ENIG là viết tắt của Electroless Nickel Immersion Gold. Người ta cũng gọi nó là mạ niken hóa học và mạ vàng. Đây là một loại lớp phủ bề mặt được sử dụng trên bảng mạch in (PCB). Người ta thường viết tắt nó là ENIG hoặc gọi nó là bảng mạch mạ vàng hóa học. Ngày nay, nhiều... Bo mạch in (PCBA) Các bo mạch bên trong điện thoại di động sử dụng ENIG. Một số BGA Bo mạch chủ cũng sử dụng ENIG.

So với mạ điện nickel-vàng, ENIG không cần nguồn điện trên bảng mạch trong quá trình mạ. Nó cũng không cần dây dẫn đến từng pad để mạ nickel và vàng. Vì quy trình đơn giản hơn, các nhà sản xuất có thể sản xuất nhiều bảng mạch nhanh chóng. Kết quả là năng suất cao hơn và chi phí thấp hơn.

Quy trình sản xuất ENIG

Dưới đây là hai quy trình sản xuất phổ biến. Quy trình đầu tiên là quy trình ENIG thông thường. Quy trình thứ hai là quy trình mạ vàng dày cho các pad cần lượng vàng nhiều hơn.

Quy trình ENIG điển hình:
Làm sạch sơ bộ ngang → Tải bảng mạch → Tẩy dầu mỡ (loại bỏ dầu) → Rửa bằng nước (x2) → Ăn mòn vi mô → Rửa bằng nước (x2) → Làm sạch bằng axit → Rửa bằng nước tinh khiết (x2) → Ngâm trước → Kích hoạt → Rửa bằng nước tinh khiết (x3) → Điện phân niken hóa học (Ni/P) → Rửa bằng nước tinh khiết (x2) → Điện phân vàng → Phục hồi → Rửa bằng nước tinh khiết (x2) → Xả → Rửa bảng mạch → Kiểm tra bảng mạch

Dòng chảy vàng dày:
Làm sạch sơ bộ ngang → Tải bảng mạch → Tẩy dầu mỡ → Rửa bằng nước (x2) → Ăn mòn vi mô → Rửa bằng nước (x2) → Làm sạch bằng axit → Rửa bằng nước tinh khiết (x2) → Ngâm trước → Kích hoạt → Rửa bằng nước tinh khiết (x3) → Đóng lớp niken hóa học (Ni/P) → Rửa bằng nước tinh khiết (x2) → Ngâm trước cho vàng → Đóng lớp vàng dày → Phục hồi → Rửa bằng nước tinh khiết (x2) → Xả ra → Rửa bảng mạch → Kiểm tra bảng mạch

Giải thích các bước chính — đơn giản

Xử lý trước: Mục tiêu là chà hoặc phun cát đồng để loại bỏ oxit. Quá trình này cũng làm nhám bề mặt đồng. Việc làm nhám giúp niken và vàng bám dính tốt hơn sau này.

Micro-etch: Sử dụng natri peroxysulfat hoặc axit sunfuric để loại bỏ lớp oxit trên đồng. Micro-etch cũng giúp giảm các vết xước sâu do chải. Các vết chải sâu có thể giúp quá trình mạ vàng ngâm ăn mòn lớp niken sau này.

Kích hoạt: Đồng không thể tự mình khởi động quá trình lắng đọng niken hóa học. Vì vậy, trước tiên chúng ta phủ một lớp palladium (Pd) mỏng lên bề mặt đồng. Palladium đóng vai trò là chất xúc tác cho quá trình lắng đọng niken. Quá trình hóa học này dựa trên thực tế rằng đồng hoạt động mạnh hơn palladium. Các ion palladium bị khử thành kim loại palladium và bám dính vào bề mặt đồng.

Niken hóa học (Ni/P): Đây là lớp phủ niken-phốt pho. Chức năng chính của nó là ngăn chặn sự di chuyển và khuếch tán giữa đồng và vàng. Nó cũng phản ứng với hàn trong quá trình hàn để tạo thành các hợp chất kim loại (IMC). Nói cách khác, lớp niken ngăn chặn đồng di chuyển vào hàn và giúp hàn bám dính.

Vàng nhúng: Vàng bảo vệ niken khỏi quá trình oxy hóa. Vàng không phản ứng trong quá trình hàn. Quá nhiều vàng có thể làm giảm độ bền của mối hàn. Vì vậy, lớp vàng chỉ cần phủ đủ để ngăn chặn quá trình oxy hóa. Nếu bạn thực hiện hàn dây trên bảng mạch (COB), bạn cần một lớp vàng dày hơn. Đối với hầu hết các pad bề mặt, một lớp mỏng khoảng 0,05 µm (2 µ”) hoặc mỏng hơn là phổ biến. Lớp mỏng này dễ kiểm soát và giảm chi phí so với mạ điện niken-vàng.

Tại sao vàng ENIG mỏng và rủi ro

Vì lớp vàng ENIG rất mỏng, nó chỉ bảo vệ niken khỏi không khí và ăn mòn. Nếu lớp vàng không đủ dày, niken sẽ tiếp xúc với không khí và bị ăn mòn. Hoặc lớp vàng có thể bị ăn mòn quá mức bởi dung dịch vàng axit. Cả hai trường hợp đều có thể gây ra “niken đen” hoặc “lớp đệm đen”. Lớp vàng có thể vẫn trông sáng bóng bằng mắt thường. Vì vậy, kiểm tra bằng mắt thường không đáng tin cậy. Rất quan trọng phải kiểm tra chất lượng PCB ENIG trước khi lắp ráp.

Niken đen — cách hình thành và tại sao nó có hại

Chất lượng lớp niken phụ thuộc vào công thức dung dịch niken và kiểm soát nhiệt độ trong quá trình lắng đọng hóa học. Bước mạ vàng ngâm cũng ảnh hưởng đến kết quả. Quá trình niken hóa học sử dụng hypophosphite (natri hypophosphite) và muối niken trong phản ứng tự xúc tác. Lớp lắng đọng chứa một lượng phốt pho (P). Các nghiên cứu cho thấy hàm lượng phốt pho bình thường trong lớp mạ niken nên nằm trong khoảng 7% đến 10%. Nếu dung dịch không được duy trì tốt hoặc kiểm soát nhiệt độ thất bại, hàm lượng phốt pho sẽ nằm ngoài phạm vi này.

Nếu hàm lượng phốt pho quá thấp, lớp niken dễ bị ăn mòn. Quá trình ăn mòn này thường bắt đầu từ bể vàng axit tấn công lớp niken. Nếu hàm lượng phốt pho quá cao, lớp phủ trở nên cứng. Điều này làm giảm khả năng hàn. Nó cũng ảnh hưởng đến việc hình thành các mối hàn đáng tin cậy.

Nếu lớp mạ niken có hàm lượng phốt pho thấp và quá trình mạ vàng ngâm không được thực hiện đúng cách, lớp vàng có thể bị nứt nhiều. Trong quá trình làm sạch sau này, dung dịch mạ vàng axit có thể khó loại bỏ. Niken bị lộ ra sẽ bị ăn mòn nhanh hơn trong không khí. Điều này dẫn đến niken đen, còn gọi là niken đen. Niken đen gây ra các mối hàn kém chất lượng.

Khi nickel đen hình thành, lớp vàng trên bề mặt bảng mạch có thể vẫn trông sáng bóng và vàng. Do đó, người ta có thể nghĩ rằng pad vẫn ổn. Trong quá trình hàn ở nhiệt độ cao, lớp vàng tan chảy nhanh chóng vào hỗn hợp hàn. Nickel bị ăn mòn không thể phản ứng với hợp kim hàn nóng chảy để tạo thành hợp chất kim loại (IMC). Điều này làm giảm độ tin cậy của mối hàn. Các mối hàn sau đó dễ bị nứt dưới tác động của lực bên ngoài nhỏ.

Lớp giàu phốt pho — quá trình hình thành và tác hại

Trong ENIG, kim loại hợp kim với hàn là niken. Hợp chất intermetallic (IMC) điển hình là Ni3Sn4. Phốt pho trong niken không tham gia vào hợp chất kim loại. Tuy nhiên, phốt pho có mặt trong lớp phủ niken và được phân bố đều. Khi niken phản ứng và hình thành IMC, phốt pho còn lại tập trung lại. Nó tập trung ở mép của IMC và hình thành một lớp giàu phốt pho.

Nếu lớp giàu phốt pho quá dày, độ bền của nó sẽ thấp. Khi mối hàn chịu lực, điểm yếu nhất sẽ bị gãy trước tiên. Thường thì lớp giàu phốt pho chính là điểm yếu đó. Sau đó, độ tin cậy của mối hàn sẽ giảm.

Tình trạng này trở nên nghiêm trọng hơn trong các quy trình hàn không chì ở nhiệt độ cao. Nếu kiểm soát quy trình kém, lớp IMC sẽ dày lên. Lớp IMC dày hơn đồng nghĩa với việc còn lại nhiều phốt pho hơn. Do đó, lớp giàu phốt pho sẽ phát triển. Kết quả là nguy cơ hỏng mối hàn tăng cao. Lớp giàu phốt pho có thể được nhận thấy dưới dạng một dải màu tối giữa lớp IMC và lớp niken. Phân tích phổ tia X tán xạ năng lượng (EDS) cho thấy dải này có hàm lượng phốt pho rất cao. Nhiều trường hợp hỏng hóc cho thấy lớp giàu phốt pho gây ra nứt mối hàn.

Cách ngăn ngừa lớp niken đen và lớp giàu phốt pho

Cả lớp niken đen và lớp giàu phốt pho đều là các khuyết tật ẩn. Các kiểm tra thị giác thông thường có thể bỏ qua chúng. Tuy nhiên, nếu chúng ta hiểu rõ nguyên nhân gây ra chúng, chúng ta có thể áp dụng các biện pháp kiểm soát hiệu quả để ngăn chặn chúng.

Đối với niken đen:

• Bảo dưỡng bể mạ niken và duy trì nhiệt độ ổn định. Điều này giúp duy trì tỷ lệ niken-phốt pho trong phạm vi đúng.

• Giữ cho dung dịch vàng có tính axit. Nếu dung dịch vàng quá ăn mòn, hãy điều chỉnh kịp thời.

• Kiểm soát quá trình tiền xử lý một cách cẩn thận. Tránh tạo ra các vết cọ sâu. Loại bỏ các tạp chất một cách triệt để.

• Kiểm soát quá trình kích hoạt và rửa để đảm bảo việc phủ palladium đều và lớp nickel được lắng đọng tốt.

• Kiểm soát thời gian ngâm vàng để vàng không bị nứt.

Đối với người dùng và người mua, hãy kiểm tra chất lượng ENIG trước khi lắp ráp. Có một số phương pháp:

1. Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát bề mặt miếng đệm. Kiểm tra xem vàng có vết nứt hay không. Sử dụng EDS để đo tỷ lệ phốt pho trong niken. Điều này cung cấp một hình ảnh vi mô rõ ràng.

2. Kiểm tra hàn tay. Hàn tay các pad tiêu chuẩn, sau đó đo độ bền kéo hoặc độ bền cắt của mối hàn. Nếu độ bền kéo thấp hơn nhiều so với bình thường, có thể có niken đen. Kiểm tra này đơn giản và nhanh chóng.

3. Thử nghiệm ăn mòn khí axit. Tiếp xúc các mẫu ENIG với khí axit. Nếu xuất hiện bột hoặc bề mặt bị đổi màu, điều đó có nghĩa là lớp vàng đã bị nứt. Điều này cho thấy có thể là niken đen.

Trong số các phương pháp này, phương pháp thứ hai là tiện lợi và nhanh chóng nhất. Nó rất đơn giản để thực hiện. Với các kiểm tra này, bạn có thể phát hiện các vấn đề trước khi lắp ráp. Điều này giúp giảm số lượng bo mạch bị hỏng sau này và giảm thiểu tổn thất.

Kiểm soát lớp giàu phốt pho

Để giảm lớp giàu phốt pho, hãy duy trì tỷ lệ niken-phốt pho trong phạm vi thích hợp trong lớp lắng đọng. Đồng thời kiểm soát quá trình hàn. Kiểm soát thời gian hàn và nhiệt độ hàn. Mục tiêu là duy trì độ dày lớp IMC gần phạm vi tối ưu khoảng 1–2 micromet (µm). Nếu lớp IMC trở nên quá dày, phốt pho sẽ tập trung nhiều hơn. Điều này làm cho lớp giàu phốt pho trở nên nghiêm trọng hơn.

Tóm lại, việc bảo dưỡng bể hàn tốt, kiểm soát nhiệt độ và các thông số hàn chính xác là yếu tố quan trọng. Các bước này giúp lớp IMC mỏng và lớp giàu phốt pho nhỏ. Nhờ đó, độ tin cậy của mối hàn được duy trì ở mức cao.

Tóm tắt — những điểm chính

• ENIG là quá trình mạ niken không điện phân tiếp theo là mạ vàng ngâm. Phương pháp này thường được sử dụng trong bảng mạch in (PCBA) của điện thoại di động và một số bộ phận chứa BGA.

• ENIG rẻ hơn và đơn giản hơn so với mạ điện niken-vàng vì không cần mạ điện hoặc dây dẫn pad.

• Các bước chính bao gồm tiền xử lý, mài mòn vi mô, kích hoạt bằng palladium, mạ niken hóa học (Ni/P) và mạ vàng ngâm. Ngoài ra còn có phiên bản mạ vàng dày cho các yêu cầu đặc biệt.

• Niken hóa học ngăn chặn sự di chuyển của đồng-vàng và giúp hình thành lớp mạ hàn IMC. Vàng ngâm bảo vệ niken khỏi quá trình oxy hóa. Vàng có độ dày mỏng và chỉ cần bảo vệ niken. Lượng vàng quá nhiều sẽ làm giảm độ bền của lớp mạ hàn. Đối với hàn dây (COB), sử dụng lớp vàng dày hơn.

• Niken đen (lớp niken đen) xảy ra khi niken có hàm lượng phốt pho không đúng hoặc khi lớp vàng bị nứt. Niken đen có thể ẩn dưới lớp vàng sáng bóng. Nó gây ra hàn kém và nứt.

• Các lớp giàu phốt pho hình thành gần biên giới IMC khi niken chứa phốt pho. Lớp IMC dày và kiểm soát quá trình kém làm tình trạng này trở nên nghiêm trọng hơn. Lớp giàu phốt pho làm giảm độ bền của mối hàn và gây nứt.

• Để tránh các vấn đề, hãy duy trì bể niken và bể vàng trong tình trạng tốt, kiểm soát nhiệt độ, tránh các vết cọ sâu và kiểm soát hình dạng của lớp hàn.

• Để kiểm tra chất lượng, hãy sử dụng SEM/EDS, thử nghiệm kéo hàn thủ công hoặc thử nghiệm ăn mòn bằng khí axit. Thử nghiệm kéo hàn thủ công là phương pháp nhanh nhất và đơn giản nhất.

• Giữ độ dày lớp IMC ở mức 1–2 µm trong các quy trình không chứa chì để giảm nguy cơ hỏng lớp giàu phốt pho.