Može li komercijalno čisti titanijum zamijeniti tantal kao materijal omotača grijača za uranjanje?

Ovo je poseban materijalni izazov u razvojnim linijama za štampane ploče koje koriste alkalne nagrizajuće materije, obično rastvore natrijum ili kalijum hidroksida na 50-60oC. Tantal je bio materijal izbora za uranjajuće grijače u ovoj službi zbog svoje odlične otpornosti na kaustične napade. Međutim, visoka cijena tantala (oko 15-20 puta veća od titanijuma) održava interesovanje za ekonomski čisti titanijum kao održivu zamjenu. Pitanje nije da li titan preživi u alkalnim nagrizajima - jeste, pod nekim uslovima - već da li može da odgovara pouzdanosti i veku trajanja tantala u specifičnom okruženju linija za razvoj PCB-a gde hemija za nagrizanje sadrži ne samo hidroksid već i agense za kompleksiranje, tenzide i metalne jone u tragovima iz rastvorenog bakra. Upoređena je otpornost na koroziju titanijuma i tantala stepena 2 u alkalnim PCB nagrizajima i utvrđeni su uslovi za uspešnu supstituciju titana za tantal.

Korozijsko ponašanje titanijuma u alkalnim medijima
Titan ima prevlaku od amfoternog oksida koja je stabilna u kiselim i alkalnim sredinama, iako je njegov raspon stabilnosti ograničen. U rastvorima natrijum hidroksida pri koncentracijama ispod 20% i temperaturama ispod 80 stepeni, titanijum stepena 2 će zadržati pasivni sloj sa stopama korozije ispod 0,02 mm godišnje. Sa porastom koncentracije ili temperature, pasivni film počinje da se otapa i titanijum proizvodi rastvorljive vrste titanata (Na 2 TiO 3 ili Na 4 TiO 4 ). Titanijum stepena 2 će korodirati pri ~0,03-0,05 mm/god na 60C u 15% NaOH, tipično za PCB alkalne razvojne linije, u granicama prihvatljivih za zidnu cijev od 1,65 mm koja će trajati 5-7 godina.

Ozbiljniji problem je pucanje od korozije od kaustičnog stresa (SCC). Titan može biti ranjiv na SCC u koncentrovanim rastvorima hidroksida na povišenim temperaturama (preko 70 stepeni) kada su prisutna zaostala vlačna naprezanja od savijanja cevi ili zavarivanja. Opasnost od SCC je minimalna, ali nije zanemarljiva pri prosječnoj temperaturi razvoja PCB-a od 55 do 60 C. Zavareni krajevi cijevi i mehanički prošireni cijevni listovi imaju zaostala naprezanja koja mogu izazvati pukotine ako koncentracija nagrizanja raste ili dođe do temperaturnih promjena. Međutim, tantal je praktički otporan na kaustične SCC do 150 stepeni.

Utjecaj aditiva za nagrizanje i kontaminacije bakrom
Komercijalni alkalni PCB aditivi za jetkanje imaju dramatičan učinak na performanse titana. Organske helatne hemikalije poput EDTA ili jedinjenja na bazi amonijaka- mogu kelirati jone titana i ubrzati dezintegraciju pasivnog sloja. Surfaktanti mogu adsorbirati površinu i zaštititi je ili difundirati u nedostatke filma i napasti površinu. Što je najvažnije, otopljeni bakar iz ugraviranih ploča skuplja se u kadi za nagrizanje. Korištenjem reakcija pomjeranja (Ti + Cu2+ → Ti2+ + Cu0) moguće je nanositi metalni bakar na površine titanijuma kao joni bakra (Cu2+). Ova naslaga bakra čini galvanski par: bakar je katodan titanijumu u alkalnim rastvorima, što uzrokuje anodno otapanje titana na granicama naslaga. Lokalizovani napad ispod naslaga bakra je probušio titanijumske cevi od 1,65 mm u radu PCB-a za 12-18 meseci, dok je tantal dovoljno plemenit da bakar ne taloži ili ne proizvodi galvanski napad.

Matrica primjene: Titan u odnosu na tantal za alkalne grijače PCB-a Parametar Tipični uvjeti kade za jetkanje Titan umjesto tantala? Očekivani vijek trajanja titana (1,65 mm) Predloženi materijal
svježi razvijač bez bakra čisti sistem 10-15% NaOH ili KOH 55 stupnjeva bez dodataka Da, kompletno 5-8 godina Titanium 2. razreda.
Razvijač proizvodnje, niska količina bakra (<5 g/L) Same plus 2-5 g/L CuYes, with monitoring 3-5 years Grade 2 titanium
Proizvodni razvijač, visoka količina bakra (5-15 g/L) Isto plus Cu 5-15 g/LNo, brzi napad 12-24 mjeseca Tantal ili titan 7 Grade Etchat sa EDTA ili kompleksnim spojevima NaOH 10-15% + kelatoriNe, brzi napad filma 6-12 mjeseci Isključivo tantal
Visokotemperaturna linija (65-70 stepeni) 15-20% NaOH, termički stres, rizik od SCC Ne<12 months Tantalum
Linija za skidanje (baza + organski rastvarač)Organski amini (varijabilna)* Titanijum napadnut br. *<6 months Tantalum or steel lined
Zaključak za PCB grijač Spec.
Komercijalno čisti titanijum se može smatrati zamenom za tantal kao materijal omotača za uranjanje grejača u linijama za razvijanje alkalnih PCB-a, ali samo pod određenim, visoko regulisanim uslovima: koncentracija hidroksida manja od 15%, temperatura manja od 60 stepeni, rastvoreni bakar manje od 5 g/L i bez agresivnih agenasa za stvaranje kompleksa. U takvim uslovima, titanijum stepena 2, sa 1,65 mm debljine zida, nudi 3-5 godina rada uz oko 5-10% cene tantala. Ako je nakupljanje bakra na proizvodnoj liniji veće od 5 g/L, ili ako linija koristi helirani nagrizajući materijal ili bilo koju uslugu iznad 60 stepeni, tada će titan prerano otkazati zbog galvanskog napada ili kaustičnog SCC-a. U ovim okolnostima tantal je i dalje dokazani standard, a pokušaji zamjene titanijuma rezultiraju neočekivanim zastojima i kontaminacijom kade koja daleko nadmašuje svaku početnu uštedu materijala.