Ứng dụng của mạ Niken hóa học
Theo thông tin từ trang , ở nước Mỹ hiện nay có khoảng 1000 phân xưởng mạ EN, trong đó 27 % ứng dụng trong công nghiệp xe hơi, 19 % cho công nghiệp dầu/hoá chất và khoảng 14 % ứng dụng cho công nghiệp điện tử.
Ở Việt Nam, theo như thầy @Nguyen Nhi Tru thì EN được triển khai từ cuối những năm 70 trong các xí nghiệp dân sự và quốc phòng, nhưng do khó khăn về hóa chất và sự kém ổn định về bể mạ, nên bị đứt quãng trong quá trình phát triển. Đây cũng là một điều đáng tiếc bởi nếu liên tục được phát triển tới bây giờ thì có lẽ EN của Việt Nam đã thuộc hàng top của thế giới, Việt Nam có thể mang công nghệ bán ra nước ngoài chứ không phải chờ đợi việc các công ty nước ngoài mang công nghệ tới và sử dụng trong các quy trình của nhà máy của họ. Tới bây giờ, người Việt Nam mới đang dần học được một số ứng dụng, cách vận hành cũng như giải quyết một số vấn đề có thể gặp phải khi vận hành bể mạ EN.
Theo em quan sát, những ứng dụng và quy mô sử dụng EN hiện nay ở Việt Nam mới chỉ là phần rất nhỏ trong khả năng đáp ứng của các giải pháp mạ EN. Vì bể mạ EN có thành phần phức tạp hơn rất nhiều so với các bể mạ điện Ni, Cu, Zn hay các bể dung dịch anode hóa, vì vậy các công ty bên Việt Nam vẫn chưa phát triển và làm chủ được dung dịch hay thương mại hóa thành công, nhất là với tiêu chí về mặt ổn định và chất lượng lớp mạ. Do đó, các dung dịch mạ hóa EN hiện nay ở VN vẫn phải nhập hàng từ nước ngoài về để sử dụng.
Về mặt lý thuyết mà nói, để pha chế một dung dịch mạ EN rất đơn giản, chỉ cần nhìn công thức thì gần như ai cũng có thể pha chế được và có thể mạ được. Nhưng để bể mạ ổn định và chất lượng tốt thì là vấn đề khác hoàn toàn. Ngay cả ở Hàn, nhiều công ty có bề dày lịch sử nhưng vẫn chưa làm chủ được hệ chất ổn định sử dụng cho bể mạ EN, khi mà phần lớn các ngành công nghiệp ngày nay yêu cầu bể mạ không được sử dụng các kim loại nặng (Pb, Hg, Cd...).
Ở Việt Nam, theo như thầy @Nguyen Nhi Tru thì EN được triển khai từ cuối những năm 70 trong các xí nghiệp dân sự và quốc phòng, nhưng do khó khăn về hóa chất và sự kém ổn định về bể mạ, nên bị đứt quãng trong quá trình phát triển. Đây cũng là một điều đáng tiếc bởi nếu liên tục được phát triển tới bây giờ thì có lẽ EN của Việt Nam đã thuộc hàng top của thế giới, Việt Nam có thể mang công nghệ bán ra nước ngoài chứ không phải chờ đợi việc các công ty nước ngoài mang công nghệ tới và sử dụng trong các quy trình của nhà máy của họ. Tới bây giờ, người Việt Nam mới đang dần học được một số ứng dụng, cách vận hành cũng như giải quyết một số vấn đề có thể gặp phải khi vận hành bể mạ EN.
Theo em quan sát, những ứng dụng và quy mô sử dụng EN hiện nay ở Việt Nam mới chỉ là phần rất nhỏ trong khả năng đáp ứng của các giải pháp mạ EN. Vì bể mạ EN có thành phần phức tạp hơn rất nhiều so với các bể mạ điện Ni, Cu, Zn hay các bể dung dịch anode hóa, vì vậy các công ty bên Việt Nam vẫn chưa phát triển và làm chủ được dung dịch hay thương mại hóa thành công, nhất là với tiêu chí về mặt ổn định và chất lượng lớp mạ. Do đó, các dung dịch mạ hóa EN hiện nay ở VN vẫn phải nhập hàng từ nước ngoài về để sử dụng.
Về mặt lý thuyết mà nói, để pha chế một dung dịch mạ EN rất đơn giản, chỉ cần nhìn công thức thì gần như ai cũng có thể pha chế được và có thể mạ được. Nhưng để bể mạ ổn định và chất lượng tốt thì là vấn đề khác hoàn toàn. Ngay cả ở Hàn, nhiều công ty có bề dày lịch sử nhưng vẫn chưa làm chủ được hệ chất ổn định sử dụng cho bể mạ EN, khi mà phần lớn các ngành công nghiệp ngày nay yêu cầu bể mạ không được sử dụng các kim loại nặng (Pb, Hg, Cd...).
Vậy, lớp mạ EN có những ứng dụng gì?
Mặc dù EN đã phát triển được khoảng 60 năm, nhưng cho tới nay, nhiều phiên bản khác nhau của EN vẫn tiếp tục được phát triển hướng tới nhiều giải pháp ứng dụng hơn, an toàn cho người sử dụng và thân thiện với môi trường. EN là giải pháp vô cùng hữu dụng cho rất nhiều ngành kỹ thuật công nghiệp, kể từ các ngành truyền thống như cơ khí, gia công đơn giản cho tới các ngành hiện đại như mạ bảo vệ chips, bảng mạch điện tử. Vì vậy, có tới hàng chục loại dung dịch EN khác nhau đã được phát triển, phổ biến nhất là EN cho lớp mạ chứa phospho, sử dụng chất khử là NaH2PO2 với các dải P từ 1~14%. Lớp mạ NiP có độ cứng tốt, sau xử lý nhiệt có thể ngang với các lớp mạ crom, có những lớp mạ có khả năng chống chịu ăn mòn sánh ngang được với SUS 304. Để có độ cứng cao hơn, có thể mạ hoá NiB (sử dụng DMAB hoặc NaBH4 làm chất khử), hoặc NiP kết hợp cùng các hạt như kim cương, SiC, Al2O3, TiO2… Mạ phức hợp NiP-PTFE để tăng khả năng mài mòn, mạ hợp kim NiP-Fe làm bộ nhớ điện tử, đĩa từ, hay mạ các loại hợp kim NiP-Co, NiP-W... Xét về tính ứng dụng, một cách gần chính xác có thể chia mạ hóa nickel thành các ứng dụng sau (ảnh được tham khảo từ ):
Mặc dù EN đã phát triển được khoảng 60 năm, nhưng cho tới nay, nhiều phiên bản khác nhau của EN vẫn tiếp tục được phát triển hướng tới nhiều giải pháp ứng dụng hơn, an toàn cho người sử dụng và thân thiện với môi trường. EN là giải pháp vô cùng hữu dụng cho rất nhiều ngành kỹ thuật công nghiệp, kể từ các ngành truyền thống như cơ khí, gia công đơn giản cho tới các ngành hiện đại như mạ bảo vệ chips, bảng mạch điện tử. Vì vậy, có tới hàng chục loại dung dịch EN khác nhau đã được phát triển, phổ biến nhất là EN cho lớp mạ chứa phospho, sử dụng chất khử là NaH2PO2 với các dải P từ 1~14%. Lớp mạ NiP có độ cứng tốt, sau xử lý nhiệt có thể ngang với các lớp mạ crom, có những lớp mạ có khả năng chống chịu ăn mòn sánh ngang được với SUS 304. Để có độ cứng cao hơn, có thể mạ hoá NiB (sử dụng DMAB hoặc NaBH4 làm chất khử), hoặc NiP kết hợp cùng các hạt như kim cương, SiC, Al2O3, TiO2… Mạ phức hợp NiP-PTFE để tăng khả năng mài mòn, mạ hợp kim NiP-Fe làm bộ nhớ điện tử, đĩa từ, hay mạ các loại hợp kim NiP-Co, NiP-W... Xét về tính ứng dụng, một cách gần chính xác có thể chia mạ hóa nickel thành các ứng dụng sau (ảnh được tham khảo từ ):
Các ứng dụng cơ bản tạo lớp phủ chống ăn mòn cho vật liệu (~30%)
Nhìn chung, chỉ cần nhìn thấy thấy việc “chống ăn mòn cho vật liệu” là đã xuất hiện cả kho ứng dụng. Các chi tiết cơ khí truyền thống làm từ các vật liệu khác nhau như sắt, nhôm, đồng tới nền nhựa, tới các chi tiết điện tử như chips, bảng mạch, chân tiếp xúc... đều yêu cầu những lớp phủ chống ăn mòn. EN là một giải pháp tuyệt vời với các tiêu chí: hiệu quả, rẻ, dễ dàng và phổ biến. Khả năng chống ăn mòn của EN cho thép carbon có thể so sánh được với SUS 304. Tại thời điểm tháng 5 năm 2019, giá thép carbon là 687 $/tấn trong khi giá SUS 304 là 2476 $/tấn (). Mặt khác, thép carbon dễ dàng gia công cơ khí hơn so với SUS 304 nên sẽ giảm được nhiều chi phí sản xuất. Anh chị em có thể tham khảo bài viết so sánh ăn mòn giữa Electroless coated carbon steel vs. stainless steel ở link sau: . Vì vậy, đối với các chi tiết cơ khí, linh kiện trong xe hơi thì sử dụng nền thép carbon kết hợp EN là giải pháp thay thế hữu hiệu cho SUS 304.
Nhìn chung, chỉ cần nhìn thấy thấy việc “chống ăn mòn cho vật liệu” là đã xuất hiện cả kho ứng dụng. Các chi tiết cơ khí truyền thống làm từ các vật liệu khác nhau như sắt, nhôm, đồng tới nền nhựa, tới các chi tiết điện tử như chips, bảng mạch, chân tiếp xúc... đều yêu cầu những lớp phủ chống ăn mòn. EN là một giải pháp tuyệt vời với các tiêu chí: hiệu quả, rẻ, dễ dàng và phổ biến. Khả năng chống ăn mòn của EN cho thép carbon có thể so sánh được với SUS 304. Tại thời điểm tháng 5 năm 2019, giá thép carbon là 687 $/tấn trong khi giá SUS 304 là 2476 $/tấn (). Mặt khác, thép carbon dễ dàng gia công cơ khí hơn so với SUS 304 nên sẽ giảm được nhiều chi phí sản xuất. Anh chị em có thể tham khảo bài viết so sánh ăn mòn giữa Electroless coated carbon steel vs. stainless steel ở link sau: . Vì vậy, đối với các chi tiết cơ khí, linh kiện trong xe hơi thì sử dụng nền thép carbon kết hợp EN là giải pháp thay thế hữu hiệu cho SUS 304.
Nhôm cũng là một loại nền thường xuyên sử dụng EN làm lớp phủ chống ăn mòn và/hoặc để tăng độ cứng bề mặt. Quy trình mạ trên nền nhôm, về cơ bản như sau:
Al alloys --> cleaning --> Etching --> Desmuting --> Zincating (có thể dùng 2 lần zincating) --> Electroless nickel (một số mẫu yêu cầu mạ tới 3 lớp EN nickel: 1 lớp ở Medium P, một lớp Low P và ngoài cùng là lớp Ni-PTFE).
Một số mẫu nhôm khác, sau bước EN, có thể tiến hành các lớp mạ điện như Cu, Ni, Cr… giống như quy trình mạ trên nền nhựa, POP.
Al alloys --> cleaning --> Etching --> Desmuting --> Zincating (có thể dùng 2 lần zincating) --> Electroless nickel (một số mẫu yêu cầu mạ tới 3 lớp EN nickel: 1 lớp ở Medium P, một lớp Low P và ngoài cùng là lớp Ni-PTFE).
Một số mẫu nhôm khác, sau bước EN, có thể tiến hành các lớp mạ điện như Cu, Ni, Cr… giống như quy trình mạ trên nền nhựa, POP.
Ứng dụng làm lớp phủ cứng chống mài mòn (wear resistance, ~25%)
Lớp mạ EN có độ cứng tốt, có khả năng chống chịu tốt đối với các loại mài mòn, kể cả sau khi mạ lẫn sau khi xử lý nhiệt. EN có độ cứng trung bình khoảng 600-700 HV, một số dung dịch có thể cho độ cứng cao hơn, và đạt tới hơn 1100 HV sau khi xử lý nhiệt. Vì vậy, ứng dụng để mạ lên các chi tiết chuyển động, các thiết bị cắt gọt, các đĩa mài đính hạt kim cương... Trong nhiều trường hợp, là giải pháp thay thế lớp mạ crom cứng.
Lớp mạ EN có độ cứng tốt, có khả năng chống chịu tốt đối với các loại mài mòn, kể cả sau khi mạ lẫn sau khi xử lý nhiệt. EN có độ cứng trung bình khoảng 600-700 HV, một số dung dịch có thể cho độ cứng cao hơn, và đạt tới hơn 1100 HV sau khi xử lý nhiệt. Vì vậy, ứng dụng để mạ lên các chi tiết chuyển động, các thiết bị cắt gọt, các đĩa mài đính hạt kim cương... Trong nhiều trường hợp, là giải pháp thay thế lớp mạ crom cứng.
Ứng dụng mạ cho các linh kiện, bảng mạch điện tử: chips, PCB, FPCB.
Nhiều loại chips, tụ điện, linh kiện sử dụng trong công nghiệp điện tử được làm từ các kim loại/hợp kim dễ bị ăn mòn. Vì vậy, EN cũng lựa chọn là giải pháp làm lớp bảo vệ chống ăn mòn. Đối với các bảng mạch PCB, FPCB thì EN là lớp phủ có hai vai trò chính, một là, ngăn cản sự khuếch tán của lớp đồng từ lớp bên trong ra bên ngoài, và hai là, lớp phủ Ni có vai trò chống ăn mòn cho lớp đồng bên dưới. Sau khi mạ nickel, Au thường được lựa chọn là lớp phủ ngoài cùng vớ độ dày khoảng 0.05 micromet để tăng cường tính hàn và tính dẫn điện của bề mặt nickel.
Quy trình mạ EN cho các mạch điện tử, về cơ bản như sau:
Nền Cu --> Soft etching (H2SO4 + H2O2) --> Pre-dip (H2SO4) --> Pd ion activation --> Electroless nickel --> Immersion gold --> Top coating.
Lớp EN nickel có các hạt xếp theo chiều ngằm ngang trên bề mặt vật mạ, do đó EN thường cứng và dòn. Một số phụ gia gốc amine có thể làm thay đổi hướng phát triển của các hạt, xếp theo chiều dọc, khi đó, lớp EN có tính chất dẻo, ứng dụng mạ cho các bản mạch/chi tiết yêu cầu có độ dẻo, ví dụ như các cable nối giữa main và màn hình điện thoai, hay giữa màn hình và camera…
Nhiều loại chips, tụ điện, linh kiện sử dụng trong công nghiệp điện tử được làm từ các kim loại/hợp kim dễ bị ăn mòn. Vì vậy, EN cũng lựa chọn là giải pháp làm lớp bảo vệ chống ăn mòn. Đối với các bảng mạch PCB, FPCB thì EN là lớp phủ có hai vai trò chính, một là, ngăn cản sự khuếch tán của lớp đồng từ lớp bên trong ra bên ngoài, và hai là, lớp phủ Ni có vai trò chống ăn mòn cho lớp đồng bên dưới. Sau khi mạ nickel, Au thường được lựa chọn là lớp phủ ngoài cùng vớ độ dày khoảng 0.05 micromet để tăng cường tính hàn và tính dẫn điện của bề mặt nickel.
Quy trình mạ EN cho các mạch điện tử, về cơ bản như sau:
Nền Cu --> Soft etching (H2SO4 + H2O2) --> Pre-dip (H2SO4) --> Pd ion activation --> Electroless nickel --> Immersion gold --> Top coating.
Lớp EN nickel có các hạt xếp theo chiều ngằm ngang trên bề mặt vật mạ, do đó EN thường cứng và dòn. Một số phụ gia gốc amine có thể làm thay đổi hướng phát triển của các hạt, xếp theo chiều dọc, khi đó, lớp EN có tính chất dẻo, ứng dụng mạ cho các bản mạch/chi tiết yêu cầu có độ dẻo, ví dụ như các cable nối giữa main và màn hình điện thoai, hay giữa màn hình và camera…
Ứng dụng trong công nghiệp POP
POP, là plating on plastic. Quy trình POP cụ thể anh chị em có thể tham khảo bài viết ở link: . Đối với quy trình này, EN thường lựa chọn làm lớp mạ đầu tiên trên nền đã được hoạt hoá, để tạo bề mặt dẫn điện cho nền nhựa ABS/PC, trước khi tiến hành các quy trình mạ điện tiếp theo. Đối với các bề mặt không dẫn điện khác như gốm sứ, vải sợi, polymer… cũng thường được hoạt hoá bởi Pd-Sn, sau đó mạ lớp mạ hoá EN. Ví dụ, quy trình mạ trên nền vải cotton/nylon để ứng dụng làm lớp cản từ Electromagnetic interference (EMI) shielding film cho điện thoại: Cotton fiber/Nylon fiber --> NaOH cleaning --> HCl neutraling --> Pd-Sn activation --> Electroless nickel --> Electroless copper --> Electroless + electroplating nickel --> Top coating/drying.
POP, là plating on plastic. Quy trình POP cụ thể anh chị em có thể tham khảo bài viết ở link: . Đối với quy trình này, EN thường lựa chọn làm lớp mạ đầu tiên trên nền đã được hoạt hoá, để tạo bề mặt dẫn điện cho nền nhựa ABS/PC, trước khi tiến hành các quy trình mạ điện tiếp theo. Đối với các bề mặt không dẫn điện khác như gốm sứ, vải sợi, polymer… cũng thường được hoạt hoá bởi Pd-Sn, sau đó mạ lớp mạ hoá EN. Ví dụ, quy trình mạ trên nền vải cotton/nylon để ứng dụng làm lớp cản từ Electromagnetic interference (EMI) shielding film cho điện thoại: Cotton fiber/Nylon fiber --> NaOH cleaning --> HCl neutraling --> Pd-Sn activation --> Electroless nickel --> Electroless copper --> Electroless + electroplating nickel --> Top coating/drying.
Mạ phức hợp NiP và các hạt composite
Đây cũng là một chủ đề được quan tâm nhiều trong số các ứng dụng của EN. Có 2 nhóm hạt composite thường được sử dụng kết hợp với EN: nhóm (1) để lớp phủ được trơn hơn (lubricant) và nhóm (2), để tăng cường độ cứng và chống mài mòn. Để lớp EN trơn hơn, EN thường được kết hợp với các hạt thuộc dạng: MoS2, WS2, CNT, carbon black, PTFE or hexagonal BN; còn với nhóm tăng độ cứng và chống mài mòn, thường kết hợp với các loại hạt như SiC, B4C, WC, Al2O3, CeO2, SiO2, TiO2 or TiN. Các hạt thường có kích thước cỡ 0.5-3 micromet, được phân tán trong dung dịch bằng cách sử dụng các chất hoạt động bề mặt (surfactants). Trong quá trình EN, các hạt sẽ di chuyển tới bề mặt, chôn lấp cùng với lớp mạ EN để thay đổi và tăng cường đáng kể các tính chất của lớp EN. Có rất nhiều tính chất cần khảo sát đối với lớp EN-composite này bao gồm cả cơ lý và hoá học...
Nguyễn Văn Phương, MSC Co., Ltd. Incheon, Korea
