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

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

Trong thế giới ngày nay, mạch điện tử đã trở thành một phần quan trọng của cuộc sống và công nghiệp, xuất hiện trong mọi thiết bị từ điện thoại di động đến máy tính, từ ô tô thông minh đến các thiết bị y tế tiên tiến. Để đảm bảo hiệu suất ổn định và độ bền của các mạch điện tử này, việc xử lý bề mặt của bo mạch PCB và bo mạch in linh hoạt (FPCB) là vô cùng quan trọng. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá ENIG là gì và quy trình xử lý bề mặt này đóng vai trò quan trọng như thế nào trong sản xuất các bo mạch điện tử.

ENIG là gì?

ENIG, viết tắt của “Electroless Nickel – Immersion Gold,” là một quy trình quan trọng trong sản xuất bo mạch điện tử, thường được thực hiện ở giai đoạn cuối trước khi gắn các linh kiện lên bo mạch. Quy trình này áp dụng cho hai loại bo mạch chính: PCB (Printed Circuit Board – Bảng mạch in) và FPCB (Flexible Printed Circuit Board – Bảng mạch in linh hoạt).

  1. Mạch PCB: Đây là loại bo mạch cứng, thường được sử dụng trong mainboard máy tính, bảng mạch điện thoại, mạch điều khiển xe hơi, ti vi, robot và nhiều ứng dụng khác.

  2. Mạch FPCB: Loại bo mạch dẻo này được sử dụng để truyền tín hiệu giữa các thiết bị, chẳng hạn như cáp nối màn hình và mainboard trong điện thoại, máy tính bảng, các cánh tay robot và các thiết bị tương tự.

Mạch PCB và FPCB

Quy trình ENIG gồm hai bước chính:

Bước 1: Electroless Nickel (Mạ hóa học nickel): Trong bước này, bo mạch điện tử được mạ một lớp nickel bằng phản ứng hóa học, không cần sử dụng điện trở. Lớp nickel này giúp cải thiện độ bám và độ bền của lớp vàng sau này.

Bước 2: Immersion Gold (Nhúng vàng): Sau khi mạ lớp nickel, bo mạch được đưa vào dung dịch chứa ion vàng (Au+) để tạo ra lớp vàng phủ trên bề mặt nickel. Quá trình này là một phản ứng trao đổi ion, dẫn đến việc hình thành lớp vàng trên bề mặt nickel.

Mặc dù các bo mạch điện tử thường có màu vàng, nhưng đây là vàng thật và không phải là vàng giả. Tuy nhiên, lớp vàng này rất mỏng, thường chỉ có độ dày từ 0.05 đến 0.07 micromet, do đó việc thu hồi vàng từ phế thải bo mạch điện tử thường không hiệu quả, do lượng vàng thu được rất nhỏ.

Tổng quan về một số phương pháp xử lý bề mặt các mạch điện tử:

Quy trình sản xuất mạch PCB và FPCB chia sẻ nhiều đặc điểm tương đồng, với sự khác biệt chính nằm ở vật liệu cơ bản (một loại cứng và một loại dẻo). PCB thường sử dụng nền là các loại nhựa chịu nhiệt, chẳng hạn như nhựa acrylic, polyesters hoặc vinyl esters. Còn FPCB thường sử dụng nhựa dẻo như polyimide (PI film). Trong quá khứ, tấm nền thường phải trải qua quá trình hoạt hóa, sau đó tiến hành mạ hóa học và mạ điện đồng để tạo ra nền đồng mềm, có khả năng dẫn điện tốt và bám dính tốt với nền. Tuy nhiên, hiện nay, các tấm đồng mỏng thường được dán trực tiếp lên nền bằng các loại keo kết dính. Các bước trong quy trình thường được thực hiện bởi các công ty có chuyên môn cao trong lĩnh vực này. Tuy nhiên, cơ bản, các bước này bao gồm dập lỗ, mạ điện đồng xuyên tâm, dán lớp phủ bảo vệ, lộ quang, etsing mạch, tách bỏ lớp phủ, dán tấm phủ bảo vệ, mạ hóa học Ni và mạ nhúng Au.

ENIG (Electroless Nickel – Immersion Gold) là một trong những phương pháp xử lý bề mặt phổ biến cho cả mạch PCB và FPCB. Ngoài ENIG, còn có các phương pháp khác như ENIAg (Electroless Nickel – Immersion Silver), Immersion Tin, ENEPIG (Electroless Nickel – Electroless Palladium – Immersion Gold), OSP (Organic Solderability Preservative) hoặc HAL (Hot Air Leveling).

Vào năm 2014, thị trường PCB cơ bản đạt khoảng 60.2 tỷ đô la và được dự đoán sẽ tăng lên khoảng 79 tỷ đô la vào năm 2024. Mặc dù có ít công ty sản xuất PCB/FPCB tại Việt Nam, nhưng chúng ta tin rằng có nhiều chuyên gia và kỹ sư Việt Nam đang làm việc trong các công ty nước ngoài liên quan đến PCB/FPCB. Vì vậy, bài viết này mong muốn cung cấp thông tin về các khía cạnh kỹ thuật bên trong quy trình ENIG, để giúp những người làm việc trong ngành PCB/FPCB tại Việt Nam có thêm kiến thức và hỗ trợ cho việc thương mại hóa các loại hóa chất phục vụ ngành này tại Việt Nam.

Nikel hóa nhúng vàng (Electroless nickel – Immersion gold: ENIG)

Electroless nickel – Immersion gold (ENIG) là một quy trình quan trọng trong xử lý bề mặt các bo mạch điện tử. Để hiểu rõ hơn về ENIG, chúng ta cần tìm hiểu về lý do tại sao nó được sử dụng và các bước quan trọng trong quy trình này.

Các bo mạch điện tử thường sử dụng đồng làm chất dẫn điện chính do đồng có giá thành thấp hơn so với nickel và có khả năng dẫn điện tốt hơn nhiều lần. Điều này làm cho kích thước của các mạch đồng nhỏ hơn, giảm nhiệt độ tỏa ra và giảm tổn thất năng lượng truyền dẫn. Tuy nhiên, trong môi trường ngày càng phát triển của công nghệ 5G, các yêu cầu truyền tải dung lượng cao đòi hỏi sự tinh khiết của lớp đồng cần phải cao hơn và ít khi sử dụng nickel. Nickel, mặt khác, được sử dụng như một lớp phủ bề mặt cho lớp đồng để bảo vệ khỏi ăn mòn và ngăn lớp đồng bám dính vào bề mặt khác có thể tạo ra lớp oxi hóa màu đen và làm giảm khả năng dẫn điện của nó.

Tuy nhiên, một vấn đề lớn với lớp mạ hóa Ni-P là lớp oxide trên bề mặt, gây ra khả năng kém trong việc hàn các linh kiện lên bề mặt nickel. Vì vậy, có hai giải pháp được đưa ra. Thứ nhất là sử dụng mạ hóa lớp nickel tinh khiết thay vì nickel-phosphorus, và thay vì sử dụng NaH2PO2, ta sử dụng hydrazine (N2H4) làm chất khử. Thứ hai là sử dụng mạ hóa Ni-B thay vì Ni-P, dùng DMAB làm chất khử để cải thiện khả năng hàn. Điều này giúp giải quyết vấn đề về khả năng hàn yếu và khả năng tiếp xúc điện kém của lớp nickel-phosphorus.

Về cơ bản, quy trình ENIG cho các bo mạch PCB/FPCB bao gồm nhiều bước quan trọng như làm sạch, etsing nhẹ, etsing bổ sung, hoạt hoá, xử lý sau etching, mạ hóa học nickel, mạ nhúng vàng, và cuối cùng là niêm phong. Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào những bước quan trọng nhất như hoạt hoá, mạ hóa học nickel, mạ nhúng vàng và niêm phong để hiểu rõ hơn về quy trình ENIG và vai trò quan trọng của nó trong sản xuất 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.

Ảnh SEM chụp mẫu ENIG có nhiều black pads sau khi tách bỏ lớp gold

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%.

Ảnh SEM chụp mặt cắt đứng của mẫu ENIG có và không có black pads

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.

Rate this post

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *