per a deposició de coure en substrats de Zamak desenrotllat en l'Institut d'Investigacions Tecnològiques de l'Estat de Sao Paulo / Brasil. La substitució de matèries primeres com el cianur ha de ser econòmicament avantatjosa i tècnicament viable. D'aquesta manera, la investigació presentada va pretendre proposar una alternativa per al tractament de residus líquids del bany ja mencionat amb la finalitat de recuperar de manera simultània l'aigua i les matèries primeres en un sistema tancat. S'ha estudiat el procés de separació per membranes d'intercanvi iònic, electrodiàlisi, usant un sistema en escala de laboratori i una dissolució sintètica que simulava les aigües residuals del bany a base d'HEDP. S'ha avaluat la viabilitat del sistema per mitjà de l'anàlisi dels paràmetres d'operació, com l'extracció d'ions, la taxa de desmineralització, el percentatge de concentració, l'eficiència de la intensitat calculada per a cada espècie i el consum mitjà d'energia. Pel fet que l'àcid HEDP és un agent quelant, s'ha avaluat el transport dels quelats Cu (II)-HEDP a través de membranes d'intercanvi d'anions per mitjà de mètodes electroquímics. S'han construït corbes cronopotenciomètriques i corbes intensitat-potencial per a diferents dissolucions sintètiques que contenien els mateixos compostos que el bany original. S'ha establit la relació entre la presència dels quelats en les dissolucions i els grups fixos d'intercanvi d'anions. Finalment, s'han realitzat les proves de deposició usant electròlits contenint els compostos reciclats i s'han avaluat les característiques dels depòsits obtinguts. Els resultats van indicar que el sistema d'electrodiàlisi usant membranes d'intercanvi d'anions amb grups d'intercanvi de base forta ha pogut produir dissolucions tractades i un concentrat que conté els ions del bany. S'ha pogut afegir el concentrat al bany original per a compensar eventuals perdudes de l'arrossegament sense afectar la qualitat dels depòsits. Per tant, l'aplicació de l'electrodiàlisi va demostrar ser una alternativa viable per a la recuperació de l'aigua i de les matèries primeres de la dissolució avaluada, reduint la generació de residus líquids i estalviant els recursos naturals. / Scarazzato, T. (2017). Treatment of a cyanide-free copper electroplating solution by electrodialysis: study of ion transport and evaluation of water and inputs recovery [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/98502

The two most common commercial copper baths are the acid sulfate copper bath and the alkaline cyanide copper bath. Alkaline copper baths are mostly used to coat parts with complex geometry and to avoid galvanic deposition when depositing a metal on a less noble substrate. Because of the toxicity of cyanide compounds, alternative baths have been developed using different complexing agents. The starting point of the present study is a cyanide-free strike bath developed for copper plating on Zamak substrates developed by the Institute for Technological Research of the State of São Paulo/ Brazil. The replacement of a raw material such as cyanide must be economically advantageous and technically feasible. Therefore, this study intended to propose an alternative to the treatment of liquid wastes from the mentioned bath, aiming at simultaneous water reclamation and chemicals recovery in a closed system. The electrodialysis membrane separation process was studied, using a laboratoryscale system operating with a synthetic solution simulating the rinsing waters from the HEDP-based bath. The feasibility of the technique was evaluated by analyzing operational parameters such as ion extraction, demineralization rate, concentration rate, current efficiency for each anionic specie and average energy consumption. Because HEDP is a chelating agent, the transport of Cu(II)-HEDP chelates through anion-exchange membranes was also evaluated by means of electrochemical methods. Chronopotentiometric and current-voltage curves were constructed for different model solutions containing the same compounds as the original bath. A relation between the presence of chelates in the solutions and the fixed ion exchange group could be established. Lastly, deposition tests were performed using electrolytes containing the recycled inputs and the characteristics of the coatings were analyzed. The results showed that an electrodialysis stack using strongly basic anion-exchange membranes was suitable to produce treated solutions and a concentrate containing the ions from the bath. The concentrate could be added to the copper bath to compensate eventual drag-out losses without affecting the quality of the coatings. Thus, the application of electrodialysis was shown to be a feasible alternative for recovering water and inputs from the evaluated solution, reducing the wastewater generation and saving natural resources. / Os dois banhos de cobre comerciais mais comuns são o banho ácido à base de sulfato e o banho alcalino à base de cianeto. Os banhos alcalinos são usados principalmente para recobrir peças com geometria complexa e para evitar a deposição por deslocamento galvânico quando se deposita um metal em um substrato menos nobre. Por causa da toxicidade dos compostos cianídricos, banhos alternativos vêm sendo desenvolvidos usando diferentes agentes complexantes. O ponto de partida do presente estudo é um banho toque isento de cianeto para deposição de cobre em substratos de Zamak, desenvolvido pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas / Brasil. A substituição de matérias-primas como o cianeto deve ser economicamente vantajosa e tecnicamente viável. Desta forma, este estudo pretendeu propor uma alternativa para o tratamento de resíduos líquidos do banho mencionado, visando à recuperação simultânea da água e das matérias-primas em um sistema fechado. Foi estudado o processo de separação por membranas de eletrodiálise, usando um sistema em escala laboratorial operando com uma solução sintética que simulava as águas de lavagem do banho à base de HEDP. A viabilidade da técnica foi avaliada por meio da análise de parâmetros operacionais, como a extração dos íons, a taxa de dessalinização, o percentual de concentração, a eficiência de corrente calculada para cada espécie iônica e o consumo médio de energia. Devido ao HEDP ser um agente quelante, o transporte de quelatos Cu(II)-HEDP através de membranas aniônicas foi avaliado por meio de métodos eletroquímicos. Curvas cronopotenciométricas e curvas corrente-potencial foram construídas para diferentes soluções sintéticas que continham os mesmos compostos que o banho original. A relação entre a presença de quelatos nas soluções e os grupos fixos de troca iônica pôde ser estabelecida. Por fim, testes de deposição foram realizados usando eletrólitos contendo os compostos reciclados e as características dos depósitos foram analisadas. Os resultados mostraram que o sistema de eletrodiálise usando membranas aniônicas contendo grupos de troca fortemente básicos pôde produzir soluções tratadas e um concentrado contendo os íons do banho. O concentrado pôde ser adicionado ao banho original para compensar eventuais perdas por arraste sem afetar a qualidade dos depósitos. Assim, a aplicação da eletrodiálise se mostrou uma alternativa viável para a recuperação de água e de insumos da solução avaliada, reduzindo a geração de efluentes e economizando recursos naturais.

The two most common commercial copper baths are the acid sulfate copper bath and the alkaline cyanide copper bath. Alkaline copper baths are mostly used to coat parts with complex geometry and to avoid galvanic deposition when depositing a metal on a less noble substrate. Because of the toxicity of cyanide compounds, alternative baths have been developed using different complexing agents. The starting point of the present study is a cyanide-free strike bath developed for copper plating on Zamak substrates developed by the Institute for Technological Research of the State of São Paulo/ Brazil. The replacement of a raw material such as cyanide must be economically advantageous and technically feasible. Therefore, this study intended to propose an alternative to the treatment of liquid wastes from the mentioned bath, aiming at simultaneous water reclamation and chemicals recovery in a closed system. The electrodialysis membrane separation process was studied, using a laboratoryscale system operating with a synthetic solution simulating the rinsing waters from the HEDP-based bath. The feasibility of the technique was evaluated by analyzing operational parameters such as ion extraction, demineralization rate, concentration rate, current efficiency for each anionic specie and average energy consumption. Because HEDP is a chelating agent, the transport of Cu(II)-HEDP chelates through anion-exchange membranes was also evaluated by means of electrochemical methods. Chronopotentiometric and current-voltage curves were constructed for different model solutions containing the same compounds as the original bath. A relation between the presence of chelates in the solutions and the fixed ion exchange group could be established. Lastly, deposition tests were performed using electrolytes containing the recycled inputs and the characteristics of the coatings were analyzed. The results showed that an electrodialysis stack using strongly basic anion-exchange membranes was suitable to produce treated solutions and a concentrate containing the ions from the bath. The concentrate could be added to the copper bath to compensate eventual drag-out losses without affecting the quality of the coatings. Thus, the application of electrodialysis was shown to be a feasible alternative for recovering water and inputs from the evaluated solution, reducing the wastewater generation and saving natural resources. / Os dois banhos de cobre comerciais mais comuns são o banho ácido à base de sulfato e o banho alcalino à base de cianeto. Os banhos alcalinos são usados principalmente para recobrir peças com geometria complexa e para evitar a deposição por deslocamento galvânico quando se deposita um metal em um substrato menos nobre. Por causa da toxicidade dos compostos cianídricos, banhos alternativos vêm sendo desenvolvidos usando diferentes agentes complexantes. O ponto de partida do presente estudo é um banho toque isento de cianeto para deposição de cobre em substratos de Zamak, desenvolvido pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas / Brasil. A substituição de matérias-primas como o cianeto deve ser economicamente vantajosa e tecnicamente viável. Desta forma, este estudo pretendeu propor uma alternativa para o tratamento de resíduos líquidos do banho mencionado, visando à recuperação simultânea da água e das matérias-primas em um sistema fechado. Foi estudado o processo de separação por membranas de eletrodiálise, usando um sistema em escala laboratorial operando com uma solução sintética que simulava as águas de lavagem do banho à base de HEDP. A viabilidade da técnica foi avaliada por meio da análise de parâmetros operacionais, como a extração dos íons, a taxa de dessalinização, o percentual de concentração, a eficiência de corrente calculada para cada espécie iônica e o consumo médio de energia. Devido ao HEDP ser um agente quelante, o transporte de quelatos Cu(II)-HEDP através de membranas aniônicas foi avaliado por meio de métodos eletroquímicos. Curvas cronopotenciométricas e curvas corrente-potencial foram construídas para diferentes soluções sintéticas que continham os mesmos compostos que o banho original. A relação entre a presença de quelatos nas soluções e os grupos fixos de troca iônica pôde ser estabelecida. Por fim, testes de deposição foram realizados usando eletrólitos contendo os compostos reciclados e as características dos depósitos foram analisadas. Os resultados mostraram que o sistema de eletrodiálise usando membranas aniônicas contendo grupos de troca fortemente básicos pôde produzir soluções tratadas e um concentrado contendo os íons do banho. O concentrado pôde ser adicionado ao banho original para compensar eventuais perdas por arraste sem afetar a qualidade dos depósitos. Assim, a aplicação da eletrodiálise se mostrou uma alternativa viável para a recuperação de água e de insumos da solução avaliada, reduzindo a geração de efluentes e economizando recursos naturais.