Kokią maksimalią darbinę temperatūrą gali išlaikyti titano panardinamasis šildytuvas be plyšinės korozijos flanšinėse jungtyse PCB ėsdinimo linijose, kuriose naudojamas vario chloridas?

Spausdintinės plokštės ėsdinimo linijos, kuriose pagrindinis ėsdiklis naudojamas vario chloridas (CuCl2), veikia kai kuriomis unikaliomis agresyviomis sąlygomis: aukšta chlorido koncentracija (150–250 g/L), aukšta temperatūra, reikalinga ėsdinimo greičiui kontroliuoti, ir vario bei vario jonų, kurie sukuria stiprią oksiduojančią aplinką, buvimas. Šios sistemos paprastai nurodomos su titano panardinamaisiais šildytuvais, nes jie puikiai atsparūs chloro duobėms oksiduojančiomis sąlygomis, tačiau ypatingas gedimo režimas, plyšinė korozija flanšinėse jungtyse, srieginėse jungiamosiose detalėse ir sandariose jungtyse riboja maksimalią saugią darbo temperatūrą. Diferencialinės aeracijos ląstelės gali susidaryti stovinčiose srityse tarp titano šildytuvo flanšo ir polimerinio tarpiklio arba skirtingos metalinės montavimo plokštės ir gali sukelti plyšių koroziją. Nors titanas turi gerą atsparumą įdubimams biriame vario chlorido tirpale iki 60 laipsnių, chemija plyšio viduje gali smarkiai pasikeisti, todėl per kelias savaites gali pagreitėti ataka ir perforuoti flanšą. Šiame straipsnyje maksimali titano šildytuvų darbinė temperatūra PCB ėsdinimo linijose apibrėžiama kaip plyšio formos, chlorido kiekio ir vario jonų tirpalo oksidacinės galios funkcija.

Plyšinės korozijos vario chlorido tirpaluose mechanizmas
Titano plyšinės korozijos procesas chloride{0}}turintis nustatymus vyksta keliais gerai nustatytais etapais. Tūrinis vario chlorido tirpalas (Cu^2+ koncentracija paprastai 1,5–2,5 M, Cl^- koncentracija 3–5 M) iš pradžių turi labai stiprų oksidacinį potencialą dėl Cu^2+/Cu^+ redokso poros. Standartinis Cu 2+ + e- sumažinimo potencialas? Cu + yra maždaug +0.153 V, palyginti su SHE, bet koncentruotuose chlorido tirpaluose potencialas gali būti nuo +0.4 iki +0.6 V prieš. JI per komplekso formavimąsi. Esant tokioms masinėms sąlygoms, 2 klasės titanas yra pasyvus su stabilia TiO2 plėvele. – Deguonies difuzija yra ribota plyšyje, atsirandančiame, kai PTFE arba polipropileno tarpiklis atsitrenkia į titano flanšą. Katodinės reakcijos suryja iš pradžių buvusį deguonį ir susidaro deguonies išeikvota zona. Trūkstant deguonies, titanas ištirpsta anodiškai, naudojant Cl⁻ jonus ir susidaro Ti3⁺ ir Ti⁴⁺ rūšys. Šių titano jonų hidrolizė sukelia vandenilio jonus (H+), kurie sumažina plyšio pH nuo beveik neutralaus (pH 6–7) iki pH 1–2.

Vario chlorido tirpaluose plyšių chemija dar labiau pablogėja dėl vario jonų chemijos. Plyšyje esantys vario jonai redukuojami į vario jonus (Cu⁺) arba metalinį varį, sunaudodami oksiduojančias medžiagas, kurios kitu atveju titaną pakartotinai pasisavintų. Susidariusios vario nuosėdos plyšyje tarnauja kaip katodinė vieta, kuri dar labiau skatina gretimo titano anodinį tirpimą. Šis autokatalizinis procesas, pradėtas, padidina plyšių ataką ir jo sklidimo greitis vario chlorido tirpaluose 50 laipsnių kampu yra 0,5–2,0 mm per metus, o to pakanka 1,65 mm storio šildytuvo flanšui perforuoti per vieną ar keturis mėnesius. Plyšinė korozija skiriasi nuo duobių tuo, kad ji sukelia platų ir perpjautą ataką, kuri greitai pablogina flanšų sandarinimo vientisumą.

Plyšio pradžios temperatūros priklausomybė
Kritinė plyšio temperatūra (CCT) 2 laipsnio titano vario chlorido tirpaluose yra temperatūra, kurią viršijus plyšio ataka prasidės per tam tikrą laiką, paprastai 72 valandas veikiant įprastomis bandymo sąlygomis (ASTM G78-15 metodas, kuriame naudojami keli plyšių mazgai). Eksperimentiniai panardinimo bandymų duomenys rodo, kad 200 g/l CuCl2.2H2O (apytiksliai . 170 g/L Cl-) sintetinio PCB ėsdinimo priemone, kurios pH yra 0,8 (pareguliuota su HCl), 2 laipsnio titano su PTFE įtrūkimo laipsniu CCT yra 35. Esant 35 laipsnių ar žemesnei temperatūrai po 1000 valandų plyšių ataka nebuvo aptikta. Mažas įtrūkimas (0,1 mm) pastebimas po 500 valandų 40 laipsnių temperatūroje. Visi bandomieji mėginiai rodo, kad per 200 valandų 50 laipsnių kampu pakyla plyšys. Plyšio perforacija 60 laipsnių kampu yra mažesnė nei 72 valandos.

Tuo tarpu 7 laipsnio titano (Ti-0,15 Pd) CCT tame pačiame vario chlorido tirpale padidėja iki maždaug . 55 laipsnio. Liekamojo vario jonų kiekio mažinimas, kurį katalizuoja paladžio kiekis, skatina spontanišką repasyvavimą plyšių aplinkoje, išlaikant kilnesnį potencialą net ir ribotomis masės transportavimo sąlygomis. 7 laipsnio mėginiai 60 laipsnių kampu, su paviršiniu plyšiu (prasiskverbimas 0,05–0,1 mm) po 1000 valandų, bet be sienelės perforacijos. Esant 70 laipsnių kampui, 7 laipsnis rodo didelį įtrūkimą, kai prasiskverbimo greitis didesnis nei 0,5 mm per metus. Šie duomenys apibrėžia maksimalią saugią 2 laipsnio titano panardinamojo šildytuvo vario chlorido PCB ėsdinimo priemone saugią darbo temperatūrą, kad būtų išvengta plyšių korozijos flanšinėse jungtyse. Didžiausia saugi 7 klasės titano temperatūra yra 55 laipsniai.

Flanšo dizaino ir geometrijos efektai
Ne kiekvienas plyšys yra vienodai žalingas. Svarbūs veiksniai yra plyšio tarpo plotis, plyšio gylis ir išorinio paviršiaus ploto ir vidinio plyšio ploto santykis. Bandymai pagal ASTM G78 rodo, kad sunkiausias sąlygas sukuria mažesni nei 0,1 mm plyšiai, o tai būdinga gerai prisukamoms PTFE tarpinėms prie apdirbto flanšo paviršiaus, nes siauras tarpas maksimaliai apriboja deguonies difuziją ir tirpalo stagnaciją. Tarpai nuo 0,1 iki 0,25 mm sukelia atakos sunkumą vidutiniame diapazone, o didesni nei 0,5 mm tarpai paprastai leidžia pakankamai pasikeisti tirpalu, kad būtų išvengta autokatalizinio rūgštėjimo. Paradoksalu, bet minkšti elastomeriniai tarpikliai (Viton, EPDM) ant titano šildytuvo flanšų, kurie prisitaiko prie paviršiaus defektų, bet nepasiekia nulinio{10}}tarpo kontakto, gali padidinti atsparumą įtrūkimams, palyginti su standžiomis PTFE tarpinėmis, kurios užtikrina beveik tobulą sandarumą.

Flanšo paviršiaus apdaila taip pat turės įtakos CCT. Mechaniškai poliruoti flanšai (Ra 0,4 µm) turi geresnį atsparumą įtrūkimams nei apdirbti (Ra 1,6 µm) arba marinuoti paviršiai. Poliruotas paviršius sumažina mikro įtrūkimų skaičių ir pašalina paviršiaus kišenes, kuriose yra sustingęs tirpalas. Optimalus vario chlorido eksploatavimo dizainas esant aukštesnei nei 40 laipsnių temperatūrai yra suvirintos flanšinės jungtys, kuriose šildytuvo vamzdis suvirinamas tiesiai prie titano montavimo plokštės be atskiro tarpiklio, taip visiškai pašalinant plyšį. Tačiau suvirintieji flanšai apsunkina šildytuvo pakeitimą, todėl suvirinimo kokybė turi būti atidžiai kontroliuojama, kad būtų išvengta karščio{9}}veikiamos zonos jautrumo.

PCB ėsdinimo šildytuvai Maksimalios darbinės temperatūros matrica
1 lentelėje pateikiami plyšių korozijos duomenys, temperatūros apribojimai ir flanšo konstrukcijos parinktys, kad būtų pateiktos įmanomos vario chlorido ėsdinimo linijų veikimo ribos. Visos vertės yra panardintos į gazuotą ėsdinimo tirpalą su tipiška PCB vonios apykaita (visas pakeitimas kas 2–4 savaites).

Šildytuvo konfigūracija Flanšo / tarpiklio tipas Tūrinė vonia Cl⁻ (g/L) Maksimali saugi veikimo temperatūra Laikas iki plyšio perforacijos (1,65 mm flanšas)
Grade 2 titanium flange PTFE gasket, 0.1 mm gap (torqued) 150-200 30°C >24 mėnesiai (30 laipsnių); 2-3 mėnesiai (50 laipsnių)
2 laipsnio titanas, poliruotas flanšas Viton tarpiklis, reguliuojamas tarpas 0,3 mm 150-200 35 laipsnis 12-18 mėn (esant 35 laipsnių ); 4-6 mėnesiai (45 laipsnių temperatūroje)
Titano klasė 2, Visiškai prasiskverbiantis suvirintas flanšas (be tarpiklio) 150-200 40 laipsnis 8-12 mėnesių (esant 40 laipsnių); apribotas duobėmis, o ne plyšiais
Titanium grade 7 machined flange PTFE gasket torqued 150-200 50°C >24 mėnesiai (50 laipsnių) 6-8 mėnesiai (60 laipsnių)
7 laipsnio titano, poliruoto flanšo EPDM tarpiklis, 0,25 mm tarpas 200-250 55 laipsnis 18-24 mėn (55 laipsniai ); Suvirinimas pageidautina virš 55 laipsnių
Titano klasė 7 Suvirintas flanšas su sumažintu įtempių suvirinimu 200-250 60 laipsnis Pašalinti įtrūkimai; duobės reguliuoja gyvenimą (įprastai 3-5 metai)
Veikimo kintamieji, turintys įtakos temperatūros riboms
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), plyšinės korozijos rizika sumažėja, nes biriame tirpale yra mažiau agresyvios chlorido cheminės medžiagos ir mažesnė vandenilio jonų koncentracija. Tačiau PCB ėsdinimo greitis sumažėja iki nepriimtinai žemo lygio, viršijančio pH 1,2, todėl pH negalima padidinti nesumažėjus gamybos našumui. Organinių priedų (korozijos inhibitorių, paviršinio aktyvumo medžiagų arba ėsdinimo greitį skatinančių medžiagų) pridėjimas gali pagerinti arba sumažinti atsparumą įtrūkimams. Kai kurie benzotriazolo pagrindu pagaminti inhibitoriai sudaro apsaugines plėveles ir padidina CCT 5–10 laipsnių, o joninės aktyviosios paviršiaus medžiagos prasiskverbia į plyšius ir pagreitina ataką.

Vonios vėdinimas ir maišymas yra labai svarbūs. Aktyvus purškimas oru arba deguonimi palaiko didesnį redokso potencialą biriame tirpale ir skatina deguonies transportavimą į plyšių angas, padidindamas CCT 8–12 laipsnių tiek 2, tiek 7 laipsnio atveju. Natūralios konvekcijos PCB ėsdinimo linijų plyšių korozijos greitis yra daug didesnis nei naudojant povandeninius purškimo strypus arba purškimo srautą. Kita vertus, sunkiausios plyšių situacijos atsiranda statinėse voniose arba linijose su pertraukiama cirkuliacija (pvz., nakties išjungimai), nes stacionarus intervalas leidžia visiškai išeikvoti deguonį plyšiuose.

Šildytuvo specifikacijų praktinės gairės
Įprastai 45–50 laipsnių temperatūrai (optimali ėsdinimo greičiui ir šoninių sienelių kokybei) PCB gamybos įrenginiuose, kuriuose veikia vario chlorido ėsdinimo linijos, 2 laipsnio panardinami titano šildytuvai su flanšinėmis jungtimis netinka nepriklausomai nuo sienelės storio. Numatomas 2 laipsnio plyšių korozijos tarnavimo laikas yra nuo trijų iki šešių mėnesių esant 45 laipsnių temperatūrai, todėl vonia per anksti užteršiama titano jonais (kurie trukdo ėsdinimo chemijai) ir neplanuotai nutraukiama gamyba. Inžinieriai turi nurodyti 7 laipsnio titaną su suvirintais flanšais (rekomenduojama) arba sukurti šildytuvo sistemą, kad ji veiktų žemesnėje temperatūroje (maks. 35 laipsniai) su pakoreguotu ėsdinimo laiku, kad veiktų 45–50 laipsnių temperatūroje.

Naujiems PCB ėsdinimo linijos įrengimams patikimiausias pasirinkimas yra 7 klasės titano šildytuvas, kurio vamzdis ir tvirtinimo flanšas yra pagaminti iš vieno kalto titano gabalo, pašalinant visus įtrūkimus, išskyrus tuos, kurie yra elektros tiekimo angose. Kai reikalingos flanšinės jungtys (dažniausiai šildytuvams, kuriuos reikia retkarčiais nuimti valant), nurodykite 7 klasės titaną su poliruoto flanšo paviršiumi, EPDM tarpiklius, suspaustus iki reguliuojamo 0,2–0,3 mm tarpo, ir aktyvią vonios cirkuliaciją, palaikomą tuščiosios eigos metu. Šiais parametrais 7 klasės 1,65 mm storio flanšas užtikrina penkerių metų eksploataciją 50 laipsnių kampu ir trejus metus 55 laipsnių kampu.

Išvada PCB oforto linijos inžinieriai
Maksimali titano panardinamojo šildytuvo eksploatavimo temperatūra vario chlorido PCB ėsdinimo priemone neapsiriboja atsparumu įdubimams biriame tirpale, bet jautrumu plyšinei korozijai flanšinėse jungtyse ir tarpikliuose. Saugi riba yra 35 laipsniai -virš šios temperatūros, 2 laipsnio titano įtrūkimai įvyksta per kelis mėnesius, todėl vonia užteršiama perforacija ir sustabdoma gamyba. 7 klasės titanui saugi riba padidinta iki 55 laipsnių, naudojant poliruotus flanšo paviršius ir kontroliuojamus tarpiklių tarpus. Galimas 7 laipsnio veikimas iki 60 laipsnių, o suvirintos flanšo konstrukcijos plyšiai tampa praeitimi. Nurodydami PCB ėsdinimo šildytuvą, inžinieriai turėtų apibrėžti ne tik pageidaujamą vonios temperatūrą ir chlorido koncentraciją, bet ir flanšo konstrukciją, tarpiklių medžiagą ir tai, ar vonia bus nuolat maišoma ar tuščiosios eigos metu. Toks detalumo lygis užtikrina, kad tiekėjas pateiks šildytuvo konfigūraciją, atitinkančią tikrąją plyšių korozijos riziką, ir pašalins įprastą gedimo režimą, dėl kurio daugiau nei 80 % titano šildytuvų pakeičiami PCB ėsdinimo paslaugoje.