Tăng nhiệt độ cho phép dùng dung dịch có nồng độ cao hơn (vì tăng được độ hoà tan các cấu tử ban đầu); đồng thời còn làm tăng độ dẫn điện của dung dịch; giảm nguy cơ thụ động Anốt. Ba yếu tố đó đã làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên
Trang 37
cho dùng mật độ dòng điện cao hơn. Nhưng nhiệt độ cao lại làm giảm phân cực catốt do giảm tác dụng của các chất hoạt động bề mặt, tăng độ phân ion phức hay ion hydrat hoá (làm giảm phân cực hoá học) và thúc đẩy khuếch tán đối lưu mạnh lên (làm giảm phân cực nồng độ). Cho nên chỉ tăng nhiệt độ mà vẫn giữ nguyên các điều kiện khác thì lớp mạ vẫn gồm các tinh thể thô và to. Nếu lại đồng thời tăng mật độ dòng điện lên theo thì có thể bù trừ được nhược điểm do nhiệt độ cao gây ra và lớp mạ thu được vẫn có tinh thể nhỏ, mịn.
Vì vậy, nhiều dung dịch mạ hiện đại được vận hành ở nhiệt độ cao vừa tăng được cường độ làm việc của bể vừa được lớp mạ tốt.
1.3.2.7. Điều kiện xuất hiện tinh thể: [14]
Trong điều kiện điện kết tủa kim loại trong dung dịch, yếu tố quyết định tốc độ tạo mầm tinh thể là tỷ số giữa mật độ dòng điện catốt Dc và mật độ dòng trao đổi i0 : β = Dc / i0
Mặt khác, theo phương trìnhTafel:
η = a + b.log Dc
Suy rộng ra, mọi yếu tố làm tăng phân cực catốt đều cho lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn và ngược lại. Các mầm tinh thể ban đầu mới xuất hiện được ưu tiên tham gia vào mạng lưới tinh thể của kim loại nền ở vị trí có lợi nhất về mặt năng lượng. Đó là những chỗ tập trung nhiều nguyên tử láng giềng nhất, vì ở đó năng lượng dư bề mặt lớn nhất, các mối liên kết chưa được sử dụng là nhiều nhất. Nếu kim loại nền và kim loại kết tủa có cấu trúc mạng khá giống nhau về hình thái, kích thước thì cấu trúc của kim loại nền được bảo tồn và kim loại kết tủa sẽ phát triển theo cấu trúc đó (cấu trúc lai ghép (epitaxy)), xảy ra ở những lớp nguyên tử đầu tiên. Sau đó sẽ dần chuyển về cấu trúc vốn có của nó ở những lớp kết tủa tiếp theo. Trường hợp này cho lớp kim loại mạ có độ gắn bám rất tốt, xấp xỉ với độ bền liên kết của kim loại nền. Nếu thông số mạng của chúng khác khá xa nhau, hoặc bề mặt chúng có tạp chất hay chất hấp phụ, thì sự lai ghép sẽ không xảy ra. Đây là một trong những nguyên nhân gây nên ứng suất nội và làm lớp mạ dễ bong.
Trang 38
Chương 2 THỰC NGHIỆM
2.1. QUY TRÌNH CHẾ TẠO ĂNG-TEN:
Quy trình thực nghiệm chế tạo ăng-ten trên đế PET:
Hình 2. 1Quy trình phún xạ - quang khắc – ăn mòn – mạđiện
Ăng-ten được chế tạo trên đế là màng PET thương mại dày khoảng 80μm. Để tiện lợi cho quá trình chế tạo, chúng tôi lựa chọn đế hình vuông kích thước 4inch (thay vì hình tròn) để phù hợp với hầu hết các thiết kế của ăng-ten UHF trong công nghệ RFID.
2.1.1. Chuẩn bịđế:
Cắt PET thành những mẫu nhỏ kích thước 4 inch. Tiếp theo bỏ vào lò nung ở nhiệt độ 1000C trong 15 phút để PET được thẳng. Sau đó, rửa PET để loại bỏ tạp chất trên bề mặt đế. Photoresist Kim loại PET Thủy tinh PET
Cốđịnh tấm PET lên đế thủy tinh Phún xạ Phủ photoresist Phơi sáng Hiện ảnh Ăn mòn Tẩy photoresist Mạđiện
Trang 39
Sử dụng Axeton, Ethanol để tẩy các chất bụi bẩn, vết dầu mỡ, tạp chất hữu cơ…trên PET, tráng lại bằng nước DI (nước khử ion) rồi thổi khô bằng khí Nitơ.
Hình 2. 2Lò nung
Sau khi rửa xong, đế PET được dán lên một tấm kính sạch có cùng kích thước để chuẩn bị cho các công đoạn tiếp theo.
2.1.2. Phún xạ tạo màng đồng:
Quá trình phủ màng được thực hiện bằng phương pháp phún xạ. Đế kính được đặt trên giá để mẫu có thể xoay được. Buồng phún xạ được hút chân không đến áp suất dưới 3.10-5 mbar để loại bỏ oxy trong buồng. Sau đó, tăng dần công suất plasma lên đến công suất phún xạ, bước này được thực hiện trong khi shutter vẫn đóng để loại bỏ oxy khỏi bề mặt của bia trước khi vật liệu được phún lên mẫu. Sau khoảng vài phút shutter được mở và quá trình phún xạ bắt đầu. Sau khi phún xạ xong, ngắt plasma và tắt bơm để buồng trở về áp suất khí quyển và lấy mẫu ra khỏi buồng.
Trang 40
Hình 2. 3Thiết bị phún xạ Leybold Univex 350 và hình ảnh bên trong buồng phún xạ.
2.1.3. Quá trình Lithography (quang khắc):
Quá trình quang khắc được thực hiện để tạo hình ăng-ten trên lớp màng đồng. Đế PET sau khi phủ Cu được dán lên một tấm kính cùng kích thước đã được rửa trước đó với cùng quy trình như đế PET. Đế kính giúp thao tác chế tạo mẫu dễ dàng hơn. Quy trình quang khắc sử dụng photoresist loại dương ma-P1215 (Microresist).
2.1.3.1. Phủ Photoresist và sấy sơ bộ (Soft-Baking):
Phủ một lớp dung dịch nhạy sáng lên mẫu bằng phương pháp phủ quay ly tâm trong khoảng 20~30 giây với vận tốc 3000~4000 vòng/phút. Sau đó, nung mẫu trên lò nung tiếp xúc ở 95oC trong 90 giây để làm bay hơi một phần dung môi trong photoresist, khi đó độ dày lớp photoresist sẽ giảm và ổn định hơn, độ kết dính của photoresist với đế cũng tăng, đồng thời lớp cảm quang không còn dính ướt như vậy sẽ hạn chế được tạp chất bám lên lớp photoresist trong quá trình sau đó.
Giá để mẫu Nguồn phún xạ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trang 41
Hình 2. 4Máy quay ly tâm Delta 6RC
2.1.3.2. Quá trình phơi sáng (exposure):
Trong giai đoạn này, mẫu sẽ được chiếu ánh sáng để chuyển hình ảnh từ mặt nạ lên đế PET và mặt nạ được đặt giữa nguồn sáng UV và mẫu. Nguồn UV có bước sóng là 365nm và công suất là 350W. Quá trình phơi sáng được thực hiện trên thiết bị Mask Aligner Karl Suss MJB-4. Mặt nạ dùng để phơi sáng có kích thước 5x5 inch, là loại mặt nạ chi phí thấp được in offset trên màng polyester. Mặt nạ là dạng light-field trong đó phần màu đen là phần che sáng không cho tia UV đi qua chính là hình dạng của ăng-ten cần chế tạo, phần còn lại không bị che sáng chính là phần sẽ bị loại bỏ sau khi ăn mòn. Do ăng-ten có kích thước nhỏ nên có thể chế tạo cùng lúc 4 ăng-ten trên 1 mẫu. Các ăng-ten này phải kết nối với nhau để đảm bảo tính dẫn điện trong quá trình mạ điện nên trên mặt nạ có thêm một vòng bên ngoài để liên kết cácăng-ten này với nhau (hình 2.7). Chế độ phơi sáng là contact, mật độ phơi sáng là 45 mJ/cm2. Nung mẫu trên bếp nung với nhiệt độ 1200C trong 60s. Để nguội hoàn toàn trước khi tráng rửa.
Trang 42
Hình 2. 5Máy Mask Aligner MJB4
Trang 43
Hình 2. 7Mặt nạăn mòn sử dụng trong đề tài.
2.1.3.2. Quá trình tráng rửa
Sau khi phơi sáng, mẫu được ngâm rửa trong dung dịch thuốc hiện ma-D 331 (Microresist), thời gian ngâm mẫu trong thuốc hiện là khoảng 35 giây. Sau đó rửa sạch mẫu bằng nước khử ion và quay mẫu trên máy quay ly tâm để làm khô hoàn toàn.
2.1.3.3. Quá trình Ăn mòn
Sau khi thực hiện quang khắc để định hình ăng-ten trên đế Cu, nung mẫu trên lò nung tiếp xúc ở 120oC trong 5-10 phút để làm cho lớp chất cảm quang chắc chắn hơn trong quá trình ăn mòn sau đó.
Dung dịch ăn mòn được sử dụng là hỗn hợp axit sulfuric và kali dichromate với tỷ lệ H2SO4 1,3 mol/l và K2Cr2O7 0,63 mol/l. Thời gian ăn mòn tùy thuộc vào độ dày của lớp màng Cu, tốc độ ăn mòn khoảng 50 nm/s ở 50oC.
Trang 44
Hình 2. 8Mẫu ăng-ten sau khi ăn mòn.
Sau khi ăn mòn xong, mẫu được rửa sạch bằng nước khử ion. Đến lúc này, hình dạng ăng-ten được định hình trên đế PET tại những vị trí được lớp cảm quang bảo vệ. Để loại bỏ lớp cảm quang, ngâm mẫu trong acetone cho đến khi photoresist tan hoàn toàn. Sau khi rửa sạch mẫu và quay khô trên máy quay li tâm mẫu sẽ được chuyển sang bể mạ để thực hiện bước tiếp theo.
2.1.4. Quá trình mạđiện:
Vai trò của quá trình mạ điện: làm cho lớp đồng dày đến 10µm. Chúng tôi nhận thấy khi tẩy gỉ trước khi mạ điện bằng dung dịch H2SO4 2% đã có kết quả tốt hơn khi không tẩy gỉ. Tẩy gỉ tức là loại bỏ lớp oxit trên bề mặt kim loại nền trước khi mạ. Khi tẩy gỉ thì lớp mạ trên kim loại nền gắn bám tốt, tinh thể nhỏ, ít lỗ thủng hơn. Chúng tôi “tẩy gỉ” bằng phương pháp nhúng trong dung dịch H2SO4 2% trong 2 giây rồi rửa kĩ bằng nước khử ion sau đó thổi khô và đem nung vài phút trước khi mạ điện. Chúng ta cần bề mặt mẫu tốt và đồng đều trước khi cho vào bể mạ vì chính những chỗ “khuyết tật” do bị oxi hóa sẽ làm cháy mẫu quanh những vị trí đó. Nếu bề mặt mẫu càng đồng đều trước khi mạ điện thì chất lượng lớp mạ sẽ tốt, đồng đều hơn rất nhiều, không có chỗ lồi, lõm. Chúng ta cần gia công thật kĩ trước khi cho vào bể mạ vì chính những “khuyết tật” này sau khi mạ sẽ càng lộ rõ hơn và dễ bị bong ra tại chỗ đó.
Trang 45
Hình 2. 9Sơđồ khối hệ mạđiện
Trong quá trình mạ điện, mẫu ăng-ten sau khi quang khắc được gắn với cực âm catốt, điện cực đồng đóng vai trò cực dương Anốt của nguồn điện trong dung dịch mạ. Cực dương của nguồn điện sẽ hút các electron 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 electron trong quá trình ôxi hóa khử hình thành lớp kim loại đồng bám trên bề mặt của đế PET đã có hình ảnh ăng-ten. Độ dày của lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện của nguồn và thời gian mạ.
Dung dịch mạ là yếu tố rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của lớp mạ. Cụ thể các thành phần trong dung dịch mạ gồm có: đồng sunphat chính là nguồn cung cấp ion Cu2+ cho quá trình mạ điện, axit sunphuric là thành phần thực hiện quá trình dẫn điện, dung môi cho ion dịch chuyển và làm ăn mòn anốt; ion Cl-
đóng vai trò là chất bám dính hữu cơ, làm sáng bề mặt đế PET; chất phụ gia làm lớp mạ sáng, bóng, độ đồng đều cao.
Trang 46
• Luận văn này sử dụng chất phụ gia dành cho việc mạ đồng là: 1. Phụ gia bóng SurTec 865 A
2. Phụ gia dẻo SurTec 865 B 3. Dung dịch pha hồ SurTec 865 C
Ưu điểm của các chất phụ gia này là: [13]
• Tạo lớp mạ bóng sáng phản chiếu với độ phẳng và độ xuyên sâu rất tốt, đặc biệt tại mật độ dòng điện thấp
• Lớp mạ dẻo, ứng suất thấp
• Thích hợp cho những chi tiết phức tạp, có nhiều ngóc ngách (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Ứng dụng cho quy trình mạ treo và mạ quay
• Tính kinh tế cao: phụ gia hiệu quả và chi phí bổ sung thấp
• Không bị ảnh hưởng bởi việc đóng ghim hay đục lỗ
• Hệ phụ gia bóng ổn định, giảm thiểu những sản phẩm hỏng
Thành phần chất điện ly:
• CuSO4.5H2O: 200 g/l
• H2SO4 (đậm đặc 96 %): 60 g/l
• SurTec 865 C Make-up Solution 8 ml/l (4-10 ml/l)
• SurTec 865 A Brightener 0,8 ml/l (0,8 - 1,2 ml/l)
• SurTec865 B Leveller 0,4 ml/l (0,2-0,8 ml/l)
• Dung dịch HCl 60 mg/l (30-120 mg/l)
- Thế hở mạch (trước khi đưa cực âm Catốt xuống bể mạ): 3V ứng với dòng 0A
- Nhiệt độ của bể mạ: 70 – 800F
Chiều dày lớp mạđược tính như sau : mCu= AIt
Fn
Với Đồng có A=64g; n=2;F=96485A.s.mol-1=26,8A.h.mol-1; D=8960kg/m3
. . .
m
D m D V D S h V
Trang 47 Mà It D S h F n. . . . A = (A.h) Ví dụ h = độ dày lớp đồng cần mạ (10μ m); S=10cmx10cm 3 2 2 6 8960.10 .10.10 .10.10 .10.10 .26,8.2 0,7504 64 It Ah − − − = = (luận văn sử dụng cách tính
này để SET cho đồng hồ A.h)
Trước khi mạ:
- Dung dịch phải được sục khí trước 10 phút để tránh hiện tượng thụ động hóa anốt.
- Tất cả các điện cực đều phải được tẩy rửa dầu mỡ bằng dung dịch methanol và rửa sạch các chất hữu cơ bằng cách nhúng vào 10%KOH, rửa sạch bằng nước cất và cuối cùng nhúng trong 10% axit sunphuric trước khi đưa vào bể mạ.
Để đảm bảo lớp mạ đồng đều, cần đặt mẫu trên điện cực catốt sao cho song song với anốt.
Trong quá trình nghiên cứu, cần kiểm tra dung dịch mạ bằng phương pháp Hull Cell và xử lý một số sự cố theo bảng 1.
Phương pháp Hull Cell
Hull Cell là một bể mạ nhỏ được thiết kế hổ trợ cho người sử dụng để phân tích và xử lý sự cố của dung dịch trong quá trình mạ.
Nó được thiết kế có thể tích là 267ml và có hình dạng là hình tam giác vuông, được dùng để kiểm tra điều kiện của bể mạ, cho phép tối ưu vùng mật độ dòng, tối ưu nồng độ chất pha, nhận ra được những tạp chất có trong dung dịch.
Trang 48 Bảng 1 Một số vấn đề lưu ý trong quá trình mạ:[8][9] VẤN ĐỀ NGUYÊN NHÂN CÁCH KHẮC PHỤC Lớp mạ có xu hướng cháy, gai a) Nhiệt độ bể mạ thấp (dưới 200C) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tăng nhiệt độ lên 24 -280C
b) Nồng độ đồng quá thấp Tăng diện tích bề mặt anốt hoặc thêm đồng sunphat vào dung dịch
Lớp mạ không bóng a) Nhiệt độ bể quá cao (trên 300C)
Làm lạnh điện cực b) tạp chất hữu cơ Thêm vào 50 -
100mg/l Na2SO4
Mức đồng đều, độ bám dính quá thấp; lớp mạ bị bong
Ion Cl vượt hơn (hơn 150mg/l)
Thêm vào 1% dung dịch Bạc sunphat (4,4ml/l kết tủa 10mg/l Clo)
Điện cực không làm lớp mạ sáng hơn
Tạp chất dơ Thêm vào 50-
100mg Na2SO4 và sử lý điện cực bằng 5-10g/l than hoạt tính sau đó kiểm tra bằng Hull cell Chất phụ gia quá
nhiều
a) Dung dịch bể quá ấm Làm lạnh điện cực b) nồng độ dung dịch mạ và
độ sáng lớp mạ không đúng tỉ lệ
Điều chỉnh tỉ số cho đúng, sử dụng kiểm tra bằng Hull cell
Trang 49
c) Chất trợ lọc không phù hợp hoặc vượt quá lượng cho phép
Sử dụng chất trợ lọc trong giới hạn 300 – 500g/m2 d) chất cặn vượt quá tại
anốt
Điều chỉnh lại Anốt cho phù hợp (không vượt quá 2,5A/dm2)
Sau khi mạ:
- Rửa bằng nước khử ion và thổi khô bằng khí Nitơ
Hình 2. 10Thiết bị mạđiện Đồng hồ V - A Đồng hồ A.h Đồng hồ nhiệt độ bể Bể mạ Bơm sục khí
Trang 50
Hình 2. 11Ăng-ten sau khi mạ.
2.2. PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CHẾ TẠO ĂNG- TEN
2.2.1. Khảo sát độ bám dính của mẫu
Để khảo sát độ bám dính của lớp màng đồng và ăng-ten trên đế PET, chúng tôi sử dụng phương pháp “cross-hatch” với cách thực hiện như sau:
• Đối với mẫu lớn chúng tôi rạch những đường song song và cách đều nhau khoảng 2 mm như hình rồi dùng băng keo để khảo sát độ bám dính:
Trang 51 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2. 12Lớp màng Đồng bám dính tốt và không tốt
• Đối với mẫu Ăng-ten, chúng tôi dán băng keo trực tiếp lên ăng-ten rồi kéo khỏi lớp nền.
Hình 2. 13Ăng-ten bám dính tốt và không tốt
2.2.2. Khảo sát hình thái bề mặt lớp màng:
Chúng tôi khảo sát bề mặt mẫu bằng kính hiển vi điện tử quét SEM Jeol/JSM – 6480LV của Nhật và độ gồ ghề bề mặt bằng kính hiển vi lực nguyên tử AFM Nanotec Electronica S.L của Tây Ban Nha đặt tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ
Trang 52
Nano. Dựa vào hình thái bề mặt và độ gồ ghề của mẫu chúng ta sẽ tìm ra được điều kiện của nồng độ bể mạ, cũng như các thông số chất phụ gia làm ảnh hưởng đến lớp