Sự lựa chọn vàng cứng và vàng mềm trong mạ vàng công nghiệp

Bảo vệ chống ăn mòn vượt trội

Vàng là một trong những kim loại ít phản ứng nhất và đã được sử dụng để mạ điện. Vàng có đạc điểm không phản ứng với oxy không khí để hình thành gỉ sét làm giảm đáng kể tuổi thọ của sản phẩm nên biện pháp mạ vàng thường là lựa chọn tốt nhất cho các sản phẩm có yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn tối đa.

Dẫn điện tốt

Đôi khi, cần phải cho phép một vật liệu không dẫn điện truyền được dòng điện. Một lớp phủ vàng có thể ”kim loại hóa” một sản phẩm làm bằng gốm hoặc nhựa trong các ứng dụng của ngành công nghiệp điện tử. Vàng có thể dẫn điện tốt và có thể chịu được nhiệt độ cao tại các đầu nối điện. Vàng cũng không bị ăn mòn khi tiếp xúc với axit trong pin và các vật liệu tạo gỉ sét khác.

Mạ vàng cứng trên PCB

Độ bền cao

Vàng là một trong những kim loại nặng được sử dụng trong mạ điện, lớp mạ vàng có thể giúp cho bề mặt của vật liệu nền có khả năng chống lại các vết nứt, trầy xước và hao mòn cao hơn. Có thể tùy chỉnh độ dày của lớp mạ vàng phù hợp với ứng dụng cụ thể bằng cách mạ đa lớp mỏng.

Độ dẻo cao

Mặc dù vàng rất bền, nhưng đây là kim loại dễ uốn nhất trong tất cả các kim loại. Có thể rèn vàng thành những tấm mỏng phù hợp cho các ứng dụng mạ điện. Do đó, vàng có thể được ứng dụng tốt trong việc tạo lớp mạ trên nhiều vật liệu với hình dạng và độ dày khác nhau.

Vàng không gây hại cho mô sống và có khả năng chống lại vi trùng. Ngành công nghiệp thiết bị y tế thường xuyên sử dụng các dụng cụ cấy ghép và stent cho tim bằng vật liệu mạ vàng. Ngoài ra, lĩnh vực nha khoa cũng sử dụng công nghệ mạ vàng để sản xuất chất trám và cấy ghép.

Ứng dụng mạ vàng trong lĩnh vực nha khoa thẩm mỹ

 

Lớp mạ vàng cứng: Trong lớp mạ này, vàng được tạo hợp kim với một nguyên tố kim loại khác như: niken, coban hay sắt để thay đổi cấu trúc kết tinh của vàng trở nên mịn hơn nhằm của tăng độ bền và các đặc tính khác.

Lớp mạ vàng mềm: Lớp mạ chỉ chứa vàng nguyên chất và không chứa bất kỳ nguyên tố hợp kim nào, lớp mạ này có cấu trúc hạt thô hơn.

Cả hai loại này đều có những ưu và khuyết điểm riêng, do đó, khi quyết định mạ một sản phẩm bằng vàng cứng hay vàng mềm cần phải quan tâm đến những tiêu chí cụ thể.

Việc trả lời cho 5 câu hỏi dưới đây sẽ giúp việc lựa chọn giữa lớp mạ vàng cứng và vàng mềm cho những sản phẩm công nghiệp trở nên đúng đắn hơn:

1. Khả năng chống mài mòn và lực tiếp xúc: Thiết kế của chi tiết có cần phải quan tâm đến đặc tính mài mòn trượt hoặc chuyển đổi theo chu kỳ hay không? Và lực tiếp xúc là gì?

2. Đặc tính liên kết: Có yêu cầu về tính liên kết hoặc khả năng hàn cho sản phẩm thiết kế hay không?

3. Tính ăn mòn và sự tương thích sinh học: Các yêu cầu về tính ăn mòn và sự tương thích sinh học cho sản phẩm là gì?

4. Nhiệt độ và điện trở tiếp xúc: Điều kiện nhiệt độ để vận hành cho chi tiết là gì?

5. Ngoại quan: Có yêu cầu về ngoại quan cho sản phẩm thiết kế hay không?

Khả năng chống mài mòn và lực tiếp xúc

Khả năng chống mài mòn liên quan nhiều đến độ cứng của kim loại, độ cứng này lại liên quan đến kích thước hạt của lớp mạ. Lớp mạ vàng cứng được hình thành với việc bổ sung các nguyên tố kim loại khác không phải kim loại quý như coban, niken hoặc sắt, điều này sẽ làm cho cấu trúc hạt của lớp mạ sẽ thay đổi. Trong khi lớp mạ vàng mềm có kích thước hạt thường là 1-2 µm, các lớp mạ vàng cứng chứa hạt kết tinh với kích thước rất nhỏ cỡ 20-30 nm, nó tạo lớp kết tinh mịn hơn, bóng hơn và chống mài mòn trượt tốt hơn.

Mặc dù vàng cứng chứa dưới 0,4% coban hoặc niken theo trọng lượng, nhưng độ cứng của lớp mạ tăng lên hơn gấp đôi so với lớp mạ vàng mềm. Vàng cứng thường có độ cứng trong khoảng 130-200 HK₂₅, vàng mềm thường có độ cứng từ 20-90 HK₂₅ khiến nó rất dễ bị trượt hoặc mòn do chuyển đổi tiếp điểm.

Người ta đã thử nghiệm trong phòng thí nghiệm về độ mài mòn của lớp mạ vàng cứng có độ dày khác nhau trên lớp mạ niken lót dày 0,00005 inch (1,27 µm). Thử nghiệm này được thực hiện với một quả bóng có đường kính 0,250 inch (6,35 mm) được mài mòn với khoảng cách 0,500 inch (12,7 mm) dưới một lực thông thường là 100 gam mỗi chu kỳ. Kết quả được cho trong bảng dưới đây:

Độ dày lớp mạ vàng		Chu kỳ bị hỏng
Micromet (µm)	Microinch (µin)
0,381	15	200
0,762	30	1000
1,524	50	2000

Như vậy, nếu một vật phẩm yêu cầu mài mòn trượt lặp đi lặp lại hoặc các hoạt động chuyển đổi tạo/ngắt, vàng cứng nên được áp dụng. Số chu kỳ tỷ lệ thuận với độ dày của vàng vì lớp vàng dày hơn sẽ có thể chịu được nhiều chu kỳ hơn. Độ dày phổ biến của lớp mạ vàng cứng trong khoảng từ 0,000015 inch (0,381 µm) cho các ứng dụng có chu kỳ rất thấp đến 0,0001 inch (2,54 µm) cho các ứng dụng có chu kỳ rất cao, độ dày phổ biến nhất nằm trong khoảng từ 0,000035 inch (0,889 µm) đến 0,000075 inch (1,905 µm).Lớp mạ vàng mềm dễ bị mất đi do sự mài mòn, do đó, với những chi tiết được thao tác sử dụng thường xuyên hoặc các chip điện tử được lắp vào và lấy ra khỏi thiết bị nhiều lần thì sử dụng lớp mạ vàng cứng sẽ tốt hơn.

Các bộ phận tiếp xúc được mạ bằng vàng mềm thường có độ bền thấp và hệ số ma sát cao. Ngược lại, lớp mạ vàng cứng thường có hệ số ma sát thấp nhưng độ bền rất cao, việc sử dụng chất bôi trơn hay lớp mạ niken lót có thể cải thiện độ bền hơn nữa cho lớp mạ.

Lực bình thường của một điểm tiếp xúc nên được xem xét khi chỉ định lớp mạ vàng cứng và mềm.

- Lực tiếp xúc nhỏ hơn 50 gram:  Ứng dụng mạ vàng mềm

- Lực tiếp xúc bình thường từ 50 gram trở lên: Ứng dụng mạ vàng cứng

Trong các mạch điện, nhiều kim loại tương tác với oxy để tạo ra các oxit cứng cách điện. Vì vàng không tạo ra lớp cách điện này, khi cần thay thế/xóa lớp mạ và tạo đường dẫn cho dòng điện, người ta chỉ cần dùng một lực thông thường để thực hiện, khoảng 10 đến 20 gam lực với khoảng cách xóa nhỏ hơn 0,254 mm thường đủ để thiết lập điện trở tiếp xúc.

Trong các ứng dụng điện tử, chẳng hạn như trên các đầu nối và công tắc, khả năng truyền tín hiệu điện thấp và ổn định là một trong những đặc tính vật lý quan trọng. Một số kim loại khi kết hợp với vàng sẽ làm tăng điện trở tiếp xúc của chúng đến mức không thể chấp nhận được trong một số điều kiện nhất định. Ví dụ, trong lớp mạ vàng được làm cứng bằng coban, xuất hiện sự gia tăng điện trở tiếp xúc thường là do quá trình oxy hóa từ oxit coban hình thành trên bề mặt của vàng. Ngoài ra, nhiệt độ cao có thể đẩy nhanh quá trình oxy hóa và tăng điện trở tiếp xúc. Thông thường, lớp mạ vàng mềm tạo ra điện trở tiếp xúc thấp hơn.

Linh kiện điện tử được mạ vàng mềm

 

Lớp mạ vàng cứng có thể chịu được nhiều lực tác động nên thích hợp hơn cho các sản phẩm đòi hỏi sự mài mòn trượt thường xuyên hoặc cần các thao tác tạo/phá hủy các quá trình chuyển mạch. Ví dụ, người ta thường dùng các tiếp điểm vàng trong thiết kế PCB cho bàn phím.

Đặc tính liên kết

Một cân nhắc quan trọng khác trong việc lựa chọn phương pháp mạ là các ứng dụng liên kết của vật liệu. Đó là cách thức phản ứng của nó với các kim loại khác và cách sử dụng sản phẩm đó như thế nào.

Mặc dù các vật liệu khác được thêm vào như niken, coban và sắt trong lớp mạ vàng cứng giúp tăng độ bền cho lớp mạ nhưng chúng cũng làm cho quá trình hàn trở nên khó khăn hơn do hiện tượng oxy hóa kim loại ở nhiệt độ cao xảy ra trong quá trình hàn và cũng có thể làm cho mối hàn kém ổn định hơn. Trong khi đó, vàng mềm có xu hướng dễ hàn vì nó không kết hợp với oxy trong không khí.

Đối với các ứng dụng kết nối cảm ứng như kết nối nhiệt âm hoặc kết nối dây siêu âm thì chỉ nên áp dụng lớp mạ vàng mềm.

Độ dày của lớp mạ cũng là một trong những đặc điểm liên quan đến tính liên kết có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của lớp mạ vàng. Lớp mạ vàng dày có xu hướng làm cho việc hàn trở nên khó khăn hơn vì vàng hòa tan trong liên kết giữa chất hàn và kim loại nền. Đặc biệt, khi sử dụng chất hàn là thiếc – chì, người ta đã chứng minh rằng mối hàn thiếc – chì vượt quá 3 % trọng lượng vàng sẽ dẫn đến hiện tượng giòn mối hàn. Do đó, lớp mạ vàng thường có độ dày từ 30 µin (0,75 µm) trở xuống được áp dụng cho các ứng dụng hàn thiếc – chì phổ biến.

Cuối cùng, ngoài việc lựa chọn thích hợp lớp mạ vàng cứng hoặc mềm cho ứng dụng liên kết, việc lựa chọn lớp mạ lót dưới nên được xem xét vì chúng cũng có thể ảnh hưởng đến tính chất liên kết của kim loại. Khi hàn vào lớp mạ vàng, quá trình thấm ướt ban đầu và mối hàn được hình thành với lớp vàng. Tuy nhiên, sự hòa tan nhanh chóng của vàng vào mối hàn dẫn đến liên kết hàn cuối cùng được tạo ra với lớp mạ lót. Như vậy, lớp mạ lót phải là bề mặt có thể hàn chắc chắn để không xảy ra hiện tượng thấm ướt mối hàn. Thực tế, niken có độ tinh khiết cao có thể giúp duy trì mối hàn chắc chắn nên thường được sử dụng làm lớp mạ lót.

Tính ăn mòn và sự tương thích sinh học

Lớp mạ vàng mềm có thể là vàng nguyên chất gần như 100 %. Ngược lại, mạ vàng cứng sẽ có độ tinh khiết thấp hơn do sự có mặt của các nguyên tố cacbon, hydro, oxy, nitơ và kali. Lớp mạ vàng mềm không chứa các nguyên tố này và có khả năng chống ăn mòn tốt hơn nhiều so với lớp mạ vàng cứng do các đặc tính vốn có của vàng, nó có thể chống lại axit hay những nguyên tố khác. Đặc điểm này làm cho vàng trở thành lựa chọn tối ưu để sử dụng trong môi trường ẩm ướt hoặc có tính ăn mòn cao. Khí lưu huỳnh và khí clo thường tấn công các kim loại như đồng, niken và có thể cản trở khả năng tiếp xúc điện của chúng. Tuy nhiên, vàng không dễ bị ảnh hưởng bởi những tác nhân này và có thể dễ dàng bảo vệ các bộ phận trong môi trường của thiết bị điện thông dụng. Khi mạ vàng cứng, các kim loại được thêm vào lại có thể phản ứng khác nhau với các điều kiện môi trường như độ ẩm và nhiệt độ.

Đặc tính chống ăn mòn của vàng hiệu quả hơn khi không có lỗ chân lông hoặc vết nứt trên lớp mạ. Thông qua chúng, các chất ô nhiễm có thể xâm nhập vào lớp vàng và tiếp cận với kim loại nền. Việc mạ lớp niken lót sẽ tạo một hàng rào khuếch tán bổ sung, ngăn chặn được sự ăn mòn.

Dụng cụ nha khoa được mạ vàng

 

Ngoài khả năng chống ăn mòn, khả năng duy trì cấu trúc của vàng mềm giúp nó được ứng dụng tốt hơn trong lĩnh vực y tế. Khả năng tương thích sinh học ở đây đề cập đến phương thức một chất tương tác với cơ thể. Vàng mềm không tham gia phản ứng hóa sinh với các sinh vật sống nên nó phù hợp hơn trong các ứng dụng y tế.

Nhiệt độ và điện trở tiếp xúc

Biểu đồ minh họa sự gia tăng điện trở tiếp xúc của lớp mạ vàng cứng chứa coban (CoHG) và lớp mạ vàng cứng chứa niken (NiHG)

 

Nhiệt độ mà sản phẩm làm việc có thể ảnh hưởng đến một số đặc tính của lớp mạ vàng. Nhiệt độ càng cao thì càng làm tăng điện trở tiếp xúc thông qua quá trình oxy hóa. Trong cả lớp mạ vàng cứng chứa coban (CoHG) và niken (NiHG), các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng điện trở tiếp xúc của vàng phụ thuộc vào cả nhiệt độ và thời gian. Họ phát hiện ra rằng điện trở tiếp xúc tăng lên sau 1000 giờ (41 ngày) ở nhiệt độ 125 ^oC. Khi nhiệt độ tăng lên 300 ^oC, lớp mạ vàng chỉ có thể chịu được môi trường trong một phút trước khi tăng điện trở tiếp xúc.

Điện trở tiếp xúc cao có thể là một vấn đề lớn đối với nhiều ứng dụng điện tử. Điện trở này phải được giữ ở mức thấp trong những trường hợp cần có điện trở thấp và ổn định. Mạ vàng mềm có điện trở tiếp xúc thấp hơn nhiều so với mạ vàng cứng. Độ dày tăng lên, cùng với một lớp niken, có thể giúp giải quyết vấn đề điện trở tiếp xúc khi sử dụng trong môi trường trên 125 ^oC.

 

Nhiệt độ và điện trở tiếp xúc

có thể ảnh hưởng đến đặc tính của lớp mạ vàng

 

Ngoại quan

Kích thước hạt nhỏ hơn của lớp mạ vàng cứng sẽ tạo được lớp mạ sáng hơn so với mạ vàng mềm, lớp mạ này nhẹ hơn, bóng hơn và tạo được ngoại quan hấp dẫn hơn cho bề mặt sản phẩm.

Lớp mạ vàng cứng thường có tính thẩm mỹ cao hơn lớp mạ vàng mềm

 

Ngược lại, lớp mạ vàng mềm rất mềm. Đặc điểm này làm cho nó dễ bị mòn và đánh bóng hơn. Chúng ta có thể thấy lớp mạ vàng mềm có các vết trầy xước và vết hằn xuất hiện, vì vậy mặc dù ban đầu nó có thể trông rất mất thẩm mỹ, nhưng nó có thể mờ dần theo thời gian. Đặc điểm này làm cho lớp mạ vàng mềm tốt hơn cho các ứng dụng không được xử lý nhiều. Lớp mạ vàng cứng thì bền hơn khi tiếp xúc và có thể phù hợp hơn cho những sản phẩm kết nối có thể nhìn thấy được.

Ngoài việc lựa chọn lớp mạ vàng thích hợp cũng cần phải xét đến lớp mạ lót. Đặc biệt, lớp mạ niken lót có thể bổ sung các tính năng hữu ích như hàn tốt hơn, liên kết tốt hơn và độ cứng cao hơn. Tuy nhiên, việc bổ sung một số lớp mạ lót này có thể dẫn đến lớp mạ mờ hơn và kém thẩm mỹ hơn. Các lớp mạ lót khác có thể mang lại lớp vàng sáng hơn nhưng các đặc tính chức năng như độ cứng và khả năng liên kết thường kém hơn.

Kết luận

Mạ vàng cứng và mạ vàng mềm có thể có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả hoạt động của một vật phẩm sẽ được mạ. Khi lựa chọn, điều quan trọng là phải xem xét tất cả các yếu tố kể trên để đảm bảo tối ưu cho những công dụng thực tế của vật phẩm đó.

(Nguồn: Tổng hợp từ internet)

 

Bài viết cùng chủ đề:

ASTM B488 – Tiêu chuẩn kỹ thuật cho lớp mạ vàng dùng trong các ứng dụng kỹ thuật

Vai trò của lớp mạ niken lót trong công nghệ mạ vàng trên các linh kiện điện tử

Mạ vàng trong lĩnh vực y tế

Ứng dụng mạ vàng nữ trang

Ứng dụng mạ vàng trong lĩnh vực điện tử