ENIG là gì? Quy trình xử lý bề mặt các bo mạch điện tử

Chất hoạt hóa (Activator)

Trong lĩnh vực điện tử, chất hoạt hóa được sử dụng để kích thích hoạt hóa bề mặt đồng (Cu) trước khi tiến hành quá trình mạ hóa nickel. Dung dịch hoạt hóa cơ bản chứa Pd2+ (palladium) với nồng độ khoảng 25~30 ppm, kết hợp với axit sulfuric (H2SO4). Trong mạch PCB/FPCB, Pd2+ thường được sử dụng dưới dạng hỗn hợp PdSO4 + H2SO4. Thường không sử dụng PdCl2+HCl vì ion Cl- có độ ăn mòn cao, có thể ăn mòn bề mặt đồng và tạo kết tủa Pd tại các vị trí không mong muốn, gây trở ngại cho quá trình mạ.

Dung dịch hoạt hóa Pd2+ cơ bản chỉ cần pha trộn hỗn hợp PdSO4 + H2SO4 là có thể sử dụng để kích thích bề mặt đồng. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thương mại, dung dịch hoạt hóa thường được bổ sung thêm một số chất tạo phức để làm cho quá trình ổn định hơn. Nó cũng có thể chứa một số chất tạo phức để tăng khả năng hoạt động bề mặt và giảm nồng độ Pd2+ cần thiết. Trong một số trường hợp, nồng độ Pd2+ thậm chí có thể giảm xuống chỉ còn 5~10 ppm do giá trị của Palladium rất đắt đỏ.

Trong quá trình hoạt hóa, xảy ra phản ứng trao đổi ion giữa đồng và Pd2+, tạo ra các hạt Pd trên bề mặt đồng. Các hạt Pd này đóng vai trò trung tâm xúc tác cho quá trình mạ hóa nickel trong bước tiếp theo của quy trình. Sau khi hoàn thành bước hoạt hóa, có thể cần thêm một bước rửa sạch bằng dung dịch đặc biệt để loại bỏ các ion Pd dư thừa tại các vị trí không mong muốn, tránh việc các phản ứng mạ hóa nickel xảy ra tại những vị trí đó, đảm bảo tính chất lượng của bề mặt mạch điện tử.

Quá trình Electroless nickel - Immersion gold

Mặc dù đã phát triển nhiều loại dung dịch mạ hóa nickel, không phải loại nào cũng phù hợp cho quy trình ENIG. Vấn đề không nằm ở khả năng mạ nickel lên bề mặt đồng đã được hoạt hóa hoặc khả năng bảo vệ lớp đồng khỏi sự ăn mòn. Thay vào đó, nó nằm ở bước tiếp theo, gọi là phản ứng "immersion gold" (mạ vàng ngâm).

Phản ứng "immersion gold" là một phản ứng trao đổi ion, xảy ra giữa ion vàng Au+ và nickel không điện tử Ni0 (Ni0 + 2Au+ = Ni2+ + 2Au0). Tuy nhiên, lớp mạ hóa nickel thường chứa chất lượng phốt pho (P), nhưng trong phản ứng này, phốt pho không tham gia vào quá trình trao đổi ion với vàng Au+. Sau khi hoàn thành quá trình "immersion gold," khả năng hàn và cường độ lực liên kết của mối hàn với bề mặt thường được kiểm tra bằng cách làm nóng lại các hạt hợp kim SnAg3.5Cu0.7 ở nhiệt độ khoảng 225-270 độ C.

Hầu hết các dung dịch mạ hóa nickel sau quá trình "immersion gold" cho ra lực liên kết tốt với mối hàn. Tuy nhiên, có một số vị trí trên bề mặt mạch điện tử cho ra lực liên kết rất yếu. Khi phân tích những vị trí này, ta thường thấy có một vùng bề mặt bị ăn mòn sâu xuống nền, và vùng này chứa hàm lượng cao của phốt pho (P) so với các vùng khác. Những vùng này được gọi là "Black Pad" (vùng đen), và chúng thường là nguyên nhân gây ra sự kém hiệu quả và yếu đuối trong quá trình hàn và kết nối các linh kiện trên bo mạch điện tử.

Black Pad trong Quy Trình ENIG

Black Pad (vùng đen) là một vấn đề lớn trong quy trình xử lý bề mặt ENIG trong lĩnh vực PCB/FPCB và đã tồn tại hàng chục năm. Có nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để tìm hiểu nguyên nhân chính và cách khắc phục sự hình thành của Black Pad sau khi hoàn thành quá trình "immersion gold" (IG). Tuy nhiên, kết quả của các nghiên cứu này thường rất lộn xộn và không đồng nhất.

Có một số tài liệu cho rằng Black Pad xuất phát từ việc có hàm lượng phốt pho (P) cao trong lớp mạ hóa, khiến cho các vùng chứa phốt pho không tham gia vào quá trình trao đổi ion với dung dịch IG, dẫn đến sự hình thành các điểm đen. Khi phân tích, các vùng bị đen thường chứa hàm lượng phốt pho cao hơn. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu khác lại chỉ ra rằng lớp mạ hóa nickel với hàm lượng phốt pho thấp (low P) cũng có thể gây ra nhiều trường hợp Black Pad hơn cả lớp mạ hóa nickel với hàm lượng phốt pho cao (high P). Do đó, kết quả của các nghiên cứu vẫn chưa đồng nhất và đa dạng.

Tuy kết quả chưa thống nhất, nhìn chung, cả các lớp mạ hóa với hàm lượng phốt pho thấp hoặc cao đều có thể dẫn đến tỷ lệ cao của sự hình thành Black Pad. Vì vậy, để đảm bảo chất lượng và tránh vấn đề Black Pad, các lớp mạ hóa thường được thiết kế với hàm lượng phốt pho trung bình, thường nằm trong khoảng từ 6-10%.

Cơ Chế Hình Thành Black Pad và Cách Khắc Phục Trong Quy Trình ENIG

Black Pad (vùng đen) thường hình thành tại các vùng biên của các hạt (grain boundary) trong cấu trúc lớp mạ hóa NiP. Tại đây, hàm lượng phốt pho (P) thường cao hơn so với phần trung tâm của các hạt (grain). Black Pad được dự đoán xuất phát từ việc phản ứng không đồng đều giữa phần trung tâm của các hạt và vùng biên của chúng. Những vùng nào phản ứng nhanh hơn sẽ dẫn đến ăn mòn sâu, hình thành các điểm đen trên bề mặt. Điều này liên quan đến sự đồng đều của tốc độ phản ứng giữa lớp mạ hóa nickel và dung dịch gold.

Trong quá khứ, thời gian quá trình "immersion gold" (IG) thường kéo dài khoảng 30 phút. Tuy nhiên, hiện nay, thời gian này đã được rút ngắn xuống còn khoảng 5-10 phút ở nhiệt độ 80-90°C. Để rút ngắn thời gian IG, các dung dịch IG cần thiết kế để có tốc độ phản ứng nhanh với lớp mạ hóa nickel, dẫn đến phản ứng diễn ra không đồng đều trên bề mặt lớp nickel. Để khắc phục vấn đề này, các công ty thường thêm vào các sản phẩm ENIG một số hợp chất chứa lưu huỳnh (S) để tạo ra kết tủa lớp Ni-S trong lớp mạ hóa. Lớp Ni-S này có khả năng ăn mòn thấp hơn so với Ni0 và NiP, làm tăng tốc độ phản ứng IG và đảm bảo sự đồng đều trên toàn bộ bề mặt, từ đó hạn chế việc hình thành Black Pad.

Một giải pháp khác để khắc phục vấn đề Black Pad là thêm một bước mạ hóa palladium (EP) sau quá trình ENIG, tạo thành quy trình ENEPIG. Lớp palladium (Pd) trong ENEPIG có độ dày khoảng 0.05-0.1 micromet và có tác dụng hạn chế tốc độ phản ứng trao đổi ion giữa Au+ và Ni, từ đó không hình thành Black Pad. Tuy nhiên, việc thêm một bước EP này có thể làm tăng giá thành đáng kể do Pd là một kim loại đắt tiền, và cũng có thể làm giảm độ bám dính của mối hàn sau này với nền.

Có sự khác biệt về dung dịch mạ hóa nickel được áp dụng cho mạch PCB so với mạch FPCB. Nickel mạ hóa thông thường thường có cấu trúc tinh thể xếp ngang trên bề mặt, cứng và dòn. Loại mạ hóa nickel này phù hợp cho mạch PCB, nơi nền là cứng và không phải chịu tác động của ngoại lực, đặc biệt là các lực uốn cong. Đối với mạch FPCB, dung dịch mạ hóa nickel cần được điều chỉnh và tối ưu hóa với các phức chất, chất đệm, và thậm chí một vài phụ gia gốc amine, aldehyde để tạo ra lớp mạ hóa nickel có tính đàn hồi tốt.

Quá Trình Sealing trong ENIG

Sau khi hoàn thành quá trình Immersion Gold (IG), sản phẩm thường được đặt vào một dung dịch nhũ chứa paraffin trong khoảng 1 phút ở nhiệt độ 55-60°C để tạo ra một lớp paraffin rất mỏng trên bề mặt của lớp vàng (Au). Lớp paraffin này có độ dày chỉ cỡ vài chục nanomet, nhỏ đến mức không ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của nền. Chức năng chính của lớp phủ này là làm cho lớp vàng không thấm nước, không bám dính vân tay, và không bị xỉn màu theo thời gian.

Dung dịch paraffin thường bao gồm paraffin kết hợp với một số chất hoạt động bề mặt, emulsifiers, và các chất khác để paraffin có thể hòa tan và duy trì tính ổn định trong dung dịch, không bị kết tụ lại. Điều này đảm bảo rằng lớp paraffin có thể phủ đều lên bề mặt vàng một cách hiệu quả, tạo ra một lớp bảo vệ không chỉ giữ cho bề mặt vàng luôn sáng bóng mà còn bảo vệ nó khỏi tác động của môi trường bên ngoài, như nước, dầu, hay các vết bẩn có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất của sản phẩm cuối cùng.

Lời kết

Như vậy, ENIG (Electroless Nickel - Immersion Gold) là một quy trình quan trọng trong lĩnh vực sản xuất bo mạch điện tử, giúp cải thiện chất lượng và hiệu suất của các sản phẩm điện tử. Quá trình này kết hợp mạ hóa nickel không cần dùng điện và mạ hóa vàng thông qua phản ứng trao đổi ion, tạo ra lớp màng bảo vệ và giúp tăng khả năng dẫn điện, chống oxi hóa, và hạn chế tác động của các yếu tố bên ngoài.

Các công ty và nhà sản xuất trong lĩnh vực PCB/FPCB cần hiểu rõ quy trình ENIG và các yếu tố ảnh hưởng để đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt được chất lượng tốt nhất. Sự nắm vững về công nghệ và quy trình là một yếu tố quan trọng để cạnh tranh và thành công trong ngành công nghiệp này.

Trong lĩnh vực sản xuất PCB và FPCB, quy trình xử lý bề mặt như ENIG, immersion silver, immersion tin và ENEPIG đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và chất lượng của các bo mạch điện tử. Với sự phát triển của công nghệ, các nhà sản xuất đang tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các quy trình đóng gói 3D và các công nghệ mối hàn tự động, đẩy giới hạn của sản phẩm điện tử.

Trong tương lai, việc đầu tư vào các lĩnh vực công nghệ cao và nghiên cứu phát triển các phương pháp xử lý bề mặt mới sẽ giúp các công ty Việt Nam tiến xa hơn trong lĩnh vực này. Cơ hội luôn rộng mở cho những ai dám đổi mới và chú trọng vào nghiên cứu và phát triển công nghệ để nắm bắt xu hướng thế giới.

Dù có nhiều thách thức và cạnh tranh, nhưng sự đầu tư và cam kết vào lĩnh vực công nghệ cao sẽ giúp Việt Nam đứng vững trên bản đồ thế giới của ngành công nghiệp điện tử và sản xuất PCB/FPCB.

Hy vọng rằng thông tin trong bài viết này đã giúp bạn hiểu rõ hơn về ENIG và quy trình xử lý bề mặt các bo mạch điện tử, từ đó bạn có thể áp dụng và nâng cao chất lượng sản phẩm của mình.