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.