Tại sao phải mạ niken trên lớp đồng rồi lại mạ lại một lớp phủ vàng tại điểm hàn PCB?
"Nickel" trong tiếng Anh là [Nickel], ký hiệu hóa học là [Ni]. "Nickel" được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật và công nghiệp nhờ có các đặc tính vật lý, cơ học và hóa học xuất sắc, cùng với trữ lượng quặng nickel dồi dào trên Trái đất. Nickel được ứng dụng để chống ăn mòn, tăng độ cứng, chống mài mòn và tăng từ tính. Chủ yếu, nickel được dùng trong các hợp kim như thép nickel, thép nickel-chrom, đồng-nickel (cupronickel) để tăng khả năng chống ăn mòn và oxy hóa, do đặc tính chống oxy hóa của nickel mà trước đây thường được sử dụng để chế tạo tiền tệ.
Tại sao nói nickel có khả năng chống oxy hóa tốt? Thực tế, "nickel" phản ứng rất mạnh với "oxy", nghĩa là nickel khi tiếp xúc với không khí dễ bị oxy hóa. Tuy nhiên, khi phản ứng với oxy, nickel tạo ra một lớp oxit rất mỏng (NiO, Ni(OH)2), giống như một lớp màng bảo vệ. Lớp màng này giúp ngăn cách nickel với không khí, ngăn ngừa sự oxy hóa tiếp tục. Vì vậy, khi để nickel tiếp xúc với môi trường không khí, nó sẽ tự tạo lớp oxit bảo vệ, ngăn cản sự oxy hóa tiếp theo, bảo vệ bản thân nickel và các kim loại bên dưới. Điều này cần được lưu ý khi sử dụng.
Quá trình hình thành lớp màng bảo vệ sau khi oxy hóa để ngăn ngừa oxy hóa tiếp theo được gọi là "thụ động hóa kim loại". Nghe có vẻ giống như việc nhộng tằm bao bọc mình bằng tơ nhỉ?
Vì vậy, "nickel" thường được mạ lên bề mặt kim loại khác để ngăn chặn vấn đề oxy hóa cho lớp kim loại bên dưới. Tuy nhiên, lớp mạ nickel phải đạt đến mức "không có lỗ khuyết tật (defect-free)" mới có thể bảo vệ hiệu quả. Trước đây, quy trình mạ nickel chưa phát triển, thường xuất hiện các lỗ nhỏ trên lớp mạ, khiến lớp kim loại bên dưới dễ bị oxy hóa. Hiện nay, công nghệ mạ nickel đã ngày càng tiến bộ, thường thêm chất bịt kín vào dung dịch mạ để giải quyết vấn đề lỗ rỗng.
Việc mạ nickel lên bề mặt kim loại không chỉ giúp ngăn ngừa oxy hóa mà còn tăng cường các tính chất cơ học sau:
- Độ bền kéo (tensile strength)
- Độ giãn dài (elongation)
- Độ cứng (hardness)
- Nội ứng suất (internal stress)
- Tính dễ vỡ do hydro (hydrogen embrittlement)
Ngoài ra, lớp mạ nickel còn có khả năng chống ăn mòn hóa học tốt, thường được ứng dụng trong các ngành công nghiệp hóa chất, dầu khí, thực phẩm và đồ uống để ngăn ngừa ăn mòn, ngăn ô nhiễm sản phẩm và giữ cho sản phẩm tự nhiên. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khi lớp màng bảo vệ oxit của nickel bị thâm nhập bởi dung dịch chloride sẽ xuất hiện hiện tượng ăn mòn kiểu lỗ kim. Lớp mạ nickel thường không có vấn đề trong dung dịch trung tính hoặc kiềm, nhưng sẽ bị ăn mòn khi tiếp xúc với phần lớn các khoáng chất.
Mục đích của mạ nickel lên các linh kiện điện tử hoặc bảng mạch là gì?
Trong mạch ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold), mạ "nickel" chủ yếu để ngăn chặn sự dịch chuyển và khuếch tán giữa đồng và vàng, đóng vai trò làm lớp "cản trở" và lớp bảo vệ chống ăn mòn, bảo vệ lớp đồng khỏi oxy hóa và ngăn suy giảm tính dẫn điện và khả năng hàn. Theo tiêu chuẩn IPC-4552, lớp mạ nickel trong ENIG nên có độ dày ít nhất là
/118µ" để đạt hiệu quả bảo vệ. Trong quá trình hàn hoặc SMT, lớp nickel sẽ kết hợp với thiếc trong kem hàn tạo ra hợp chất kim loại trung gian Ni3Sn4 (IMC - InterMetallic Compound). Tuy độ bền của IMC này không bằng Cu6Sn5 trong xử lý OSP, nhưng vẫn đáp ứng được nhu cầu của hầu hết các sản phẩm hiện nay.
Ngoài ra, các chân linh kiện điện tử thường dùng "đồng thau" thay vì "đồng nguyên chất" làm chất nền để đạt được độ bền cơ học nhất định. Nhưng do đồng thau chứa nhiều "kẽm" cản trở quá trình hàn, không thể mạ thiếc trực tiếp lên đồng thau mà phải mạ một lớp "nickel" trước để làm lớp cản, sau đó mới mạ thiếc để hoàn thành hàn.
Lưu ý: Không được mạ thiếc trực tiếp lên đồng thau vì đồng thau là hợp kim đồng-kẽm; nếu không, lớp đồng sẽ tách ra khi nóng chảy, gây hiện tượng hàn giả.
| Kim loại | Nhiệt độ nóng chảy (℃) | Độ dẻo dai | Tính dẻo | Tính dẫn điện |
|---|---|---|---|---|
| Kali (K) | 63.5 | Thấp | Cao | Khá cao |
| Natri (Na) | 97.8 | Thấp | Cao | Khá cao |
| Nhôm (Al) | 660.3 | Trung bình | Cao | Cao |
| Magie (Mg) | 650 | Thấp | Cao | Khá thấp |
| Canxi (Ca) | 842 | Trung bình | Cao | Khá thấp |
| Kẽm (Zn) | 419.5 | Trung bình | Cao | Khá thấp |
| Sắt (Fe) | 1538 | Trung bình | Trung bình | Trung bình |
| Đồng (Cu) | 1085 | Trung bình | Cao | Rất cao |
| Mangan (Mn) | 1244 | Cao | Trung bình | Khá thấp |
| Crom (Cr) | 1907 | Cao | Trung bình | Khá thấp |
| Cobalt (Co) | 1495 | Cao | Trung bình | Khá thấp |
| Niken (Ni) | 1455 | Cao | Trung bình | Khá thấp |
| Thiếc (Sn) | 231.9 | Thấp | Cao | Khá thấp |
| Chì (Pb) | 327.5 | Thấp | Cao | Khá thấp |
| Bạc (Ag) | 961.8 | Cao | Cao | Rất cao |
| Vàng (Au) | 1064 | Cao | Cao | Rất cao |
| Bạch kim (Pt) | 1768 | Cao | Trung bình | Khá thấp |
| Thủy ngân (Hg) | -38.83 | Thấp | Thấp | Khá thấp |
| Bari (Ba) | 727 | Trung bình | Cao | Khá thấp |
| Stronti (Sr) | 1382 | Trung bình | Cao | Khá thấp |
| Cesium (Cs) | 28.5 | Thấp | Cao | Khá cao |
| Rubidi (Rb) | 39 | Thấp | Cao | Khá cao |
| Berili (Be) | 1287 | Cao | Trung bình | Khá thấp |
Giải thích:
- Nhiệt độ nóng chảy: Nhiệt độ tại đó kim loại chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng, thường nhiệt độ nóng chảy càng cao, tính ổn định nhiệt của kim loại càng tốt.
- Độ dẻo dai: Mô tả khả năng kim loại chống lại sự vỡ dưới tác dụng của lực bên ngoài. Kim loại có độ dẻo dai tốt có thể hấp thụ nhiều năng lượng mà không bị gãy vỡ.
- Tính dẻo: Khả năng của kim loại bị kéo dài mà không bị đứt. Kim loại có tính dẻo cao dễ dàng kéo thành lá mỏng hoặc dây.
- Tính dẫn điện: Mức độ dẫn điện của kim loại, thường liên quan đến cấu trúc điện tử của kim loại, kim loại có tính dẫn điện cao thường được sử dụng trong các thiết bị điện như dây dẫn.
