Bài 12. Vận hành bể mạ điện nickel, các vấn đề thường gặp và cách giải quyết

Em đã trở lại ạ, mấy hôm vừa rồi em tải được cuốn Mạ Kền – Lý thuyết và ứng dụng của thày Trần Minh Hoàng, nên dành mấy ngày để đọc và ngẫm hết cuốn đó để tiếp thu những kiến thức của thế hệ cha ông để lại, xem mình đang có gì và nên viết gì tiếp theo. Hôm trước, em cũng được trao đổi một xíu với Thày Hoàng qua tin nhắn Facebook, dù Thày đã 85 tuổi nhưng vẫn còn rất minh mẫn, nhắn tin vẫn không lệch chữ nào. Thày cũng đã dành tâm huyết cả cuộc đời cho ngành điện hoá và mạ điện, xin được kính chúc Thày luôn khoẻ mạnh và vui vẻ tuổi già bên con cháu.

Em cũng mạn phép nhận xét qua về cuốn sách Mạ Kền – Lý thuyết và ứng dụng. Nội dung cuốn sách được viết rất cẩn thận, tỉ mỉ và đa dạng. Nhưng cũng vì sự đa dạng nên có quá nhiều nội dung được đề cập tới, nếu ai chưa có chuyên môn sâu, hoặc mới bước vào ngành điện hoá thì đọc được vài trang có lẽ ù đầu, hoa mắt, chóng mặt, rất nhiều phần khó hiểu, chắc phải đọc cỡ ba bốn lần, may ra mới tiếp thu được phân nửa. Em cũng được tiếp cận trong lĩnh vực này lâu, nhưng cũng phải vừa đọc vừa ngẫm mất khá nhiều thời gian, nhưng với một lần đọc thì vẫn còn chưa thấu đáo. Cuốn sách được viết theo hệ tư tưởng của người xưa, nghĩa là, trình bày đầy đủ và khá chi tiết, khác hoàn toàn với các cuốn sách của nước ngoài mà em đọc gần đây. Các cuốn sách hiện nay được viết theo dạng tổng hợp kiến thức từ các công trình khoa học, chứa đựng nhiều thông tin, nhưng lại không rõ ràng, đôi khi thông tin còn gây nhiễu loạn. Em nghĩ, với các anh chị em đang có công việc liên quan tới mạ điện nickel thì hoàn toàn có thể tìm đọc và là nguồn tham khảo hữu ích.

Tuy là cuốn sách viết kỹ càng và mô tả được hầu hết các dạng cơ bản của mạ điện nickel nhưng một số thông tin trong sách bị khá cũ, bị hạn chế hoặc không còn sử dụng trong công nghiệp hiện đại. Ví dụ như phụ gia 1,4-Butanediol, đã bị liệt kê vào danh mục hoá chất nguy hiểm và bị hạn chế sử dụng. Hay lớp mạ nickel bóng dành cho trang sức, hiện nay đã bị cấm sử dụng ở Âu-Mỹ và nhiều nước phát triển, do nickel gây dị ứng da, và được thay thế bằng lớp mạ hợp kim Cu-Sn. Các dạng thụ động hoá bề mặt sử dụng Cr6+ (CrO3) đều bị rất nhiều các tiêu chuẩn ràng buộc, không còn được sử dụng rộng rãi. Năm ngoái trong cuộc họp ISO mà em có tham gia, các thành viên của mảng xử lý bề mặt cũng bỏ phiếu tán thành việc rút xuống các tiêu chuẩn ISO liên quan tới quy trình và đánh giá các lớp thụ động hoá Cr6+ cho mạ kẽm, Al... Cuốn sách cũng giới hạn khi chỉ đi sâu vào trong mảng kỹ thuật, không nhiều thông tin về mảng học thuật. Các phương pháp đo đạc điện hoá hiện đại để đánh giá lớp mạ như ăn mòn, động học quá trình mạ hay ảnh hưởng các loại phụ gia... cũng bị giới hạn, chưa được đề cập tới.

Quay trở lại nội dung bài viết này, em trình bày về vận hành bể mạ nickel, các vấn đề thường gặp nhất và hướng giải quyết. Để bớt đi các trường hợp không cần thiết, em đi vào bể mạ Watts vì được sử dụng nhiều nhất cho cả mạ bán bóng, mạ bóng bằng việc thay đổi các phụ gia. Việc vận hành các dạng bể mạ Watts gần như giống nhau, về cơ bản các thông số quan trọng gồm nồng độ Ni2+, Cl- và H3BO3 là 3 thành phần chính cấu tạo lên bể mạ, cần phân tích và giữ trong phạm vi cho phép. Ngoài ra, các thông số khác cũng cần theo dõi và khống chế như sau:

pH của dung dịch

Bể mạ bán bóng hay bóng thường được vận hành ở pH khoảng 3.5-4.2. Các loại phụ gia hữu cơ thường hoạt động khá tốt ở dải pH này. Khi pH tăng lên có thể làm Ni(OH)2 kết tủa trên bề mặt cathode, làm đen lớp mạ (cháy, burning), hoặc cũng có thể, làm tăng tốc độ phân hủy của các phụ gia hữu cơ. Trong quá trình vận hành, pH của dung dịch mạ thường từ từ tăng lên do việc thoát khí hydro ở cathode. Sulphuric acid thường được sử dụng để giảm pH của dung dịch, hạn chế sử dùng HCl vì có thể làm thay đổi nồng độ ion Cl- có mặt trong dung dịch dẫn đến thay đổi nhiều tính chất của lớp mạ, đặc biệt là ứng suất nội. Trong một số trường hợp có thể xảy ra, pH của dung dịch bị giảm đi thì có thể dùng NiCO3 để tăng pH. Ở điều kiện của bể mạ với pH < 4.0, NiCO3 có thể được hòa tan khá nhanh. Nếu xét về mặt lý thuyết thì trong quá trình mạ thì pH của dung dịch sẽ từ từ tăng lên. Vì vậy, nếu như pH của bể mạ bị giảm thì khả năng anode có vấn đề, có thể là diện tích riêng bề mặt không đúng hay kết nối thanh dẫn tới nickel anode không tốt, khi đó, nồng độ Ni2+ của bể mạ có thể bị nghèo nhanh chóng, dẫn đến lớp mạ phân bố không đồng đều, hay màu sắc thay đổi hay tốc độ phân hủy các phụ gia nhanh... 

Khuấy trộn và ổn định nhiệt độ

Hai yếu tố này ảnh hưởng tới tốc độ khuếch tán hay di chuyển của các ions tới bề mặt điện cực. Tốc độ khuấy trộn và ổn định nhiệt độ là quan trọng trong việc ngăn cản lớp mạ bị cháy hay các phụ gia di chuyển, hấp phụ lên bề mặt lớp mạ. Có thể khuấy trộn bằng sục khí, khuấy cơ khí, bơm, hay là dịch chuyển cathode... Mỗi loại đều có những ưu nhược điểm riêng, thiết kế tùy vào từng bể, tuy nhiên, em mạn phép không đi sâu vào ở đây. Nhiệt độ ảnh hưởng tới sự hoà tan và phân ly của các thành phần trong bể mạ. Nhiệt độ cao có thể  làm bay hơi dung dịch hoặc phân huỷ các phụ gia hữu cơ. Nếu nhiệt độ thấp, các phụ gia có thể không hoạt động tốt hoặc acid boric, H3BO3, sẽ bị kết tủa.

Lọc

Về cơ bản, đối với dung dịch mạ điện nickel thường sử dụng 3 dạng lọc: Lọc vật lý để tách các hạt kết tủa và lơ lửng trong dung dịch. Các hạt này nếu không được lọc có thể kết tủa cùng lớp mạ gây ra nhám trên lớp mạ. Lọc than hoạt tính: dùng để hấp phụ các tạp chất hữu cơ như dầu, mỡ hay sản phẩm phân hủy của các loại phụ gia; Lọc điện hóa, sử dụng mật độ dòng thấp, khoảng 0.3~0.5 ASD để kết tủa các tạp chất vô cơ dạng ion như Cu2+, Fe3+, Zn2+, Pb2+, Cd2+…. 

Giải quyết các sự cố với bể mạ Watts

Vì các sự cố xảy ra khi mạ điện rất muôn hình vạn trạng nên ngoài vấn đề kiến thức thì kinh nghiệm thực tế rất quan trọng, ngay kể cả những công ty, tập đoàn lớn có nhiều chục năm vận hành bể mạ thì vẫn có thể bị lỗi như thường. Họ chỉ hơn trong việc hạn chế lỗi, nhanh trong việc khoanh vùng, định hình nguyên nhân phát sinh lỗi để tìm ra cách giải quyết. Trong bài viết này, em chỉ sơ sơ những lỗi thường gặp và những nguyên nhân cơ bản dẫn tới lỗi đó. Còn lại thực tế thì rất nhiều vấn đề mà em cũng không nắm hết được. 

Lớp mạ bị bong, dộp

Đây là hiện tượng thường xuyên gặp phải khi mạ nickel, đặc biệt khi lớp mạ bao gồm nhiều lớp. Thường thì bong, dộp xuất phát từ sự bám dính kém của lớp mạ với nền, hoặc lớp mạ có ứng suất quá cao. Các nguyên nhân thường xuyên dẫn tới bong dộp như pH của dung dịch quá thấp hoặc quá cao nên cần kiểm tra lại pH, do các tạp chất hữu cơ nên cần kiểm tra hệ thống lọc than hoạt tính hay lọc điện hóa, do các tạp chất kim loại hay do nồng độ chất phụ gia tạo bóng cao… Nhiều trường hợp, các bước tiền xử lý không tốt như bề mặt vật cần mạ bị bám dầu mỡ, hay quá trình etching chưa tốt đối với mạ trên nền nhựa  đều có thể dẫn tới sự bong dộp của lớp mạ. 

Lớp mạ bị nhám

Lớp mạ nhám thường là kết quả của các hạt lơ lửng có mặt trong dung dịch, các hạt này có thể bám vào bề mặt sản phẩm và bị kết tủa cùng với lớp mạ. Có nhiều nguồn có thể phát sinh các dạng hạt này như do làm sạch không đúng cách dẫn đến các hạt bám theo vật cần mạ, do túi anode bị rách, do bụi bẩn trong không khí, các mảnh vỡ từ vật mạ, do CaSO4 kết tủa, do lọc không đúng cách hay do các hạt carbon từ túi lọc không được đóng gói đúng cách... các mảnh vỡ không tan hết từ anode, kết tủa Ni(OH)2, kết tủa của boric acid... Vì vậy, quá trình lọc liên tục giúp giảm các loại tạp chất này.

Các lý do khác dẫn tới lớp mạ bị nhám như sự có mặt của các loại tạp chất như Cr3+, Fe3+ bị kết tủa dưới dạng hydrat ở những khu vực có mật độ dòng cao hơn. Cũng có thể nguyên nhân do việc sục khí, hay thậm chí, do quá trình làm sạch không tốt. 

Lớp mạ bị đen (cháy)

Cháy (đen) nếu xảy ra ở vùng có mật độ dòng cao thường do việc kết tủa của Ni(OH)2 khi pH của dung dịch quá cao hoặc nồng độ chất đệm H3BO3 quá thấp, hoặc do nhiệt độ vận hành thấp dẫn tới các ion di chuyển chậm, làm tăng pH cục bộ. Vì vậy, cần kiểm tra lại các thông số này đầu tiên. Nếu bị đen ở vùng mật độ dòng thấp thì thường do sự kết tủa của Ni với các loại tạp chất kim loại như Cu2+, Fe3+, Zn2+, Pb2+, Cd2+…, khi đó, cần lọc điện hóa để giảm bớt nồng độ của các loại tạp này. Các tạp chất hoặc một số phụ gia hữu cơ cũng có thể bị phân hủy tạo ra carbon, làm đen trên bề mặt mạ. 

Lớp mạ bị châm kim

Do nồng độ chất thấm ướt thấp hay do các tạp chất hữu cơ nên cần phân tích và điều chỉnh các thành phần này. Ngoài ra, việc bổ sung thêm nước do quá trình mạ bị bay hơi có thể dẫn tới nồng độ Ca2+ có mặt trong dung dịch tăng dần theo thời gian (do Ca2+ thường có mặt trong nước). Ở 60 oC khi nồng độ Ca2+ trong dung dịch cao hơn 0.5 g/L thì CaSO4 có thể bị kết tủa gây ra hiện tượng châm kim đối với lớp mạ. Để tách CaSO4 thường sử dụng máy lọc có gia nhiệt, vì CaSO4 có độ hòa tan cực đại ở 40 oC, độ hòa tan giảm khi nhiệt độ tăng lên. Vì vậy gia nhiệt tới 80 oC để kết tủa dạng CaSO4.2H2O và lọc tách ra. 

Lớp mạ không bóng

Vì dung dịch mạ thường sử dụng tối thiểu chất làm bóng loại 1 và loại 2, khi kiểm tra bằng hull cell, tùy theo trường hợp mà có thể phán đoán xem dung dịch mạ đang thiếu loại chất nào. Nếu toàn bộ bề mặt bị mờ thì nguyên nhân có thể do thiếu chất làm bóng loại 2. Nếu mờ tại vùng có mật độ dòng điện thấp có thể do thiếu chất làm bóng loại 1. Ngoài ra, pH, nhiệt độ hay tạp chất đều có thể dẫn tới lớp mạ bị mờ.

Lớp mạ phân bố kém

Do nồng độ Ni2+ hay Cl- quá thấp, do mật độ dòng điện thấp hay do nhiều tạp chất kim loại, đặc biệt là tạp Cr3+/Cr6+. Các vùng chứa tạp Cr làm mật tăng độ dòng và làm giảm đáng kể hiệu suất dòng và giảm mật độ dòng ở các vùng có mật độ dòng thấp. 

Tổng kết: Mạ nickel, cũng giống như các quy trình surface finishing khác luôn có rất nhiều vấn đề có thể xảy ra. Việc phát hiện chính xác nguyên nhân và tìm cách xử lý thì cần có nhiều chuyên môn và kinh nghiệm. Với bài viết này em cũng chỉ giới thiệu sơ bộ, còn các phương pháp xử lý hóa học như bằng permanganate, diatomite, H2O2, hay nhiều phương pháp khác nữa thì cần phải có hiểu biết sâu sắc mới tiến hành được. Rất may, ngày nay hóa chất sử dụng ngày càng có độ tinh khiết cao hơn, nguồn nước tinh khiết hơn, các hệ thống lọc, vận hành cũng hiện đại hơn nên việc vận hành có phần bớt đi nhiều vấn đề so với thế hệ cha ông ngày xưa. Mạ nickel đang được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp hiện đại. Tuy nhiên, đối với các chi tiết trang sức thì lớp mạ bóng nickel đã bị cấm ở nhiều quốc gia, do Ni khi tiếp xúc sẽ gây dị ứng da, và được thay thế bằng lớp mạ Cu-Sn. Em được biết ở Việt Nam cũng có một vài công ty mạ hợp kim Cu-Sn thay thế Ni nhưng chủ yếu sử dụng bể dạng phức cyanide. Em sẽ viết về chủ đề này trong các bài viết sau.

Chú ý: Những bài viết của em cũng được lưu lại trong trang blog cá nhân: http://ngvanphuong.blogspot.com/ Các ACE nếu có đăng lại bài viết của em, vui lòng ghi nguồn tham khảo bằng link trên hoặc là: "Nguyễn Văn Phương, MSC Co., Ltd. Incheon, Korea" nhé. Em xin cảm ơn ạ.

Bài 11. Quy trình mạ các thiết bị kết nối đúc MID (Molded Interconnect Device)

Gần đây, khi tham gia vào Hiệp hội xử lý bề mặt Việt Nam thì được nhiều anh chị em và Thày cô chia sẻ rằng lĩnh vực xử lý bề mặt ở Việt Nam chưa phát triển, nhất là vấn đề xi mạ ở Việt Nam từ lâu nay coi như là một ngành phụ nên ít được quan tâm. Thực ra, vấn đề này giống y như của Hàn Quốc vào khoảng đầu những năm 90 khi mà người Hàn cũng cho rằng xi mạ xử lý bề mặt là những ngành nghề low tech nên sinh viên ngày đó gần như không ai chọn lựa ngành học này. Các trường đại học cũng không trú trọng vào việc đào tạo, nghiên cứu và phát triển lĩnh vực này. Vì thế, cho tới bây giờ, mặc dù đã rất cố gắng nhưng ngay tại thị trường Hàn Quốc thì phần lớn thị trường (~70%) vẫn nằm trong tay các công ty nước ngoài, các công ty Hàn đang cố gắng giành giật lấy từng phần trăm thị trường. Nhiều công ty Hàn Quốc, khi chưa tìm được chỗ đứng ở thị trường Hàn thì đã tìm đến các thị trường có yêu cầu thấp hơn như Trung Quốc, Việt Nam, Indonesia để phát trển. Trước đây, nhóm Electrochemistry của viện vật liệu Hàn Quốc (KIMS) nơi em làm việc, mặc dù khá bé nhỏ nhưng vẫn là một thế lực trong ngành điện hoá của Hàn. Nhưng sang khoảng những năm 2010, việc thay đổi mạnh mẽ trong lĩnh vực điện hoá và xử lý bề mặt dẫn tới nhóm điện hoá của viện KIMS bị cạnh tranh khốc liệt và vài năm gần đây nhóm phải chuyển đổi qua định hướng khác để phát triển.

Theo em, xử lý bề mặt, gọi chung là surface finishing, bao gồm nhiều ngành nghề, từ xi mạ, trang trí, chống ăn mòn, các quá trình khô, ướt… có thể chia ra thành nhóm truyền thống và nhóm hiện đại. Nhóm truyền thống như xử lý làm sạch bề mặt, tẩy dầu, phosphate hóa, chống ăn mòn, nhúng kẽm, xử lý hóa học, anode hóa hay các dạng xi mạ điện cơ bản Sn, Ni, Cr6+, Cu, Zn, mạ POP… ứng dụng nhiều trong các vật liệu cơ khí, dân dụng. Nhóm hiện đại có thể kể đến các quy trình xử lý bề mặt vật liệu cho các loại vật liệu điện tử, bán dẫn, các bảng mạch PCB/FPCB, MID, thiết bị kết nối tín hiệu…

Trong lĩnh vực điện tử, xi mạ và xử lý bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc truyền dẫn tín hiệu và kết nối giữa các linh kiện. Từ những bo mạch chủ, linh kiện tới IC, tụ điện… đều phải sử dụng các công nghệ xi mạ và xử lý bề mặt. Ngay chiếc smartphone cũng thế, tất cả các chi tiết từ vỏ, khung, mainboard, cable, NFC, wireless charing, anttena, camera… đều phải thông qua các quy trình xử lý bề mặt khác nhau.

Ở Việt Nam, theo em nhận thấy các công ty Việt Nam phần lớn còn khá nhỏ, tập trung chủ yếu ở trong các lĩnh vực xử lý bề mặt dạng truyền thống, đơn giản, còn nhóm hiện đại có lẽ vẫn nằm hầu hết trong tay các công ty nước ngoài. Chính vì suy nghĩ vậy, em chưa viết nhiều về mảng mang tính hiện đại này. Dẫu vậy, trong bài viết này em xin giới thiệu về quy trình xử lý bề mặt cho các thiết bị kết nối đúc: Molded Interconnect Device, MID.

Lý do em chọn chủ đề này trong bài viết này, vì mạ MID là kỹ thuật không quá khó, không nhiều quy trình và không đòi hỏi nhiều đầu tư mà các công ty của Việt Nam hoàn toàn có thể tiếp cận, học hỏi và làm chủ quy trình công nghệ này. Em nghĩ, đây là bước đi đầu tiên nếu muốn dấn thân vào sân chơi của các thiết bị điện tử. Về phương pháp mạ và quy trình mạ cho các thiết bị MID cũng gần giống với các quy trình mạ cho các bảng mạch điện tử PCB (Printed Circuit Board) hoặc các mạch dạng mềm FPCB (Flexible Printed Circuit Board)… Với bài viết này, đối với những anh em làm trong cùng lĩnh vực, có thể tham khảo thêm, hoặc với anh em ngoài cũng có thể là một chủ đề để đọc thêm, biết đâu, ngày nào đó sẽ cần. Gần đây, em được biết một vài công ty thương mại ở Việt Nam có định hướng cung cấp hóa chất cho lĩnh vực này. Cũng có những công ty đang tiến hành sản xuất các thiết bị MID đơn giản, ứng dụng làm mạch dẫn cho cụm đèn LED.

Để bớt lạ lẫm, em cũng muốn dịch nghĩa chính xác cụm từ Molded Interconnect Device (MID) nhưng cũng không biết dịch nó bằng từ gì cho chính xác, nên em để nguyên là MID. Cho dễ hình dung, em chèn luôn một vài hình ảnh về các thiết bị MID này cho anh chị em dễ tưởng tượng: Antena điện thoại, một bảng mạch phía trong vô lăng xe hơi, hay một vài mạch dẫn, các mạch đèn led… thường sử dụng.

Trước tiên, MID là một dạng mạch plastic 3D với cả chức năng cơ khí và khả năng dẫn điện. Được dùng rất nhiều sử dụng làm antena của điện thoại, kết nối trong xe hơi, thiết bị y tế, in 3D, thiết bị hàng không và nhiều lĩnh vực khác. Ví dụ đơn giản, vô lăng xe hơi ngày nay được tích hợp rất nhiều các nút điều khiển. Nếu sử dụng dây dẫn sẽ trở nên rất phức tạp, dễ dàng bị đứt, lỗi sau một quá trình sử dụng. Mạch MID có thể thay thế các loại dây dẫn trên với mức độ tin cậy cao, bền bỉ và hiệu quả.

Quy trình sản xuất MID bao gồm 4 bước cơ bản: (1), sản xuất khung của thiết bị (ví dụ vỏ điện thoại hay các khung nền); (2), In laser để tạo hình các đường dẫn như thiết kế; (3), Mạ dẫn điện trên các đường đã tạo hình bằng laser (Metallization process); và (4), lắp đặt vào các thiết bị.

Khung thiết bị thường được sản xuất từ các loại vật liệu định hình cơ bản như polymers (plastics): PE, ABS, PBT, PET… Vật liệu này được trộn với các loại hạt kim loại additive, phổ biến nhất là hạt Cu3N với tỷ lệ nhất định. Các đường mạch được thiết kế và sử dụng máy in laser in hình lên bề mặt vật liệu đã được tạo hình. Laser làm cháy lớp polymers và hở ra các hạt kim loại được trộn vào trong nhựa. Các hạt này sẽ làm trung tâm để cho quá trình metallization process sau này. Việc trộn % bao nhiêu hạt, in ở cường độ dòng hay đỉnh peak laser bao nhiêu… cần được tối ưu hóa. Trong bài viết này, em tập trung vào quy trình mạ (metallization process) cho các mạch MID.

Quy trình metallization process cho MID về cơ bản gồm: (1) Cleaning, 5 min, 50-55 oC -> (2) Activation H2SO4 100 mL/L+additive, 60 sec, RT -> (3) Strike electroless Cu 10~30 min, 55~62 oC -> (4) Build electroless Cu 2~3 h, 50~58 oC ->  (5) Pd ion Activation 180 sec, 25~30 oC -> (6) Electroless nickel plating 20~30 min, 60~65 oC -> (7) Immersion gold (optional), 5 min, 85~90 oC -> (8) Sealing, 1 min, 60 oC.

Trong các mạ ở đây, quan trọng nhất là 2 bước mạ hóa học đồng và mạ hóa học nickel. 

Lớp mạ hóa học đồng, có tác dụng dẫn điện, có khả năng bám dính tốt trên nền có các hạt, thường là Cu3N đã được hoạt hóa bằng tia laser và H2SO4.

Về dung dịch mạ hóa học đồng (electroless copper), cần tách ra viết thành tối thiểu viết riêng một bài. Dung dịch mạ hóa đồng, về cơ bản gồm có: muối đồng CuSO4 (Cu2+: 1.8~3.5 g/L hay 0.028~0.035 M), chất tạo phức (phổ biến nhất là 3 loại: tartrate, alkanol amines như quadrol hay EDTA, ~0.1~0.15 M), trong đó quadrol cho dung dịch mạ có tốc độ cao và dung dịch có độ ổn định cao hơn so với EDTA hay tartrate. NaOH ~9 g/L dùng để điều chỉnh pH ~ 11; Mạ hóa đồng trong công nghiệp phần lớn vẫn dùng formaldehyde (HCHO) làm chất khử, chất ổn định thường dùng 2,2'-dipyridyl; tốc độ mạ và tính chất lớp mạ thì tùy theo phức chất sử dụng, phức tartrate cho tốc độ thấp khoảng 1.5 micromet/h ở 20~25 oC nhưng lớp mạ có tính dẻo cao. Phức quadrol (Q75) cho tốc độ mạ cao hơn, khoảng 7~9 micromet/h ở 55 oC nhưng lớp mạ dòn hơn.

Phản ứng cơ bản của quá trình mạ:

Cu2+ + 2HCHO + 4OH-  --> Cu0 + H2 + 2 H2O + 2HCO2-

Các dung dịch mạ hóa đồng không đa dạng và nhiều ứng dụng như mạ hóa nickel. Dung dịch mạ hóa đồng thường có độ ổn định thấp, tối đa chỉ khoảng 3~3.5 MTO và đồng thường bị kết tủa khá nhiều ra thành bình, thanh gia nhiệt… Vì vậy, bể mạ đồng cũng có nhiều dạng thiết kế đặc biệt hơn bể mạ hóa nickel, ví dụ bể 2 ngăn làm nóng bằng nước, bể 3 ngăn, trong đó có 1 ngăn riêng để bổ sung… nhằm tăng thêm tính ổn định của dung dịch. Bể mạ sau khi tạm dừng thời gian dài, khi hoạt động trở lại thường cho tốc độ mạ thấp và chất lượng lớp mạ thường rất kém.

Vì bể mạ không ổn định và tốc độ thấp, nên mạ hóa đồng cho MID được chia làm 2 bước, bước 1 mạ strike khoảng 20 phút ở dung dịch có pH cao và nhiệt độ cao hơn, để đảm bảo lớp đồng được mạ nhanh và đồng đều lên các hạt Cu3N nằm trên nền nhựa. Bước mạ sau gọi là build, mạ trong dung dịch có độ ổn định cao hơn, tốc độ mạ thấp hơn và thời gian kéo dài có thể tới 2-3h. Độ dày lớp mạ yêu cầu thường khoảng 12~15 micromet.

Đối với các mạch điện tử, lớp đồng có tác dụng chính là dẫn điện, truyền dẫn tín hiệu. Hôm 13-15 vừa rồi, tại hội nghị Korean Institute of Surface Engineering (KISE), có một thuyết trình tới từ công ty Winstar (Hongkong) cũng có trình bày về vấn đề mạ MID đối với các thiết bị 5G. Với 5G, tín hiệu yêu cầu truyền dẫn ở tần số cao hay mật độ dòng cũng cao hơn. Vì vậy, lớp Cu này có thể yêu cầu độ dày lớn hơn và độ tinh khiết cao hơn.

Lớp mạ hóa học nickel

Trước khi mạ hóa nickel, bề mặt lớp mạ hóa học đồng cần được hoạt hóa. Dung dịch hoạt hóa ở đây dùng là ion Pd2+ (thường dùng PdSO4 hoặc PdCl2 kèm với H2SO4 hay HCl). Dạng ion Cl- thường có tính ăn mòn mạnh hơn, có thể ăn mòn nền hoặc dẫn tới các điểm bị hoạt hóa ngoài mong đợi, dẫn tới khi mạ hóa nickel, lớp Ni kim loại bị mạ lên những điểm đó. Vì vậy, đối với các bảng mạch MID hay PCB thường dùng Pd dạng SO4.

Dung dịch hoạt hóa Pd2+, về cơ bản chỉ cần sử dụng PdCl2+HCl hay PdSO4+H2SO4. Các sản phẩm thương mại thường có thêm chất tạo phức, chất hoạt động bề mặt và hoạt hóa bề mặt đồng… để dung dịch sử dụng được ổn định hơn và sử dụng ở nồng độ Pd thấp hơn. Pd2+ và Cu ở nền sẽ phản ứng với nhau thông qua phản ứng trao đổi ion, hình thành các hạt Pd trên bề mặt Cu, làm xúc tác cho phản ứng mạ hóa Ni.

Sau khi hoạt hóa lớp đồng bằng Pd, tiến hành lớp mạ hóa nickel. Lớp mạ hóa nickel có hai vai trò chính, một là, bảo vệ chống ăn mòn cho lớp đồng bên dưới, do nickel có khả năng chống ăn mòn tốt. Hai là, ngăn ngừa không cho đồng từ phía nền khuếch tán ra bề mặt làm giảm khả năng dẫn điện của lớp đồng cũng như lớp mạ bị oxi hóa. Lớp mạ hóa nickel sử dụng thường ở dải P trung bình (6~9%), có nhiệt độ vận hành trung bình (60~65 oC). Các công ty cũng phải thiết kế bể mạ hóa nickel đáp ứng được tốc độ mạ khoảng 8-12 micromet/h ở dải nhiệt độ trên, thấp hơn khá nhiều so với dải nhiệt độ bình thường là 85~90 oC.

Với các sản phẩm MID các thông số thường kiểm tra như: độ dẫn điện, khả năng chống ăn mòn (phun sương muối, 72 h), khả năng chịu hơi nước nóng, ẩm (80 oC, 1 tuần), khả năng bám dính với nền (adhesion)…

Lớp mạ vàng (immersion gold)

Lớp mạ vàng có tác dụng tăng độ dẫn điện ở bề mặt các vị trí tiếp xúc, tăng tính hàn cho bề mặt nickel hay đơn giản, để trang trí bề mặt, tránh để lớp nickel bị oxi hóa, xỉn màu.

Thường vàng được mạ lên bề mặt qua phương pháp nhúng (immersion gold), phản ứng theo dạng trao đổi ion giữa vàng và nickel kim loại. Lớp mạ vàng thường dày khoảng 0.05~0.07 micromet, thời gian nhúng khoảng 5-10 phút ở 85~90 oC.

Vấn đề lớn nhất của ENIG (electroless nickel – immersion gold), đặc biệt trong công nghiệp PCB/FPCB là phản ứng không đều giữa các hạt nickel (grain) và vùng biên (grain boundary), dẫn đến sẽ có những vùng bị ăn mòn sâu, gọi là black pad. Các black pads này có thể làm giảm lực bám dính của lớp vàng với lớp nickel, ảnh hưởng tới các khả năng kết nối sau này. Để hạn chế black pad, một số công ty thêm giải pháp là mạ thêm một lớp palladium trước quá trình immersion gold, gọi là ENIPIG, thảo luận sâu phần này khá phức tạp, và thậm chí, ngay cả thời điểm hiện tại vẫn nhiều ý kiến khác nhau về việc hình thành black pad hay có nhất thiết phải bổ sung thêm lớp EP hay không. Nói chung, phần này khá loằng ngoằng và phức tạp nên nếu anh chị em nào muốn trao đổi thêm, vui lòng nhắn tin riêng em.

Sau khi mạ vàng xong thường được nhúng vào một dung dịch sealing khoảng 1 phút, ở 60 oC, thành phần chính của dung dịch này có paraffin. Lớp nhúng này làm cho lớp vàng không bám dính vân tay, không dính nước và không bị xỉn màu theo thời gian.

Kết luận

Thực tế, quy trình mạ và công nghệ mạ cho các mạch MID ở đây không quá phức tạp, vấn đề lớn nhất ở đây là kiểm soát chất lượng các quy trình sao cho đạt được yêu cầu mà thôi. Quy trình mạ cho các bản mạch PCB hay FPCB cũng gần tương tự với các lớp Cu/Ni/Au. Em nghĩ, bên Việt Nam mình nếu có thể quản lý và vận hành các bể: mạ hóa đồng, mạ hóa nickel và nhúng vàng thì hoàn toàn có thể làm các dự án về MID hay PCB. Em sẽ viết về mạ hóa học đồng để anh chị em tham khảo sau. Bài viết này cũng còn sơ khai, mong góp thêm chút đóng góp cho anh chị em chút kiến thức biết đâu, sẽ lấn được sang sân chơi các thiết bị điện tử.

Chú ý: Những bài viết của em cũng được lưu lại trong trang blog cá nhân: http://ngvanphuong.blogspot.com/ Các ACE nếu có đăng lại bài viết của em, vui lòng ghi nguồn tham khảo bằng link trên hoặc là: "Nguyễn Văn Phương, MSC Co., Ltd. Incheon, Korea" nhé. Em xin cảm ơn ạ.