Quy trình mạ xuyên lớp mạch in- Mạ đồng

MỤC LỤC CÔNG TÁC AN TOÀN TRONG QUÁ TRÌNH XI MẠ ĐỒNG.……………...24 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………….……….…25 PHẦN A: GIỚI THIỆU Công ty TNHH Kim Sơn được thành lập năm 2005, vốn điều lệ 1 678 300 000 VND (~ 99,000 USD) là công ty chuyên sản xuất PCB và các loại phím bấm. Công ty có hệ thống máy khoan và máy kiểm chạy bằng chương trình Gerber. Trụ sở chính: 17/1B Nguyen Thi Minh Khai Street, Ben Nghe Ward, District 1, Hochiminh city. Chi nhánh: 61 Lương Văn Can, quận 8, TP HCM. Email: kimsonpcb@yahoo.com Telephone: +84 (8) 38296605 Fax: +84 (8) 38247291 Giám đốc: Võ Thị Xuân Tước Nhân sự công ty: 20 người. PHẦN B: NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ CỦA MẠ ĐỒNG: MẠ ĐIỆN MẠ ĐIỆN Kỹ thuật mạ điện hay kỹ thuật Galvano (lấy theo tên nhà khoa học Ý Luigi Galvani), là tên gọi của quá trình điện hóa phủ lớp kim loại lên bề mặt một vật. Trong quá trình mạ điện, vật cần mạ được gắn với cực âm catôt, kim loại mạ gắn với cực dương anôt của nguồn điện trong dung dịch điện môi. Cực dương của nguồn điện sẽ hút các electron e- trong quá trình ôxi hóa và giải phóng các ion kim loại dương, dưới tác dụng lực tĩnh điện các ion dương này sẽ di chuyển về cực âm, tại đây chúng nhận lại e- trong quá trình ôxi hóa khử hình thành lớp kim loại bám trên bề mặt của vật được mạ. Độ dày của lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện của nguồn và thời gian mạ. Mạ điện là một công nghệ điện phân. Quá trình tổng quát là: -Trên anot xảy ra quá trình hòa tan kim loại anot : M – ne → Mn+ -Trên catot xảy ra quá trình cation phóng điện trở thành kim loại mạ : Mn+ + ne → M Mọi yếu tố làm tăng phân cực catot đều cho lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, và ngược lại.  Ứng dụng của mạ điện là tạo độ dẫn điện tốt và tạo vẻ đẹp cho vật cần mạ. Một trong những ứng dụng quan trọng thành công của mạ điện là mạ đồng qua lỗ khoan. MẠ ĐỒNG Dựa trên cơ sở của mạ điện, người ta đưa ra phương pháp mạ đồng xuyên qua lỗ khoan mạch in nhiều lớp để tạo đường dẫn cho dòng điện, như vậy, mạch in cần phải mạ đồng là mạch in nhiều lớp (từ 2 lớp trở lên). Mục đích của công đoạn nảy: là các lỗ khoan mạch in nhều lớp được hoàn toàn thông mạch, tức là Cu sẽ bám hoàn toàn trong lỗ khoanà mạch đạt yêu cầu dẫn điện hoàn toàn. Trong bể mạ đồng, dung dịch điện giải là dd CuSO4 , cực anot là Cu nguyên chất, còn catot là mạch in cần mạ, suy rộng ra, ta có thể mạ Cu cho 1 vật khác khi đặt chúng vào catot. Quá trình điện phân trong bể mạ diễn ra như sau: tại cực dương(anot): Cu → Cu2+ + 2e- Cu2+ + SO42- → CuSO4 CuSO4 dễ tan trong dung dịch tại cực âm(catot): CuSO4 → Cu2+ + SO42- Cu2+ + 2e- → Cu Như vậy, sau một thời gian trong bể mạ, cực dương sẽ bị mòn đi và cực âm sẽ bám Cu nguyên chất, làm liền mạch trong lỗ khoan mạch in nhiều lớp. Chương 2: CÁC HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ MÁY MÓC SỬ DỤNG CÁC HÓA CHẤT SỬ DỤNG Bảng 2.1 Các hóa chất và tỉ lệ pha. STT TÊN THÀNH PHẦN TỈ LỆ 1 Xút ng.chất NaOH-H2O 1kg- 3l 2 Muối đồng CuSO4- EDTA- H2O 0.5kg- 0.3kg- 20l 3 Rượu Rượu-HNO3-H2O ng.chất 0.005kg- 0.015l- 20l 4 Sữa Sữa-HCl-H2O 0.03kg- 0.12l- 2l 5 HF HF-H2O 0.5l- 4.5l 6 HCl HCl-H2O 0.5l- 0.45l 7 Miro-etch H2SO4-H2O2-H2O 1l- 0.7l- 10l THIẾT BỊ MÁY MÓC SỬ DỤNG 2.2.1 Máy tẩy khô: là máy dùng tẩy khô cơ bản các lỗ via khi mới khoan xong. Máy sẽ làm sạch cơ bản bề mặt của PCB mới khoan, làm sạch cơ bản các lỗ via mới khoan. Hình 2.1. Máy tẩy khô Mở máy: Bật công tắc nguồn On cho chạy giấy nhám trước nhằm điều chỉnh nhám vào giữa khung quay chà, tránh hư giấy nhám. Tắt/mở băng truyền Tắt nguồn khẩn cấp Chỉnh vận tốc băng truyền Bật công tắc rulo. Công tắc tắt máy Công tắc mở máy Chỉnh tốc độ băng truyền(nhanh hay chậm ) cho phù hợp. Tắt máy: làm ngược lại, hoặc tắt khẩn cấp. 2.2.2 Máy tẩy nước: là máy chà thô trước khi mạ, có nước tạo tĩnh điện trước khi mạ. Làm sạch bề mặt mạch trước khi cho vào bể mạ đồng. Mở máy: Bật khóa nước Bật công tắc rulo. Bật công tắc băng truyền. Chỉnh tốc độ băng truyền cho phù hợp. Hình 2.2 Máy đánh thô Tắt máy: làm ngược lại, hoặc tắt khẩn cấp. 2.2.3 Máy rung và xử lý mùi: là máy có bộ phận motor rung 3 phút 1 lần giúp việc mạ xuyên lớp đều, nhanh và chắc chắn hơn. Bên trên có quạt hút và đèn tím xử lý mùi. Mở máy: Mở công tắc nguồn Chỉnh thời gian nghỉ. Chỉnh thời gian motor rung. Tắt máy: tắt cầu dao tổng 2.2.4 Máy mạ đồng, bể mạ, bể điện phân Là máy DC có dòng khoảng 200A, có chứa dd Cu2+, Cu nguyên chất trong 1 bể bằng nhựa đặc biệt không bị ăn mòn. Hình 2.3 Bể đồng Mở máy: Mở máy bằng cầu dao điều khiển tổng, cho máy trộn có sục khí chạy trước khoảng 30 phút. Nhìn đồng hồ dòng và áp, thấy các thông số thay đổi trong khoảng ~5A; ~0.5V là được. Khi kẹp các tấm PCB để cho vào bể, điều chỉnh dòng và áp cho phù hợp (theo diện tích mạch). Tắt máy: Chương 3: QUY TRÌNH THI CÔNG MẠ ĐỒNG Kiểm tra PCB mới khoan xong: Khi nhận PCB từ phòng Khoan CNC và khoan tay xuống, ta phải tiến hành: Kiềm tra PCB còn lưỡi gãy không, hay có dính vật lạ có thể làm hư giấy nhám khi đưa vào máy tẩy khô. Loại mỏng 2 lớp. Ở đây là độ dày 0.16 mm. Kiểm tra loại PCB là loại 2mm, 1.6mm ,1mm hay 0.5mm. Hình 3.1 Tấm PCB mỏng 0.5mm Kiểm tra loại PCB là mạch sợi thủy tinh 2 lớp(FR4), sợi thường 2 lớp(FR1) hay là loại mỏng 2 lớp(làm bàn phím touchpad) . Kiểm tra số lượng PCB có đúng như trên phiếu hay không. Ghi vào sổ theo dõi chi tiết, để tiện cho việc kiểm tra và giám sát sau này. Sợi thường: Sợi thủy tinh: Hình 3.2 Sợi thủy tinh và sợi thường Sổ theo dõi được liệt kê như sau: MÃ K.H SỐ LƯỢNG KÍCH THƯỚC TRƯỚC MẠ SAU MẠ Ví dụ: Hình 3.3 Phiếu ghi công đoạn Tẩy khô- chà nhám Mục đích của việc làm này là gia công cơ học trên bề mặt PCB , giúp tấm PCB có bề mặt nhẵn bóng, giúp cho lớp mạ bám chắc, đẹp và loại đi 1 số bám bẩn đơn giản. Tất cả các loại PCB có độ dày ≥ 1 mm đều được đưa qua máy tẩy khô, dưới 1mm không đưa qua máy này, phải chà nhám bằng tay, nguyên nhân là các PCB này không đủ độ dày cho khe hở rulo của máy chà. Bật máy cho chạy nhám trước tiên, cân chỉnh sao cho giấy nhám ở trung tâm khung quay, tránh cho giấy nhám trượt ra 2 bên cạnh, dễ bị rách giấy nhám. Bật công tắc băng truyền, chỉnh khe hở rulo sao cho thích hợp. Đưa tấm PCB lần lượt vào máy theo chiều dọc để diện tích đánh bóng được đều và nhiều. Hết 1 loạt mặt dưới, lật tấm PCB tiếp tục đánh bóng mặt còn lại. Chú ý là do máy đánh bóng sẽ làm mòn đi 1 lớp Cu trên PCB nên chỉ đánh bóng 1 lượt (gồm 2 mặt) duy nhất. Những tấm PCB có độ dày < 1mm được dùng giấy nhám mịn(độ mịn 240) đánh bóng bằng tay, chú ý cẩn thận nếu không sẽ làm rách các PCB mỏng này Yêu cầu của đánh bóng là bề mặt PCB sáng bóng đều, loại được các bám bẩn bề mặt. Vệ sinh PCB mới đánh bóng xong Mục đích của công đoạn này là hoàn thiện việc làm sạch PCB trước khi đi vào công đoạn gia công hóa học. Hình 3.4 Tấm PCB đã đánh thô xong Qua máy tẩy khô, bể mặt 1 số PCB vẫn chưa sáng bóng đều, dùng nhám mịn đánh bóng tới khi đạt yêu cầu. Sau khi bề mặt các PCB đã sáng đều, dùng đầu hơi xịt qua các via để làm sạch via. Nếu còn các bám bẩn xịt chưa hết cần dùng mũi kim nhỏ đâm xuyên qua via để làm sạch chúng. Yêu cầu PCB sau khi qua công đoạn này đảm bảo các via sạch hoàn toàn, các bám bẩn có thể thấy bằng mắt thường được làm sạch. Gia công hóa học Do trong các via là nhựa polymer, chúng không dẫn điện, nên ta phải tạo 1 lớp dẫn điện (gọi là tĩnh điện). Mục đích của công đoạn này là tạo tĩnh điện bề mặt trong via và bề mặt PCB , làm sạch hoàn toàn PCB , đảm bảo yêu cầu tấm PCB có độ bám dính tốt, các lỗ via dễ dàng được mạ. Sau công đoạn này, sự xâm thực sẽ làm nhám bề mặt, trên bề mặt polymer trong lỗ via sẽ xuất hiện những lỗ nhỏ, mắt thường không nhìn thấy được.Chính những lỗ nhỏ này mà Cu bám được trong lỗ via. Chính vì yêu cầu của công đoạn này mà đây là 1 công đoạn phức tạp, tỉ mỉ , đòi hỏi sự tập trung của người thi công. Trước khi bắt đầu thi công, bắt buộc phải mang găng tay chuyên dụng, bảo hộ lao động chuyên dụng, việc này có 2 tác dụng: Găng tay tránh tiếp xúc trực tiếp hóa chất Tránh tiếp xúc trực tiếp vào bề mặt PCB , sẽ làm PCB không còn sạch nữa, các chất bẩn có thể là dấu vân tay, dầu tay, các bụi bẩn ở tay… Tẩy gỉ dùng H2SO4 đđ: Bề mặt PCB nền thường phủ một lớp oxit dày, gọi là gỉ. Tẩy gỉ hóa học cho kim loại đen thường dùng axit loãng H2SO4 hay HCl hoặc hỗn hợp của chúng. Tẩy gỉ cho Cu thường dùng H2SO4 đặc, HNO3, và/hoặc HCl. Khi tẩy có khí NO, NO2 thoát ra, rất độc nên cần có bảo hộ an toàn. Các bước tẩy gỉ: Lấy 1 thau thật sạch(thường đã qua hóa chất ăn mòn để làm sạch trước đó). Đổ H2SO4 đđ ra thau, tùy vào số lượng PCB , sao cho vừa đủ, kinh nghiệm cho thấy với khoảng 200ml cho diện tích PCB 0.4m2. Cho từng PCB vào thau , lật mặt cho H2SO4 bám đều hết lên PCB. Lấy từng PCB ra, bỏ vào thau nước sạch bên cạnh đã chuẩn bị trước. Khi đã tẩy hết các PCB , đưa chúng lần lượt qua thau nước, rồi lắc đều thau nước trong thời gian < 1 phút. Kết thúc tẩy gỉ là rửa các tấm PCB qua 5 lần nước sạch. Chú ý là trong khi đưa PCB qua các thau, luôn phải gõ tấm PCB cho văng axit hoặc nước trong via ra. Mỗi lần thực hiện không quá 3 tấm PCB . Tẩy xút NaOH loãng Công đoạn này có 2 tác dụng: Trung hòa axit cỏn dư sau 3.4.1. Bề mặt kim loại sau nhiều công đoạn sản xuất cơ khí, thường dính dầu mỡ, dù rất mỏng cũng đủ để làm cho bề mặt trở nên kị nước, không tiếp xúc được với dung dịch tẩy, dung dịch mạ… Có thể tiến hành tẩy dầu mỡ bằng các cách sau: Tẩy trong dung môi hữu cơ như tricloetylen C2HCl3, tetracloetylen C2Cl4, cacbontetraclorua CCl4… chúng có đặc điểm là hòa tan tốt nhiều loại chất béo, không ăn mòn kim loại, không bắt lửa. Tuy nhiên, sau khi dung môi bay hơi, trên bề mặt kim loại vẫn còn dính lại lớp màng dầu mỡ rất mỏng => không sạch, cẩn phải tẩy tiếp trong dung dịch kiềm. Tẩy trong dung dịch kiềm NaOH, với các chất hữu cơ có nguồn gốc động thực vật sẽ tham gia phản ứng xà phòng hóa với NaOH và bị tách ra khỏi bề mặt. Các bước tiến hành: Pha dd NaOH-H2O theo tỉ lệ 1-10, ví dụ 0.2l NaOH-2l H2O, số lượng tùy số lượng PCB . Cho từng PCB vào dd này, tới khi hết PCB thì trở mặt 1 lần rồi ngâm trong khoảng 3-5 phút. Lấy từng PCB ra sau khoảng thời gian quy định, đưa qua thau nước sạnh đã chuẩn bị sẵn. Rửa 5 lần nước sạch, chú ý là trong khi đưa PCB qua các thau, luôn phải gõ tấm PCB, cho văng hết hóa chất trong các lỗ via. Rửa qua dd Micro-etch (H2SO4-H2O2-H2O) Tên của hóa chất và thành phần của nó nói lên rằng nó là 1 chất oxy hóa mạnh, mục đích để xâm thực một phần nhất định lỗ via (etching= xâm thực). Các tấm PCB sợi thường được bắt đầu từ công đoạn này. Các bước thi công: Pha dd theo tỉ lệ như bảng 2.1, số lượng tùy diện tích PCB Đưa từng PCB vào thau đựng dd này,sau khi đưa hết PCB vảo thì lật từng PCB 1 lượt. Lấy các PCB ra cho vào thau nước đã chuẩn bị sẵn bên cạnh, rửa nước như các bước 3.4.2 và 3.4.1. Trung hòa bằng HCl/HF Sau khi xâm thực, PCB được rửa và qua dung dịch trung hoà. Dung dịch trung hoà này nhằm hạn chế dung dịch xâm thực tấn công vật mạ và gá. Thậm chí khi rửa rất tốt, hiện tượng ngừng mạ có thể xảy ra và gây ra hiện tượng “rỉ” chất xâm thực trong các công đoạn tiếp theo. Các tấm PCB loại mỏng được bắt đầu từ công đoạn này, do tính chất cấu tạo của nó. Các bước thi công: Pha dd axit như trong bảng 2.1 Đưa từng PCB vào dd này và làm lần lượt cho tới khi hết PCB. Sau khi các tấm PCB đã được ngâm hết, trở đều khoảng 3 lần, rồi lắc đều. Đưa ra rửa bằng nước sạch như các bước 3.4.1… Hoạt hóa Sau khi trung hoà và rửa, một số loại nhựa (ví dụ polypropylen hay polyphenylen oxit) đòi hỏi công đoạn hoạt hoá. Chất hoạt hoá có tác dụng tạo ra một màng nhũ để chất mạ hóa học có khả năng bám được trên bề mặt trong trường hợp xâm thực không đủ khả năng tạo chân bám chắc cho mạ điện. Các bước thi công: Lắc sữa: Pha dd như bảng 2.1. Đưa từng PCB vào dd sao cho hết diện tích thau thì thôi, thường dùng thau 60cm×30cm,không đặt chồng các tấm PCB như các bước khác. Dung dịch sữa phải đủ về lượng để các PCB ngâm chìm hoàn toàn trong thau. Ngâm các tấm PCB như thế trong khoảng 2-3 phút. Lấy ra từng tấm Hình 3.5 Tấm PCB trong thau sữa PCB rửa sạch cho sang công đoạn lắc rượu. Lắc rượu: Rượu pha tỉ lệ như trong bảng 2.1 tùy diện tích mạch. Cho từng tấm PCB vào thau chứa dd này theo cách như lắc sữa. Ngâm trong khoảng 2-3 phút rồi lật mặt các PCB lắc 1 lần, cứ thế cho tới khi các via chuyển sẫm màu. Hình 3.6 Tấm PCB sau khi lắc rượu Mạ hóa học Mạ hoá học: Mạ hóa học nhằm tạo độ dẫn đầu tiên cho các quá trình mạ điện tiếp theo. Vì vậy độ dày lớp mạ hóa học thường chỉ cần cỡ mm, có thể là các lớp mạ đồng hoặc niken. Viêc lựa chọn Ni hay Cu làm lớp lót thường được cân nhắc trong từng trường hợp cụ thể. Trong trường hợp này, chỉ xét mạ Cu. Mạ Cu có ưu điểm là tạo độ dẫn tốt, độ dẻo lớp mạ đảm bảo, nhưng vận hành bể lại phức tạp và tính ổn định của bể không cao. Trong khi đó bể Ni rẻ, vận hành dễ hơn, nhưng lớp mạ Ni có độ dẫn thấp, trong nhiều trường hợp vẫn đòi hỏi phải mạ thêm lớp đồng tăng cường để đảm bảo độ dẻo, độ bám dính của lớp mạ. Các bước thi công: Dd mạ là CuSO4-NaOH đđ-HCHO(formol)theo tỉ lệ 1l-0.08l-0.03l . Cho từng tấm PCB vào thau tiêu chuẩn để ngâm. Chú ý không chồng các tấm PCB lên nhau. Hình 3.7 Tấm PCB chuẩn bị mạ hóa học Đưa các thau chứa này lên máy rung và xử lý mùi,rung để cho các via được thấm đều,xử lý mùi do chất formol (HCHO) có mùi khó chịu. Hình 3.8 Tấm PCB trong thau mạ hóa học, trên giàn rung Ngâm các PCB trong vòng 45 phút, cứ 10 phút ta trở đều bề mặt PCB một lượt cho các lỗ via được xâm thực đều. Sau 45 phút,lấy các tấm PCB ra đưa qua máy đánh bóng có nước, đánh cho tới khi bề mặt các tấm PCB bóng sạch. Sau khi đánh bóng xong, đưa các tấm PCB ngâm trong nước sạch để bảo vệ bề mặt via và bề mặt PCB không bị ảnh hưởng bởi môi trường, hóa chất chuẩn bị đưa vào bể mạ Cu. Mạ điện hóa-mạ Cu Đây là công đoạn cuối cùng hoàn tất việc mạ xuyên lỗ via. Các tấm PCB sau khi qua các công đoạn phức tạp được kẹp vào các cực catot của bể mạ. Các bước thi công: Trước khi đưa các tấm PCB vào bể, cần 1 thời gian chạy bể trước là 30 phút để các hóa chất cũng như dd điện phân sẵn sàng làm việc. Kẹp các tấm PCB vào cây kẹp bằng Cu. Chỉnh dòng điện, điện áp cho thích hợp theo tổng diện tích PCB . tỉ lệ để cân chỉnh là 160-165A, DC 4.3-4.9V, cho diện tích 0.5m2. Cây kẹp bằng Cu  Hình 3.9 Tấm PCB ngay trước khi vào bể mạ Yêu cầu sau khi qua bể đồng, các PCB phải được mạ xuyên lỗ hoàn toàn, chỉnh thời gian , dòng điện và điện thế sao cho lớp mạ không quá dày, quá mỏng gây khó khăn cho công đoạn ăn mòn hóa học sau này. Để kiểm tra xem các lỗ via đã được mạ Cu chưa, ta có thể dùng mắt thường với các lỗ có đường kính lớn, hoặc dùng kính lúp cho các lỗ có đường kính nhỏ, cách thức kiểm tra là dựa vào sự phản xạ ánh sáng của kim loại Cu(tính ánh kim). Các lỗ khoan sáng đỏ màu Cuà PCB có chất lượng tốt. Hình 3.10 Tấm PCB sau khi mạ xong Quá trình thi công mạ đồng tới đây là hết, sau đó các PCB được đưa vào phòng chụp film và qua hàng loạt các công đoạn khác để cho ra 1 sàn phẩm hoàn chỉnh giao cho khách hảng như hình dưới. Hình 3.11 Tấm PCB thành phẩm, giao cho khách hàng CÔNG TÁC AN TOÀN TRONG QUÁ TRÌNH XI MẠ ĐỒNG Khi làm việc với các hóa chất như axit, kiềm hay các hóa chất khác trong quá trình xi mạ đồng, phải mang đầy đủ các trang thiết bị bảo hộ như găng tay, giầy, kính. Đồng thời, khi xử lý với axit phải ở nơi thoáng gió hay có quạt hút và không được hút thuốc trong quá trình làm việc. TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Minh Hoàng. Mạ điện. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2001. Trần Minh Hoàng, Nguyễn Văn Thanh, Lê Đức Tri. Sổ tay Mạ điện. NXB khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2002. Trương Ngọc Liên. Điện hóa lý thuyết. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2000. Mạ điện Mạ kim loại lên nhựa.