U linijama za nagrizanje PCB-a koje koriste bakrov hlorid, koju maksimalnu radnu temperaturu može izdržati grijač od titanijuma bez pukotina na prirubničkim spojevima?

Linije za nagrizanje štampanih ploča koje koriste bakrov hlorid (CuCl2) kao glavni jetkač rade u nekim jedinstvenim agresivnim uslovima: visoka koncentracija hlorida (150-250 g/L), visoke temperature potrebne za kontrolu brzine jetkanja i prisustvo bakrovih i bakrovih jona koji stvaraju jaka oksidaciona okruženja. Ovi sistemi su općenito specificirani za grijače za uranjanje od titanijuma, zbog odlične otpornosti na hloridnu rupicu u oksidirajućim uslovima, ali poseban način kvara, korozija u pukotinama na prirubničkim spojevima, navojnim spojevima i spojevima sa zaptivkom, ograničava maksimalnu sigurnu radnu temperaturu. Diferencijalne ćelije za aeraciju mogu se formirati u stagnirajućim područjima između prirubnice grijača od titanijuma i polimerne brtve ili različite metalne montažne ploče i mogu pokrenuti koroziju u pukotinama. Dok titan ima dobru otpornost na udubljenje u rasutom rastvoru bakrovog hlorida do 60 stepeni, hemija unutar pukotina može se dramatično promeniti, što dovodi do ubrzanog napada i perforacije prirubnice za nekoliko nedelja. U ovom članku maksimalna radna temperatura titanskih grijača u linijama za jetkanje PCB-a definirana je kao funkcija oblika pukotina, sadržaja klorida i oksidacijske moći otopine bakrovih jona.

Mehanizam pukotine korozije u rastvorima bakrovog hlorida
Proces pukotične korozije titanijuma u postavkama koje sadrže hlorid- odvija se kroz nekoliko dobro utvrđenih faza. Količina rastvora bakrovog hlorida (Cu^2+ koncentracija obično 1,5–2,5 M, Cl^- koncentracija 3–5 M) u početku ima veoma jak oksidacioni potencijal zbog Cu^{8}}/Cu^+ redoks para. Standardni potencijal redukcije za Cu 2+ + e- ? Cu + je oko +0.153 V u odnosu na SHE, ali u koncentrovanim rastvorima hlorida potencijal može biti visok od +0.4 do +0.6 V prema. ONA putem formiranja kompleksa. U ovim velikim uslovima titanijum Grade 2 je pasivan sa stabilnim TiO2 filmom. – Difuzija kiseonika je ograničena u pukotinu koja nastaje kada PTFE ili polipropilenska brtva udari u titanijumsku prirubnicu. Katodne reakcije gutaju prvobitno postojeći kiseonik i formira se zona -osiromašene kiseonikom. U nedostatku kiseonika, titan se anodno rastvara, koristeći Cl⁻ jone i formirajući Ti³⁺ i Ti⁴⁺ vrste. Hidroliza ovih titanijumovih jona dovodi do jona vodonika (H+) koji snižavaju pH pukotine sa skoro neutralnog (pH 6-7) na pH 1-2.

U rastvorima bakrovog hlorida, hemija pukotina je dodatno pogoršana hemijom jona bakra. Ioni bakra u pukotini redukuju se na ione bakra (Cu⁺) ili metalni bakar, trošeći oksidirajuće vrste koje bi inače repasivirale titan. Nastala naslaga bakra u pukotini služi kao katodno mjesto koje dalje potiče anodno otapanje susjednog titana. Ovaj autokatalitički proces, kada se jednom pokrene, povećava napad pukotina i ima stope širenja u rastvorima bakrovog hlorida na 50 stepeni zabeležene na 0,5 do 2,0 mm godišnje, što je dovoljno za perforaciju prirubnice grejača debljine 1,65 mm za jedan do četiri meseca. Korozija pukotina se razlikuje od udubljenja po tome što rezultira širokim napadom podrezivanja, koji brzo narušava integritet zaptivanja prirubnica.

Zavisnost od temperature inicijacije pukotina
Kritična temperatura pukotina (CCT) za titanijum Grade 2 u rastvorima bakrovog hlorida je temperatura iznad koje će napad pukotina započeti unutar određenog vremenskog perioda, obično 72 sata izloženosti pod konvencionalnim okolnostima ispitivanja (ASTM G78-15 tehnika koja koristi više sklopova pukotina). Eksperimentalni podaci iz testiranja uranjanjem otkrivaju da je za sintetički PCB nagrizač od 200 g/L CuCl2.2H2O (približno. 170 g/L Cl-) pri pH 0,8 (podešeno sa HCl), CCT za titanijum 2. razreda sa PTFE3 stepenom ispiranja pukotina. Na 35 stepeni ili nižim temperaturama nakon 1000 sati nije otkriven napad pukotina. Manja penetracija u pukotinu (0,1 mm) uočena je nakon 500 sati na 40 stepeni. Svi testni uzorci pokazuju napad kroz pukotinu na 50 stepeni u roku od 200 sati. Perforacija pukotina na 60 stepeni je manje od 72 sata.

U međuvremenu, za titanijum stepena 7 (Ti-0,15Pd), CCT u istoj otopini bakrovog hlorida povećava se do ca{2}} stepena. Smanjenje rezidualnog bakrovog jona kataliziranog sadržajem paladija promoviše spontanu repasivaciju u okruženju pukotina, održavajući plemenitiji potencijal čak i pod ograničenim uslovima masovnog transporta. Uzorci stepena 7 na 60 stepeni, sa površinskim napadom pukotina (penetracija 0,05-0,1 mm) nakon 1000 sati, ali bez perforacije kroz zid. Na 70 stepeni, stepen 7 pokazuje značajan napad pukotina sa stopama penetracije većim od 0,5 mm/godišnje. Ovi podaci definišu maksimalnu bezbednu radnu temperaturu titanijumskog grejača za uranjanje u bakrov hlorid PCB nagrizajućim materijalom stepena 2 kako bi se izbegla korozija pukotina na prirubničkim spojevima kao 35 stepeni. Sigurna maksimalna temperatura za titanijum 7 je 55 stepeni.

Efekti dizajna i geometrije prirubnice
Nije svaka pukotina podjednako štetna. Važni faktori su širina pukotina, dubina pukotina i odnos spoljašnje površine prema unutrašnjoj površini pukotina. Ispitivanje prema ASTM G78 pokazuje da najteže uslove stvaraju praznine manjih od 0,1 mm, što je tipično za dobro-zategnute PTFE zaptivke na mašinski obrađenu površinu prirubnice, jer uzak zazor maksimizira ograničenje difuzije kisika i stagnacije otopine. Praznine od 0,1 do 0,25 mm proizvode jačinu napada u srednjem opsegu, sa prazninama većim od 0,5 mm obično omogućavaju dovoljno razmjene rastvora da se izbjegne autokatalitičko zakiseljavanje. Paradoksalno, mekane elastomerne zaptivke (Viton, EPDM) na prirubnicama grijača od titanijuma koje prihvataju površinske nedostatke, ali ne postižu kontakt sa nultim-zazorom, mogu povećati otpornost na pukotine u poređenju sa krutim PTFE zaptivkama koje postižu skoro-savršeno zaptivanje.

Završna obrada površine prirubnice će također utjecati na CCT. Mehanički polirane prirubnice (Ra 0,4 µm) imaju bolju otpornost na pukotine od -obrađenih (Ra 1,6 µm) ili kiselih površina. Polirana površina minimizira količinu mikro-pukotina i uklanja površinske džepove koji drže stagnirajući rastvor. Optimalni dizajn za servis bakrovog hlorida na temperaturama iznad 40 stepeni su zavareni prirubnički spojevi, u kojima je cev grejača zavarena direktno na titanijumsku montažnu ploču bez posebnog zaptivača, čime se u potpunosti eliminiše pukotina. Ali zavarene prirubnice otežavaju zamjenu grijača i kvalitet zavara mora biti pažljivo kontroliran kako bi se izbjegla osjetljivost zone{9}}zahvaćene toplinom.

Matrica maksimalne radne temperature grijača PCB-a
Tabela 1 kombinuje podatke o koroziji u pukotinama, temperaturna ograničenja i opcije dizajna prirubnice kako bi se dale izvodljive radne granice za linije za nagrizanje bakrovog klorida. Sve vrijednosti pretpostavljaju uranjanje u aerirani nagrizajući materijal sa tipičnim okretanjem PCB kupke (potpuna zamjena svake 2-4 sedmice).

Konfiguracija grijača Tip prirubnice/brtvila Kupatilo za masu Cl⁻ (g/L) Maksimalna bezbedna radna temperaturaVrijeme do perforacije pukotina (prirubnica 1,65 mm)
Grade 2 titanium flange PTFE gasket, 0.1 mm gap (torqued) 150-200 30°C >24 mjeseca (30 stepeni); 2-3 mjeseca (50 stepeni)
Grade 2 titanijum, polirana prirubnica Viton zaptivka, regulisani zazor 0,3 mm 150-200 35 stepen 12-18 meseci (na 35 stepeni); 4-6 meseci (na 45 stepeni)
Titanium grade 2, Puna penetracija zavarena prirubnica (bez zaptivke) 150-200 40 stepen 8-12 mjeseci (na 40 stepeni); ograničena udubljenjem, a ne pukotinom
Titanium grade 7 machined flange PTFE gasket torqued 150-200 50°C >24 meseca (50 stepeni) 6-8 meseci (60 stepeni)
Grade 7 titanijum, polirana prirubnica EPDM zaptivka, 0,25 mm razmak 200-250 55 stepen 18-24 meseca (55 stepeni); zavarivanje poželjno iznad 55 stepeni
Titanium Grade 7 Zavarena prirubnica sa zavarom rasterećenim naprezanjem 200-250 60 stepena Pukotine su uklonjene; pitting reguliše život (obično 3-5 godina)
Operativne varijable koje utiču na temperaturne granice
The maximum safe operating temperatures calculated above are based on typical PCB etching bath conditions: pH 0.5-1.0 (adjusted with HC1), cupric ion concentration 150-250 g/L CuCl2-2H2O and aeration by normal bath circulation. Any departure from these standards will lead to a drastic change in CCT. At higher pH (>1.5), rizik od korozije u pukotinama je smanjen jer rastvor u rasutom stanju ima manje agresivnu hemiju hlorida i nižu koncentraciju vodikovih jona. Međutim, stope jetkanja PCB-a opadaju na neprihvatljivo niske nivoe iznad pH 1,2 i stoga se pH ne može povećati bez pada proizvodnog protoka. Dodavanje organskih aditiva (inhibitora korozije, surfaktanata ili pojačivača brzine nagrizanja) može poboljšati ili umanjiti otpornost na pukotine. Neki inhibitori na bazi benzotriazola formiraju zaštitne filmove i rezultiraju povećanjem CCT za 5-10 stepeni, dok je poznato da jonski surfaktanti prodiru u pukotine i ubrzavaju napad.

Prozračivanje kupke i miješanje su od ključne važnosti. Aktivno prskanje vazduhom ili kiseonikom održava veći redoks potencijal u rasutom rastvoru i promoviše transport kiseonika u otvore pukotina, podižući CCT za 8-12 stepeni i za Grade 2 i Grade 7. Linije za jetkanje PCB-a prirodnom konvekcijom imaju stope korozije u pukotinama koje su znatno veće od onih koje koriste potopljene šipke za raspršivanje ili mlaz. S druge strane, najteže situacije u pukotinama se javljaju u statičnim kupatilima ili vodovima s povremenom cirkulacijom (npr. noćna isključenja) budući da stacionarni intervali dopuštaju potpuno iscrpljivanje kisika unutar pukotina.

Praktične smjernice za specifikaciju grijača
Za uobičajenu ciljnu temperaturu od 45-50 stepeni (optimalno za brzinu nagrizanja i kvalitet bočne stijenke) za objekte za proizvodnju PCB-a koji rade na linijama za jetkanje bakrovom hloridom, titanijumski potopni grijači 2. razreda sa prirubničkim priključcima nisu prikladni nezavisno od debljine zida. Predviđeni vek trajanja korozije u pukotinama za Grade 2 je tri do šest meseci na 45 stepeni, što uzrokuje preranu kontaminaciju kade jonima titanijuma (koji ometaju hemiju jetkanja) i neplanirano zaustavljanje proizvodnje. Inženjeri treba da specificiraju Grade 7 titanijum sa zavarenim prirubnicama (preporučeno) ili da naprave sistem grejača da radi na nižim temperaturama (maksimalno 35 stepeni) sa korigovanim vremenom nagrizanja za rad na 45-50 stepeni.

Za nove instalacije linije za jetkanje PCB-a, najpouzdaniji izbor je grejač od titanijuma Grade 7 gde su cijev i prirubnica za montažu napravljeni od jednog komada kovanog titanijuma eliminišući sve pukotine osim onih na električnim prolazima. Tamo gdje su prirubnički priključci potrebni - obično za grijače koji se povremeno moraju uklanjati radi čišćenja - navedite titanij Grade 7 sa poliranim površinama prirubnica, EPDM zaptivkama komprimovanim do regulisanog razmaka od 0,2-0,3 mm i aktivnom cirkulacijom kade koja se održava tokom perioda mirovanja. U ovim postavkama, prirubnica Grade 7 debljine 1,65 mm daje pet godina rada na 50 stepeni i tri godine na 55 stepeni.

Zaključak PCB Etching Line Engineers
Maksimalna radna temperatura za grijač za uranjanje titanijuma u bakrov hlorid PCB nagrizajućeg materijala nije ograničena otpornošću na piting u rasutom rastvoru, već podložnost koroziji u pukotinama na prirubničkim spojevima i zaptivnim spojevima. Sigurna granica je 35 stepeni -iznad ove temperature, napad pukotina se dešava u roku od nekoliko mjeseci za titanijum stepena 2 i dovodi do perforacije koja kontaminira kadu i zaustavlja proizvodnju. Za titanijum stepena 7, bezbedna granica je podignuta na 55 stepeni, sa poliranim površinama prirubnica i kontrolisanim prazninama zaptivki. Moguć je rad stepena 7 do 60 stepeni, a konstrukcija zavarene prirubnice čini pukotine prošlošću. Kada određuju grijač za jetkanje PCB-a, inženjeri bi trebali definirati ne samo željenu temperaturu kupke i koncentraciju klorida, već i dizajn prirubnice, materijal zaptivke i da li će kupka biti u neprekidnom miješanju ili u mirovanju. Ovaj nivo detalja osigurava da će dobavljač obezbijediti konfiguraciju grijača koja odgovara stvarnom riziku od korozije pukotina i eliminiše uobičajeni način kvara koji je odgovoran za preko 80% zamjene titanijumskih grijača u servisu jetkanja PCB-a.