1.
Giới thiệu
Trước
đây, em đã viết một bài về quy trình xử lý bề mặt các bo mạch điện tử
electroless nickel immersion gold – ENIG. Anh chị em nào quan tâm có thể tìm đọc
lại ở link này: https://ngvanphuong.blogspot.com/2020/01/bai-17-enig-la-gi-quy-trinh-xu-ly-be.html
Ở
trên trang blog cá nhân, bài viết này có số lượt view cao nhất và em cũng nhận được
khá nhiều câu hỏi liên quan tới các vấn đề trong quy trình ENIG. Vì vậy, em viết
riêng ra một bài để anh chị em tham khảo thêm.
2.
Quy trình chế tạo các bản mạch PCB/FPCB
Quy
trình chế tạo các bản mạch PCB/FPCB là gần như giống nhau, sự khác biệt chính nằm
ở vật liệu nền (một loại cứng và một loại dẻo; PCB = Printed circuit board;
FPCB = flexible
printed circuit board (FPCB). Nền của PCB thường là các loại nhựa chịu nhiệt,
có thể là nhựa acrylic, epoxy, phenol, polyesters hay vinyl esters. Nền của
FPCB thường là nhựa dẻo như polyimide (PI film). Trước đây, các tấm nền thường
được hoạt hóa bằng Pd2+/Sn2+, rồi tiếp theo là các bước mạ hóa học đồng
(electroless Cu) và mạ điện đồng (Cu electroplating). Mạ điện đồng cho ra lớp đồng
có cấu trúc tinh thể xếp dạng đứng nên dẻo và có độ bám dính tốt với nền. Ngày
nay, các lá đồng mỏng thường cán được dán trực tiếp lên nền thông qua các keo kết
dính. Hình 1 là hình ảnh và mô phỏng cấu trúc cắt ngang bề mặt của nền FPCB
sử dụng PI film và các tấm đồng được dán bằng các keo dính.
Hình 1. Hình ảnh và mô phỏng cấu trúc cắt ngang bề mặt của nền FPCB sử dụng PI film và các tấm đồng được dán bằng các keo dính.
Các
bước của quy trình sản xuất mạch PCB/FPCB được trình bày ở Hình 2.
Các tấm nền được (1) cắt; (2) dập lỗ định vị; (3) mạ xuyên tâm (trong công đoạn
này gồm các bước: cleanner, conditioner, micro-etching, catalyst, accelerator,
electroless Cu plating, electrolytic Cu plating); (4) Soft-etching; (5) dán dry-film;
(6) Lộ quang; (7) Hiện mạch; (8) Ăn mòn; (9) Bóc tách; (10) dán tạm cover-lay
sau đó chuyển qua công đoạn ENIG và finishing công đoạn cuối. Về quy trình ENIG
cụ thể thì em đã trình bày từ bài viết trước.
Hình 2. Các bước của quy trình sản xuất mạch PCB/FPCB.
3.
Các vấn đề thường gặp với ENIG
Ở
trên, sở dĩ em trình bày sơ bộ về toàn bộ quy trình để chế tạo ra một bo mạch điện
tử vì có một số bước sẽ ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm sau này. Dưới đây
là các lỗi thường gặp sau khi hoàn thiện ENIG.
3.1.
Black pads
Black
pad là vấn đề lớn nhất đối với quy trình surface finishing ENIG trong lĩnh vực
PCB/FPCB hàng chục năm nay, nhưng vẫn chưa giải quyết được một cách dứt điểm. Về
lý do và các hướng giải quyết thì em đã trình bày từ bài viết trước, anh chị em
có thể tham khảo từ link dẫn bên trên.
(3.2)
Bridge hay tàn vàng
Hình
3 là phần chân một linh kiện sau ENIG bị tàn vàng, gây
ngắn mạch giữa các điểm tiếp xúc. Đây là lỗi khá thường xuyên gặp và cũng có vài
bạn hỏi về vấn đề này. Có hai nguyên nhân chính và vài nguyên nhân khác có thể dẫn
tới lỗi này.
Hình 3. Phần chân một linh kiện sau ENIG bị tàn vàng, gây ngắn mạch giữa các điểm tiếp xúc.
Nguyên
nhân thứ nhất, xuất phát từ quá trình ăn mòn tạo mạch
(bước số 8 ở bên trên). Mạch PCB ban đầu toàn bộ là tấm đồng được dán lên nền.
Sau khi phủ lớp cản quang rồi mạch được in bằng tia UV, đốt cháy chất cản quang
ở những vùng cần hiện mạch. Sau đó, mạch này được nhúng vào dung dịch ăn mòn lớp
đồng nền (ăn mòn theo phương thẳng đứng). Sau khi bóc tách lớp cản quang, sẽ có
được mạch đồng được in (Hình 4). Quá trình etching lớp Cu này có
thể không sạch hoàn toàn lớp Cu được dán trên nền. Các hạt Cu dư này có thể trở
thành trung tâm sau này được hoạt hóa bởi Pd2+ rồi được mạ Ni và Au lên ở công đoạn
ENIG.
Hình 4. Bản mạch sau khi được in, etching và tách lớp cản quang.
Nguyên
nhân thứ 2, xuất phát từ bước soft-etching trong công đoạn
ENIG. Soft-etching có tác dụng ăn mòn sạch lớp oxide, và một phần nhỏ lớp Cu trên
bề mặt. Soft etching cũng để tẩy sạch những phần Cu có thể bị sót lại tại các
khe trong bước etching ở công đoạn trước. Dung dịch soft-etching thường sử dụng
H2SO4 + tác nhân oxi hóa mạnh. Trước đây chủ yếu sử dụng H2SO4 + H2O2, nhưng H2O2
thường không ổn định nên tốc độ etching không đồng đều ở các thời điểm khác
nhau. Sau này, một công ty của Nhật Bản phát triển thành công hỗn hợp oxi hóa
khác thay cho H2O2 bao gồm mixing của 3 muối 2KHSO5·KHSO4·K2SO4, tên thương mại
là oxone. Oxone bền, ổn định trong môi trường chứa H2SO4 nên dùng để soft-etching
các mạch đồng. Tốc độ etching phụ thuộc vào nồng độ của cả oxone và H2SO4. Nếu bước
etching này không làm sạch hoàn toàn được các hạt Cu còn sót lại có thể thành
trung tâm bị mạ Ni và Au của bước ENIG.
Nguyên
nhân thứ 3, nồng độ/loại Pd2+ của dung dịch hoạt hóa
Trong
quy trình ENIG thường sử dụng Pd2+ để hoạt hóa nền đồng dạng SO42- thay vì dạng
Cl- bởi SO42- có tính ăn mòn nền thấp hơn. Pd2+ sẽ phản ứng trao đổi ion với Cu
để hình thành Pd0 trên bề mặt, trở thành trung tâm xúc tác cho phản ứng mạ hóa
Ni. Về lý thuyết, chỉ cần một lớp Pd2+ bám trên bề mặt lớp Cu là đủ cho phản ứng
hoạt hóa, và nồng độ Pd2+ chỉ cần là 1~5 ppm. Tuy nhiên, thực tế thì Pd2+ cần là
cao hơn rất nhiều, phổ biến ở khoảng 50 ppm. Pd2+ quá thấp sẽ xuất hiện tình trạng
chỗ mạ chỗ không trên bo mạch. Ngược lại, Pd2+ quá cao sẽ dẫn tới Pd hình thành
các cục bám trên bề mặt lớp Cu hoặc rơi ra trong quá trình rửa, bám vào các vị
trí khác rồi xảy ra các lỗi mạ ở đó mà không mong muốn. Tùy từng công ty mà
dung dịch Pd2+ có thể sử dụng ở nồng độ thấp hơn, cỡ 30 ppm hay cao, cỡ 100
ppm. Sử dụng Pd2+ dạng PdCl2 dễ bị lỗi tàn vàng hơn so với dạng PdSO4.
Về
lý thuyết, dung dịch hoạt hóa Pd2+ chỉ cần xài PdCl2+HCl hay PdSO4+H2SO4 là đủ.
Nhưng dung dịch này có tính ổn định không cao, dễ bị các kết tủa lấm tấm các hạt
Pd. Lỗi này cũng có một số bạn bên Việt Nam gặp phải. Sản phẩm thương mại cần kết
hợp Pd2+ với acid, kết hợp với chất tạo phức, chất hoạt động bề mặt…
Nguyên
nhân thứ 4, tỷ lệ L/S
Tỷ
lệ L/S là tỷ lệ diện tích giữa phần mạch (Line) và khoảng cách giữa các mạch (Space).
Thường tỷ lệ này tối thiểu là 50:50, hoặc phải cao hơn tới 20:80. Tỷ lệ này mà
thấp tức khoảng cách giữa các mạch ngắn, dễ bị ngắn mạch trong các công đoạn xử
lý sau này. Thực ra, vấn đề này thì rất nan giải, xuất phát từ thiết kế mask
ban đầu nên em không bàn luận thêm ở đây.
Các
nguyên nhân khác
Ngoài
những nguyên nhân chính như trên thì còn nhiều nguyên nhân khác dẫn tới lỗi
trong quy trình ENIG, ví dụ các bể rửa không sạch, hóa chất không tinh khiết, aging
của các dung dịch… nên tùy thuộc vào quy trình trong công ty anh chị em mà tìm
ra nguyên nhân và hướng giải quyết. Em cũng chỉ dự đoán các lỗi thường xuyên nhất
có thể dẫn đến tình trạng trên.
(3.3)
Độ bám dính kém/bọt khí dưới lớp vàng
Độ
bám dính của lớp Au khi test không đạt tiêu chuẩn. Lỗi này xuất phát từ việc hình
thành các black-pads ở phía dưới lớp Au. Tệ hơn, lớp Au có thể bị tách ra khỏi
lớp Ni, hình thành các bọt khí hay bọt nước bên trong. Khi tách lớp Au tại các
vị trí này ra, thấy bề mặt Ni bị đen.
Bản
chất của IG là phản ứng trao đổi ion giữa Ni + 2Au+ = Ni2+ + Au0, do đó, Ni từ
lớp mạ sẽ bị tan một phần vào dung dịch và Au bám lại trên bề mặt. Thành phần lớp
mạ hóa chứa Ni và P, sau khi Ni phản ứng, sẽ còn lại lớp Ni-P rich layer. Hàm
lượng P này ảnh hưởng rất nhiều tới tốc độ phản ứng và chất lượng lớp IG. Do đó,
các công ty thương mại thường không xài bản EN cơ bản cho ENIG mà thường được
phát triển phiên bản EN dùng riêng. Dung dịch EN cũng xài ở mức độ MTO thấp hơn
so với các dung dịch cơ bản khác, tối đa cỡ 4 MTO. Với lỗi như trường hợp này có
thể (1) do sau bước EN, không thực hiện quy trình IG ngay dẫn tới hình thành lớp
oxide NiO dày, phản ứng kém với dung dịch IG; (2) do bước rửa từ EN không sạch;
(3) Do hàm lượng P của lớp EN; (4) Do chất lượng các dung dịch… Nhìn chung, gặp
lỗi này thường xuyên thì cách tốt nhất là thay thế dung dịch EN và IG, thậm chí,
thay nhà cung cấp khác.
(3.4)
Lớp Au không cover hết lớp Ni, thậm chí vẫn còn màu xám của Ni
Khi
phản ứng IG diễn ra chậm khi không đủ nhiệt độ, nồng độ Au thấp, Ni2+ trong
dung dịch IG cao hay bị chất ức chế nào đó lẫn tạp có thể dẫn tới một phần nào đó
của bề mặt không được mạ bởi lớp Au. Hàm lượng P của lớp EN cao cũng làm chậm tốc
độ của phản ứng IG. Vì vậy phải kiểm soát lại các thông số và thay dung dịch IG
mới nếu cần.
3.5.
Lớp mạ bị ố màu sau khi làm khô hay bảo quản một thời gian
Sau
khi ENIG, mẫu được nhúng vào một dung dịch nhũ nền parafin để hình thành lớp phủ
rất mỏng trên bề mặt Au, lớp phủ này có tác dụng ngăn ngừa các quá trình oxi hóa,
thấm nước hay làm xỉn màu của vàng. Lớp phủ này cũng không bám dính nước và vân
tay.
Mẫu
sau bảo quản mà bị những điểm ố, có thể do việc rửa chưa sạch và làm khô sau ENIG
chưa triệt để, dẫn tới nước tồn đọng và ăn mòn lớp Ni. Một nguyên nhân khác có
thể do lớp mạ hóa Ni bị lỗi hoặc quá mỏng, dẫn tới Cu bị khuếch tán từ nền ra bề
mặt làm bề mặt bị xỉn màu sau một vài tháng.
4.
Kết luận
Sản
xuất PCB/FPCB là quy trình không đơn giản và rất nhiều lỗi có thể phát sinh từ
bất kỳ công đoạn nào. Nếu anh chị em có nhắn tin hỏi, em cũng chỉ dự đoán một cách
sơ bộ, còn lại, thực tế cần phải kiểm tra và test rất nhiều mới có thể tìm ra
chính xác nguyên nhân và cách khắc phục. Ngay cả một số sản phẩm công ty bên em
xài tới 20-30 năm đôi khi vẫn xảy ra những lỗi không lường trước được nên lab vẫn
luôn nhận phản hồi từ phía khách hàng, phải test và phát triển thêm. Có nhiều
trường hợp mạch PCB/FPCB bị lỗi ở công đoạn ENIG có thể sử dụng các dung dịch Au
stripper để tách bỏ lớp Au để quay trở lại quy trình. Bài viết này em cũng chỉ
sơ sơ vậy cho anh chị em tham khảo thêm.
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.
bài viết hay
Trả lờiXóa