Việc sử dụng các lớp vàng được mạ lên bề mặt niken là tiêu chuẩn trong nhiều ngành công nghiệp, từ các đầu nối cạnh của mô-đun bộ nhớ DRAM, đến các điểm tiếp xúc của đầu dò kiểm tra điện, cho đến các lớp kim loại trên chip bán dẫn công suất và các điểm hàn dây. Mặc dù vai trò của vàng trong mối hàn cuối cùng đã được hiểu rõ, tôi vẫn muốn tìm hiểu thêm về quy trình mạ vàng từ một chuyên gia trong ngành, vì vậy tôi đã có cơ hội trao đổi về vấn đề này với bà Lenora Toscano, Thạc sĩ Khoa học (MS), Giám đốc Sản phẩm Hoàn thiện Cuối cùng tại MacDermid.
Andy Mackie: Vàng đóng vai trò gì trong việc bảo vệ bề mặt trong các quy trình lắp ráp SMT và bán dẫn?
Lenora Toscano: Vàng không tạo thành oxit; nó bảo vệ niken khỏi quá trình oxy hóa hoặc thụ động hóa. Bề mặt niken sạch có khả năng hàn rất cao đối với hầu hết các loại chất hàn, nhưng lớp oxit trên bề mặt này rất khó loại bỏ bằng các loại chất trợ hàn tiêu chuẩn. Ngoài ra, vàng hòa tan gần như ngay lập tức vào hầu hết các loại chất hàn trong quá trình lắp ráp, từ đó giúp tăng cường khả năng thấm ướt vượt trội.
Andy Mackie:Có những tiêu chuẩn nào về độ dày của vàng đối với các ứng dụng lắp ráp thiết bị điện tử và bán dẫn khác nhau?
Lenora Toscano: Ứng dụng chính của lớp phủ ENIG (niken không điện phân/vàng ngâm) là trong công nghệ chip-on-board (COB), với độ dày điển hình của lớp vàng ngâm trên chất nền HDI là 3–5 micro-inch.
Các đầu nối cạnh thường yêu cầu sử dụng vàng cứng. Lớp mạ vàng bằng axit được sử dụng để tuân thủ tiêu chuẩn MIL-STD-275, trong đó quy định rằng vàng phải phù hợp với tiêu chuẩn MIL-G-45204, Loại II, Hạng 1. Độ dày phải nằm trong khoảng 50–100 micro-inch, độ dày thông thường là 30–50 micro-inch trên lớp niken dày 150 micro-inch.
Mặt khác, đối với các bề mặt có thể hàn, độ dày thông thường là 5–15 micro-inch trên lớp niken dày 150 micro-inch.
Đối với quá trình hàn dây, nói chung, lớp mạ vàng có độ dày tối thiểu 30 micro-inch trên lớp niken dày 200 micro-inch cho kết quả tốt. Vàng mềm thường được ưa chuộng hơn. Các quy trình sử dụng vàng mềm cũng được áp dụng cho các bảng mạch được thiết kế để gắn chip bán dẫn (die). Các đặc tính này tuân thủ các Loại I và III của tiêu chuẩn MIL-G-45204.
Andy Mackie:Sự khác biệt giữa các lớp vàng được tạo thành bằng phương pháp mạ vàng ngâm và phương pháp mạ vàng điện là gì?
Lenora Toscano: Có năm điểm khác biệt chính:
- Độ dày lớp mạ khác nhau. Mạ vàng ngâm là một phản ứng thay thế, trong đó vàng thay thế niken trên bề mặt, và quá trình này tự giới hạn khi bề mặt niken đã được phủ đầy bằng vàng ngâm. Các bể mạ thông thường không thể tạo ra độ dày vượt quá 10 micro-inch là bao, trong khi với phương pháp mạ điện, độ dày lớp mạ phụ thuộc vào cường độ dòng điện và thời gian mạ. Cường độ dòng điện càng cao hoặc thời gian mạ càng lâu thì lớp mạ vàng càng dày.
- Cấu trúc của các lớp mạ vàng là khác nhau. Vàng mạ điện có mật độ cao hơn so với lớp mạ ngâm tự nhiên có tính xốp.
- Độ cứng thường khác nhau. Vàng mạ điện thường có các kim loại khác được pha trộn vào lớp mạ, giúp lớp mạ trở nên cứng hơn.
- Độ xốp là khác nhau. Lớp mạ ngâm có độ xốp cao hơn so với lớp mạ điện; đó là đặc tính vốn có của hệ thống mạ.
- Thành phần lớp mạ (độ tinh khiết) thay đổi tùy theo các chất phụ gia trong bể mạ. Các bể mạ vàng ngâm chứa vàng là kim loại mạ duy nhất, trong khi các hệ thống mạ điện có thể chứa một lượng nhỏ các kim loại khác.
Andy Mackie: Lớp vàng phải dày bao nhiêu thì mới có thể bảo vệ hoàn toàn bề mặt bên dưới, và những nhược điểm nào sẽ phát sinh khi khách hàng cố gắng cắt giảm chi phí vàng?
Lenora Toscano: Theo tiêu chuẩn ENIG IPC-4552, 1,97 micro-inch là độ dày tối thiểu được khuyến nghị với độ lệch ±4 sigma so với giá trị trung bình, trong khi độ dày thông thường nằm trong khoảng 3 – 5 micro-inch.
Theo định nghĩa, lớp mạ vàng ngâm là một lớp có tính xốp. Lớp mạ này thực sự mang lại khả năng bảo vệ rất tốt cho lớp niken bên dưới, nhưng theo thời gian, tính xốp của lớp mạ sẽ dẫn đến quá trình thụ động hóa bề mặt niken và lực bám ướt sẽ giảm đi. Tất nhiên, quá trình này sẽ mất nhiều năm mới diễn ra, nhưng nếu lớp mạ vàng quá mỏng (dưới mức yêu cầu tối thiểu), hiện tượng này sẽ xảy ra sớm hơn và ảnh hưởng đến khả năng hàn.
Andy Mackie: Vàng có ưu điểm gì so với bạc hay các kim loại khác?
Lenora Toscano: Một lần nữa , vàng có khả năng chống xỉn màu và khả năng hàn tốt sau khi bảo quản vì nó không tạo thành oxit hay hydroxit, do đó không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và điều kiện bảo quản – những yếu tố có thể làm giảm thời hạn sử dụng của các lớp hoàn thiện khác. Vàng đáp ứng các yêu cầu về lắp ráp không chì (Pb-free) đồng thời cung cấp bề mặt đồng phẳng, vừa có thể hàn được vừa có thể kết nối bằng dây nhôm và dây vàng.
Vàng có độ dẫn điện tốt và tạo ra bề mặt tiếp xúc có điện trở thấp. Vàng mạ điện cũng là một chất chống ăn mòn tuyệt vời.
Bạc mạ điện không được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp mạch in. Trong một số điều kiện nhất định về điện thế và độ ẩm, bạc sẽ di chuyển dọc theo bề mặt lớp mạ và xuyên qua lớp cách điện, tạo ra các đường rò rỉ có điện trở thấp. Các bể xyanua kiềm dùng để mạ bạc có độc tính rất cao.
Bạc ngâm có thể gặp vấn đề nếu không được bảo quản và thậm chí đóng gói đúng cách. Các vật liệu đóng gói có chứa lưu huỳnh hoặc để bạc tiếp xúc với không khí sẽ dẫn đến hiện tượng xỉn màu bề mặt (do sự hình thành các hợp chất sunfua, sunfat và clorua). Mức độ ô nhiễm bề mặt cao có thể ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng hàn.
———
Lenora – xin chân thành cảm ơn bạn đã dành thời gian và chia sẻ kiến thức chuyên môn của mình với chúng tôi.
Chúc mừng! Andy
