Tổng quan

Mạ thiếc hóa học, thường được gọi là mạ thiếc ngâm, là một phương pháp hoàn thiện bề mặt được sử dụng trong công nghệ lắp ráp bề mặt (SMT) và đóng gói chip. Phương pháp này tạo ra một lớp thiếc kim loại trên bề mặt đồng thông qua phản ứng hóa học. Nó rất phù hợp cho các bảng mạch có mật độ cao và độ chính xác cao. Ngoài ra, nó còn thích hợp cho các đường mạch mảnh, các điểm tiếp xúc hẹp và các bảng mạch in (PCB) có khoảng cách chân cắm nhỏ. Phương pháp hoàn thiện này là một quy trình thân thiện với môi trường, có thể thay thế cho phương pháp mạ hợp kim chì-thiếc. Lớp thiếc mạ có cấu trúc tinh thể mịn, màu trắng bạc, bề mặt phẳng, khả năng hàn tốt và hiệu suất ổn định.

Nguyên lý của quá trình mạ thiếc hóa học là thay đổi tiềm năng hóa học của các ion đồng để các ion thiếc II trong bể mạ tham gia vào phản ứng thay thế. Kim loại thiếc bị khử sẽ lắng đọng trên bề mặt đồng để tạo thành một lớp thiếc. Các phức hợp kim loại bám vào bề mặt thiếc ngâm giúp xúc tác quá trình khử ion thiếc. Điều này giúp duy trì phản ứng khử và đảm bảo lớp thiếc phát triển đến độ dày cần thiết.

Các chức năng chính

1. Bảo vệ các đường dẫn đồng
   Quá trình mạ kẽm nhúng tạo ra một lớp kẽm trên các đường dẫn đồng. Lớp này bảo vệ đồng khỏi quá trình oxy hóa và ăn mòn. Nó giúp kéo dài tuổi thọ của bảng mạch in.

2. Nâng cao chất lượng hàn
   Lớp thiếc tạo điều kiện hàn tốt. Các mối hàn trở nên chắc chắn và đáng tin cậy hơn. Điều này giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của bảng mạch.

3. Nâng cao các tính chất điện
   Thiếc có thể cải thiện hiệu suất điện. Nó có thể làm giảm điện trở và trong một số trường hợp, giúp tăng điện dung và điện cảm. Điều này giúp mạch điện hoạt động hiệu quả hơn.

4. Tăng khả năng chống mài mòn
   Tin có khả năng chống mài mòn khá tốt. Nó bảo vệ bo mạch khỏi những hư hỏng do môi trường bên ngoài gây ra.

Các tình huống ứng dụng

Phương pháp mạ kẽm nhúng có chi phí thấp và dễ vận hành. Phương pháp này mang lại kết quả rõ ràng. Nó được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm điện tử có yêu cầu về chi phí thấp và cần hiệu suất hàn ở mức hợp lý. Phương pháp mạ kẽm nhúng cũng phù hợp với các trường hợp cần hiệu suất thân thiện với môi trường cao hơn. So với phương pháp mạ vàng nhúng, phương pháp mạ kẽm nhúng thân thiện với môi trường hơn trong nhiều trường hợp.

Sự khác biệt giữa mạ thiếc bằng phương pháp phun trên PCB và mạ thiếc hóa học (ngâm)

• Bình xịt (Làm phẳng mối hàn PCB bằng khí nóng thông qua phun) giá rẻ hơn một chút. Phương pháp này chỉ phun thiếc lên các miếng đệm.

• Kẽm hóa học (kẽm nhúng) phủ thiếc lên các vùng pad bằng phương pháp hóa học và bao gồm cả lớp đồng bề mặt. Phương pháp này sử dụng một lớp thiếc mỏng, thường từ 10–30 µm, chủ yếu để ngăn ngừa quá trình oxy hóa và cải thiện khả năng thấm hàn trong công nghệ SMT. Mục đích của nó tương tự như mạ vàng ngâm hoặc OSP. Công nghệ SMT yêu cầu bảng mạch phải được phủ thiếc.

• Bình xịt sử dụng các phương pháp vật lý để phun một lớp thiếc. Độ dày thường là 50–150 µm, tức là dày hơn. Đối với công nghệ SMT, không cần phải mạ thiếc thêm. Chỉ cần hàn các linh kiện bằng thiếc nóng chảy là đủ.

• Các tác phẩm này khác nhau. Kẽm hóa học sử dụng muối thiếc trong dung dịch có tính axit chứa thiếc. Bình xịt thường sử dụng hợp kim thiếc có chứa chì hoặc không chứa chì (thiếc nguyên chất không được sử dụng do điểm nóng chảy cao).

• Kẽm hóa học, còn được gọi là mạ thiếc ngâm, là một phương pháp xử lý bề mặt nhằm bảo vệ các điểm tiếp xúc, tương tự như OSP, mạ vàng ngâm và mạ bạc ngâm. Phương pháp này chủ yếu bảo vệ lớp đồng mỏng trên bề mặt tại các vị trí điểm tiếp xúc.

• Mạ thiếc (mạ thiếc) là quy trình được sử dụng tại các nhà máy sản xuất PCB trong quy trình hai lớp đồng. Quy trình này giúp bảo vệ các đường mạch và lỗ mạ xuyên trước khi ăn mòn. Sau khi ăn mòn, lớp thiếc bảo vệ sẽ được loại bỏ và quá trình sản xuất chuyển sang giai đoạn in lớp phủ chống hàn. Quy trình mạ thiếc không được áp dụng tại các nhà máy lắp ráp SMT.

Quy trình

Ghi chú quy trình

1. Làm sạch bằng axit và tẩy dầu mỡ / làm sạch lỗ
   GZ-2061 và GZ-2062 giúp loại bỏ bụi bẩn hữu cơ, vết tay và oxit đồng trên các vùng tiếp xúc và lỗ xuyên. Các sản phẩm này giúp tạo bề mặt đồng sạch sẽ để tiến hành mạ thiếc ngâm. Vật liệu sử dụng: GZ-2061 / GZ-2062.

2. Kích hoạt
   GZ-2066 giúp bảo vệ bể mạ thiếc tiếp theo. Sản phẩm này giúp giảm thiểu ô nhiễm và kéo dài tuổi thọ của bể. Vật liệu sử dụng: GZ-2066.

3. Mạ sơ bộ
   Quá trình mạ sơ bộ là phủ một lớp thiếc mỏng lên nền đồng trước khi tiến hành mạ thiếc ngâm. Điều này giúp đạt được bề mặt hoàn thiện đẹp và lớp thiếc dày đặc. Vật liệu sử dụng: GZ-2069.

4. Thau nhúng
   Phương pháp mạ thiếc ngâm có thể thay thế cho phương pháp phun thiếc. Phương pháp này phủ thiếc lên bề mặt đồng bằng cách thay thế. Khả năng hàn có thể duy trì trong hơn sáu tháng. Vật liệu sử dụng: GZ-2069.

Đặc điểm sản phẩm

Sau khi nhúng thiếc, các tấm mạch có bề mặt đẹp và được phủ một lớp thiếc đồng đều, dày đặc với độ bám dính cao. Độ dày thông thường là 0,8–1,2 µm. Lớp thiếc không xuất hiện các sợi râu hay tinh thể dạng nhánh.

Yêu cầu về thiết bị và vật liệu bồn chứa

Điều khiển quá trình

1. Khởi động bể (pha dung dịch)

2. Điều kiện vận hành

3. Quy định về việc bổ sung và thay thế bồn tắm

4. Điều kiện bảo quản

• GZ-2001, GZ-2002, GZ-2004: Tránh ánh nắng trực tiếp. Thời hạn sử dụng là hai năm. Bảo quản ở nhiệt độ từ -5℃ đến 40℃.

• GZ-2003: Bảo quản ở nhiệt độ từ 3°C đến 30°C.

5. Xử lý nước thải

• Xử lý chất thải trong bể chứa: trung hòa bằng axit rồi xả thải theo quy định về môi trường.

• Chất thải từ bể chứa có lỗ thông: trung hòa bằng axit rồi xả thải theo quy định.

• Chất thải từ bể kích hoạt: trung hòa rồi xả thải theo quy định.

• Chất thải từ bể ngâm thiếc: trung hòa bằng kiềm rồi xả thải theo quy định.

• Chất thải từ quá trình ăn mòn vi mô: thu hồi sunfat đồng bằng phương pháp điện phân tinh chế và tái kết tinh. Sau đó, trung hòa bằng kiềm và xả thải theo quy định.

Các phương pháp phân tích thuốc thử

1. H₂SO₄ trong bể ăn mòn vi mô

Dung dịch thử

1. Dung dịch chuẩn NaOH [nồng độ NaOH = 1 mol/L]

2. Chất chỉ thị methyl orange 0,1%

Các bước

1. Lấy 5 mL dung dịch trong bể chứa vào một bình côn 250 mL.

2. Thêm 50 mL nước cất và 2–5 giọt thuốc thử methyl orange.

3. Tiến hành chuẩn độ bằng NaOH (1 mol/L) cho đến khi màu chuyển từ đỏ sang vàng. Ghi lại thể tích V.

Tính toán
H₂SO₄ (mL/L) = 5,43 × c × V
c = nồng độ thực tế của NaOH (mol/L)
V = thể tích NaOH đã sử dụng (mL)

Thêm
H₂SO₄ (mL) = (giá trị cài đặt – giá trị phân tích) × thể tích bể (L)

2. SPS trong bể ăn mòn vi mô

Dung dịch thử

1. Dung dịch chuẩn natri thiosulfat [c(Na₂S₂O₃) = 0,1 mol/L]

2. Chất chỉ thị tinh bột 1%

3. KI

4. 20% H₂SO₄

Các bước

1. Lấy 2 mL dung dịch trong bể chứa vào một bình 250 mL.

2. Thêm 50 mL nước cất, 5 mL dung dịch H₂SO₄ 20%, 2 g KI, để trong bóng tối trong 20 phút.

3. Tiến hành chuẩn độ bằng Na₂S₂O₃ cho đến khi dung dịch chuyển sang màu vàng nhạt. Thêm vài giọt thuốc thử tinh bột.

4. Tiếp tục chuẩn độ cho đến khi dung dịch không còn màu. Ghi lại thể tích V.

Tính toán
SPS (g/L) = 60 × c × V

Thêm
Tổng lượng SPS (g) cần bổ sung = (giá trị cài đặt – giá trị phân tích) × thể tích bể (L)

3. Cu²⁺ trong bể ăn mòn vi mô

Dung dịch thử

1. Dung dịch chuẩn EDTA-2Na [c = 0,05 mol/L]

2. Dung dịch đệm amoniac-clorua amoni có pH = 10

3. Chỉ báo 0.1% PAN

Các bước

1. Lấy 1 mL dung dịch trong bể chứa vào một bình 250 mL.

2. Thêm 100 mL nước cất, 20 mL dung dịch đệm pH = 10, 5 giọt PAN.

3. Tiến hành chuẩn độ bằng EDTA-2Na cho đến khi dung dịch có màu xanh cỏ. Ghi lại thể tích V.

Tính toán
Cu²⁺ (g/L) = 63,5 × c × V

Phạm vi điều khiển: Cu²⁺ < 30 g/L

4. H₂SO₄ trong chất tẩy rửa / chất tẩy rửa lỗ xuyên

Tương tự như thử nghiệm ăn mòn vi mô bằng H₂SO₄. Phạm vi kiểm soát: 40–50 mL/L.

5. Lượng axit tương đương trong quá trình kích hoạt

Dung dịch thử: Dung dịch NaOH chuẩn 0,1 mol/L, chất chỉ thị bromophenol xanh 0,1%
Phương pháp: Lấy 5 mL mẫu, thêm 150 mL nước cất và chất chỉ thị, tiến hành chuẩn độ bằng NaOH 0,1 mol/L cho đến khi dung dịch chuyển sang màu xanh.
Tính toán: Tương đương axit = 0,02 × V. Phạm vi kiểm soát: 0,1–0,2 N.

Phân tích bể ngâm thiếc

1. Phân tích tương đương axit

Dung dịch thử: NaOH 1 mol/L, 0,11 ml thuốc thử phenolphthalein
Phương pháp: Lấy 2 mL mẫu, thêm 100 mL nước cất và chất chỉ thị, tiến hành chuẩn độ bằng NaOH cho đến khi dung dịch chuyển từ không màu sang màu đỏ. Ghi lại thể tích V.
Tính toán: Lượng axit tương đương = 0,5 × nồng độ × thể tích.

2. Phân tích nội dung tin tức

Dung dịch thử: EDTA-2Na 0,05 mol/L, chất chỉ thị dimethylphenol orange (pha trộn 100 mg dimethylphenol orange với 10 g KNO₃), dung dịch đệm axetat pH 4,5.
Phương pháp: Lấy 5 mL mẫu, thêm 25 mL dung dịch đệm pH 4,5 và 100 mL nước cất. Khuấy đều và thêm khoảng 50 mg chất chỉ thị. Tiến hành chuẩn độ bằng EDTA-2Na cho đến khi màu chuyển từ hồng sang vàng. Ghi lại thể tích V.
Tính toán: Sn (g/L) = 24 × c × V.

3. Cu²⁺ trong bể thiếc ngâm

Cùng phương pháp EDTA như trên. Đối chứng Cu²⁺: sử dụng công thức Cu²⁺ (g/L) = 63,5 × c × V.

Kiểm soát chất lượng

Xác định độ dày tấm bằng phương pháp cân

1. Lấy một tấm ván đồng hai mặt kích thước 5 × 5 cm² không có lỗ. Nướng ở nhiệt độ 120℃ trong 15 phút. Để nguội trong 15 phút. Cân chính xác = W1.

2. Sau khi tẩy dầu mỡ và ăn mòn vi mô, nung ở 120℃ trong 15 phút. Để nguội trong 15 phút. Trọng lượng = W2.

3. Sau khi nhúng thiếc, nướng ở nhiệt độ 120°C trong 15 phút. Để nguội trong 15 phút. Trọng lượng = W3.

4. Độ dày vết ăn mòn vi mô (µm) = 22,42 × (W1 – W2).

5. Độ dày lớp thiếc ngâm (µm) = 386,13 × (W3 – W2).

Trong đó W1 = khối lượng trước khi xử lý ăn mòn vi mô (g)
W2 = khối lượng sau khi xử lý ăn mòn vi mô (g)
W3 = khối lượng sau khi mạ thiếc (g)
22,42 và 386,13 là các hệ số chuyển đổi.

Lưu ý đặc biệt

1. Sử dụng phương pháp cân hoặc chụp X-quang để đo độ dày lớp thiếc. Duy trì độ dày trong khoảng 0,8–1,2 µm để đảm bảo khả năng hàn và thời hạn bảo quản.

2. Trước khi in lớp phủ chống hàn, cần làm nhám bề mặt đồng bằng quy trình mài thô và sử dụng mực in chất lượng cao dành cho lớp phủ chống hàn. Điều này đảm bảo lớp phủ chống hàn có thể chịu được tác động của hóa chất mạ thiếc ngâm.

Khắc phục sự cố và các biện pháp xử lý

• Vấn đề: Độ dày tấm quá mỏng

  • Nguyên nhân có thể 1: Nhiệt độ bể quá thấp.

    • Cách khắc phục: Kiểm tra bộ gia nhiệt. Đảm bảo nhiệt độ nằm trong phạm vi quy trình trước khi mạ bảng mạch.

  • Nguyên nhân có thể 2: Độ axit trong bể quá cao.

    • Cách khắc phục: Thêm nước tinh khiết để điều chỉnh độ axit.

  • Nguyên nhân có thể 3: Hàm lượng thiếc thấp.

    • Giải pháp: Thêm GZ-2069-B để tăng nồng độ thiếc.

  • Nguyên nhân có thể 4: Tốc độ ăn mòn vi mô thấp.

    • Giải pháp: Tăng tốc độ ăn mòn vi mô trong phạm vi quy trình.

• Vấn đề: Bề mặt thiếc bị sẫm màu

  • Nguyên nhân có thể 1: Hệ thống lọc bể kém.

    • Cách khắc phục: Kiểm tra hệ thống lọc. Thay thế bộ lọc. Lọc ở nhiệt độ 40°C trong 2–4 giờ.

  • Nguyên nhân có thể 2: Độ axit trong bể quá cao.

    • Cách khắc phục: Thêm nước tinh khiết để điều chỉnh độ axit.

  • Nguyên nhân có thể 3: Tốc độ khắc vi mô quá thấp.

    • Biện pháp khắc phục: Kiểm tra nồng độ H₂SO₄, Na₂S₂O₈ và Cu²⁺ trong dung dịch ăn mòn vi mô. Duy trì các chỉ số này ở mức bình thường.

  • Nguyên nhân có thể 4: Không rửa sạch sau khi mạ thiếc.

    • Giải pháp: Tăng cường quá trình xả hoặc thay thế bể xả.

• Vấn đề: Màu thiếc không đồng đều

  • Nguyên nhân có thể 1: Độ đặc của bể quá cao.

    • Cách khắc phục: Pha loãng dung dịch và tiến hành phân tích.

  • Nguyên nhân có thể 2: Tốc độ khắc vi mô quá thấp.

    • Phương pháp khắc phục: Kiểm tra phản ứng ăn mòn vi mô với H₂SO₄, Na₂S₂O₈, Cu²⁺.

  • Nguyên nhân có thể 3: Ô nhiễm trong bể mạ sơ bộ hoặc bể nhúng thiếc.

    • Giải pháp: Thay thế tấm lót hoặc bể nhúng thiếc.

  • Nguyên nhân có thể 4: Bề mặt đồng có vấn đề.

    • Cách khắc phục: Làm sạch bề mặt đồng.

• Vấn đề: Khả năng hàn kém

  • Nguyên nhân có thể 1: Nồng độ Cu²⁺ trong bể chứa thiếc quá cao.

    • Cách khắc phục: Thay dung dịch ngâm thiếc.

  • Nguyên nhân có thể 2: Không rửa sạch sau khi mạ thiếc.

    • Giải pháp: Tăng cường quá trình xả hoặc thay thế bể xả.

  • Nguyên nhân có thể 3: Bị nhiễm bẩn trong quá trình sấy khô bằng không khí.

    • Cách khắc phục: Vệ sinh khoang sấy và quạt thổi.