Bakır Klorür Kullanılan PCB Aşındırma Hatlarında, Titanyum Daldırma Isıtıcı Flanşlı Bağlantılarda Aralık Korozyonu Olmadan Hangi Maksimum Çalışma Sıcaklığını Sürdürebilir?

Ana aşındırıcı olarak bakır klorür (CuCl2) kullanan baskılı devre kartı aşındırma hatları bazı benzersiz agresif koşullar altında çalışır: yüksek klorür konsantrasyonu (150-250 g/L), aşındırma hızı kontrolü için gereken yüksek sıcaklıklar ve güçlü oksitleyici ortamlar oluşturan bakır ve bakır iyonlarının varlığı. Bu sistemler, oksitleyici koşullar altında klorür çukurlaşmasına karşı mükemmel direnç nedeniyle genellikle titanyum daldırma ısıtıcılarla belirtilir, ancak belirli bir arıza modu, flanşlı bağlantılarda, dişli bağlantılarda ve contalı bağlantılarda aralık korozyonu, maksimum güvenli çalışma sıcaklığını sınırlar. Titanyum ısıtıcı flanşı ile polimerik bir conta veya farklı metal montaj plakası arasındaki durgun bölgelerde diferansiyel havalandırma hücreleri oluşabilir ve çatlak korozyonunu başlatabilir. Titanyum, 60 dereceye kadar toplu bakır klorür çözeltisinde iyi oyuklanma direncine sahipken, bir çatlak içindeki kimya önemli ölçüde değişebilir, bu da saldırının hızlanmasına ve flanşın birkaç hafta içinde delinmesine neden olabilir. Bu makalede, PCB aşındırma hatlarındaki titanyum ısıtıcıların maksimum çalışma sıcaklığı, aralık şeklinin, klorür içeriğinin ve bakır iyon çözeltisinin oksitleme gücünün bir fonksiyonu olarak tanımlanmaktadır.

Bakır klorür çözeltilerinde çatlak korozyonunun mekanizması
Klorür-içeren ortamlardaki titanyumun çatlak korozyonu süreci, bir dizi iyi belirlenmiş aşama aracılığıyla gerçekleşir. Yığın bakır klorür çözeltisi (Cu^2+ konsantrasyonu genellikle 1,5–2,5 M, Cl^- konsantrasyonu 3–5 M), Cu^2+/Cu^+ redoks çifti nedeniyle başlangıçta çok güçlü bir oksitleme potansiyeline sahiptir. Cu 2+ + e- için standart indirgeme potansiyeli ? Cu +, SHE'ye karşı +0.153 V civarındadır ancak konsantre klorür çözeltilerinde potansiyel, +0.4 ila +0.6 V'ye kadar yüksek olabilir. Kompleks oluşumu yoluyla SHE. Bu yoğun koşullar altında Grade 2 titanyum, stabil TiO2 filmi ile pasiftir. – PTFE veya polipropilen conta titanyum flanşa çarptığında oluşan aralıkta oksijen difüzyonu sınırlıdır. Katodik reaksiyonlar başlangıçta mevcut olan oksijeni yok eder ve oksijeni-tükenmiş bir bölge oluşur. Oksijenin yokluğunda titanyum anodik olarak çözünür, Cl⁻ iyonlarını kullanır ve Ti³⁺ ve Ti⁴⁺ türlerini oluşturur. Bu titanyum iyonlarının hidrolizi, yarık pH'ını neredeyse nötrden (pH 6-7) pH 1-2'ye kadar düşüren hidrojen iyonları (H+) ile sonuçlanır.

Bakır klorür çözeltilerinde çatlak kimyası, bakır iyonunun kimyası nedeniyle daha da kötüleşir. Çatlaktaki bakır iyonları bakır iyonlarına (Cu⁺) veya metalik bakıra indirgenir ve aksi takdirde titanyumu yeniden pasifleştirecek oksitleyici türleri tüketir. Aralıkta ortaya çıkan bakır birikintisi, bitişik titanyumun anodik çözünmesini daha da artıran katodik bir bölge görevi görür. Bu otokatalitik süreç, bir kez başlatıldığında çatlak saldırısını arttırır ve 50 derecede bakır klorür çözeltilerinde yılda 0,5 ila 2,0 mm olarak kaydedilen yayılma oranlarına sahiptir; bu, 1,65 mm kalınlığındaki bir ısıtıcı flanşını bir ila dört ay içinde delmek için yeterlidir. Aralık korozyonu, flanşların sızdırmazlık bütünlüğünü hızlı bir şekilde bozan geniş ve alttan kesikli bir saldırıyla sonuçlanması açısından çukurlaşmadan farklıdır.

Çatlak Başlangıç ​​Sıcaklığına Bağlılık
Bakır klorür çözeltilerindeki 2. Sınıf titanyum için kritik aralık sıcaklığı (CCT), bunun üzerinde, belirli bir süre içinde, genellikle geleneksel test koşulları altında (birden fazla aralık düzeneği kullanan ASTM G78-15 tekniği) 72 saatlik maruz kalma süresi içinde çatlak saldırısının başlayacağı sıcaklıktır. Daldırma testinden elde edilen deneysel veriler, pH 0,8'de (HCl ile ayarlanmış) 200 g/L CuCl2.2H2O (yaklaşık. 170 g/L Cl-) sentetik PCB aşındırıcısı için, PTFE aralık rondelasıyla Derece 2 titanyum için CCT'nin 35 derece olduğunu ortaya koymaktadır. 1000 saat sonra 35 derece ve daha düşük sıcaklıklarda herhangi bir çatlak saldırısı tespit edilmedi. 40 derecede 500 saat sonra küçük çatlak nüfuziyeti (0,1 mm) gözlenir. Tüm test numuneleri 200 saat içinde 50 derecede yarıktan saldırıyı gösteriyor. 60 derecede aralık delinmesi 72 saatten azdır.

Bu arada, 7. Derece titanyum (Ti-0.15Pd) için, aynı bakır klorür çözeltisindeki CCT, ca. 55 dereceye kadar artar. Paladyum içeriği tarafından katalize edilen artık kuprik iyonun azaltılması, aralık ortamında kendiliğinden yeniden pasivasyonu teşvik ederek, kısıtlı kütle taşıma koşulları altında bile daha asil bir potansiyel korur. 60 derecede Grade 7 numuneler, 1.000 saat sonra yüzeysel yarık atağı (0,05-0,1 mm nüfuz) ancak duvar boyunca perforasyon yok. 70 derecede, Derece 7, yılda 0,5 mm'den fazla nüfuz oranlarıyla önemli miktarda çatlak saldırısı gösterir. Bu veriler, flanşlı bağlantılarda çatlak korozyonunu önlemek için bakır klorür PCB asitli Grade 2 titanyum daldırma ısıtıcısının maksimum güvenli çalışma sıcaklığını 35 derece olarak tanımlar. Titanyum sınıfı 7 için güvenli maksimum sıcaklık 55 derecedir.

Flanş Tasarımı ve Geometrisinin Etkileri
Her çatlak aynı derecede zararlı değildir. Önemli faktörler aralık aralığı genişliği aralık derinliği ve dış yüzey alanının iç aralık alanına oranıdır. ASTM G78'e göre yapılan testler, en ağır koşulların 0,1 mm'den az aralık boşlukları tarafından oluşturulduğunu göstermektedir; bu, işlenmiş bir flanş yüzüne karşı iyi-torklanmış PTFE contalar için tipik bir durumdur, çünkü dar boşluk, oksijen difüzyonu ve çözelti durgunluğu sınırlamasını en üst düzeye çıkarır. 0,1 ila 0,25 mm'lik boşluklar orta aralıkta saldırı şiddeti oluşturur; 0,5 mm'den büyük boşluklar genellikle otokatalitik asitlenmeyi önlemek için yeterli çözelti değişimine izin verir. Çelişkili bir şekilde, titanyum ısıtıcı flanşlarındaki yüzey kusurlarını gideren ancak sıfır boşluk teması sağlamayan yumuşak elastomerik contalar (Viton, EPDM), mükemmele yakın sızdırmazlık sağlayan sert PTFE contalara kıyasla çatlak direncini artırabilir.

Flanş yüzeyinin kalitesi de CCT'yi etkileyecektir. Mekanik olarak parlatılmış flanşlar (Ra 0,4 µm), makineyle işlenmiş (Ra 1,6 µm) veya asitle temizlenmiş yüzeylere göre daha iyi bir çatlak direncine sahiptir. Cilalı yüzey, mikro-yarıkların miktarını en aza indirir ve durgun çözeltiyi tutan yüzey ceplerini ortadan kaldırır. 40 derecenin üzerindeki sıcaklıklarda bakır klorür hizmeti için en uygun tasarım, ısıtma borusunun ayrı bir conta olmadan doğrudan titanyum montaj plakasına kaynaklandığı, böylece yarıkların tamamen ortadan kaldırıldığı kaynaklı flanş bağlantılarıdır. Ancak kaynaklı flanşlar ısıtıcının değiştirilmesini zorlaştırır ve ısıdan- etkilenen bölgenin hassaslaşmasını önlemek için kaynak kalitesinin dikkatli bir şekilde kontrol edilmesi gerekir.

PCB Aşındırma Isıtıcıları Maksimum Çalışma Sıcaklığı Matrisi
Tablo 1, bakır klorür aşındırma hatları için uygun çalışma sınırlarını vermek üzere aralık korozyonu verilerini, sıcaklık sınırlamalarını ve flanş tasarımı seçeneklerini bir araya getirmektedir. Tüm değerler, tipik PCB banyosu döngüsüyle (her 2-4 haftada bir tam değiştirme) havalandırmalı aşındırıcıya daldırıldığını varsayar.

Isıtıcı Konfigürasyonu Flanş/Conta Tipi Toplu Banyo Cl⁻ (g/L) Maksimum Güvenli Çalışma Sıcaklığı Aralık deliğine kadar geçen süre (1,65 mm flanş)
Grade 2 titanium flange PTFE gasket, 0.1 mm gap (torqued) 150-200 30°C >24 ay (30 derece); 2-3 ay (50 derece)
2. sınıf titanyum, cilalı flanş Viton conta, düzenlenmiş boşluk 0,3 mm 150-200 35 derece 12-18 ay (35 derecede); 4-6 ay (45 derecede)
Titanyum sınıfı 2, Tam nüfuziyetli kaynaklı flanş (contasız) 150-200 40 derece 8-12 ay (40 derecede); çatlaklarla değil çukurlaşmalarla sınırlıdır
Titanium grade 7 machined flange PTFE gasket torqued 150-200 50°C >24 ay (50 derece) 6-8 ay (60 derece)
7. sınıf titanyum, cilalı flanş EPDM conta, 0,25 mm boşluk 200-250 55 derece 18-24 ay (55 derece); 55 derecenin üzerinde kaynak tercih edilir
Titanyum Sınıf 7 Gerilimi giderilmiş kaynaklı flanş 200-250 60 derece Yarıklar kaldırıldı; çukurlaşma yaşamı düzenler (normalde 3-5 yıl)
Sıcaklık Limitlerini Etkileyen Operasyonel Değişkenler
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 (>Şekil 1.5), toplu çözeltinin daha az agresif klorür kimyasına ve daha düşük hidrojen iyonu konsantrasyonuna sahip olması nedeniyle çatlak korozyonu riski azalır. Bununla birlikte PCB aşındırma oranları, pH 1,2'nin üzerinde kabul edilemeyecek kadar düşük seviyelere düşer ve dolayısıyla pH, üretim veriminde bir düşüş olmadan artırılamaz. Organik katkı maddelerinin (korozyon inhibitörleri, yüzey aktif maddeler veya aşındırma hızı arttırıcılar) eklenmesi çatlak direncini artırabilir veya azaltabilir. Bazı benzotriazol bazlı inhibitörlerin koruyucu filmler oluşturarak CCT'de 5-10 derecelik bir artışa neden olduğu, iyonik yüzey aktif maddelerin ise çatlaklara nüfuz ederek saldırıyı hızlandırdığı bilinmektedir.

Banyo havalandırması ve çalkalanması çok önemlidir. Hava veya oksijenle aktif serpme, toplu çözeltide daha yüksek redoks potansiyelini korur ve aralık açıklıklarına oksijen taşınmasını teşvik ederek hem Derece 2 hem de Derece 7 için CCT'yi 8-12 derece yükseltir. Doğal konveksiyonlu PCB aşındırma hatlarında aralık korozyon oranları, batık püskürtme çubukları veya jet çalkalama kullananlardan önemli ölçüde daha yüksektir. Öte yandan, en şiddetli aralık durumları, statik banyolarda veya aralıklı sirkülasyona sahip hatlarda (örn. gece kapatmaları) meydana gelir çünkü sabit aralıklar, aralıklar içindeki oksijenin tamamen tükenmesine izin verir.

Isıtıcı Spesifikasyonu Pratik Yönergeler
Bakır klorür aşındırma hatlarını çalıştıran PCB imalat tesisleri için 45-50 derecelik ortak hedef sıcaklık (aşılama hızı ve yan duvar kalitesi için ideal) için, flanş bağlantılı Grade 2 titanyum daldırma ısıtıcılar, duvar kalınlığından bağımsız olarak uygun değildir. Derece 2'nin tahmini aralık korozyonu ömrü 45 derecede üç ila altı aydır, bu da banyonun titanyum iyonlarıyla (aşılama kimyasına müdahale eden) erken kirlenmesine ve plansız üretim kesintilerine neden olur. Mühendislerin, kaynaklı flanşlarla (önerilen) Grade 7 titanyumu belirtmeleri veya ısıtıcı sistemini, 45-50 derecede çalışmak üzere düzeltilmiş aşındırma süresiyle daha düşük sıcaklıklarda (maks. 35 derece) çalışacak şekilde oluşturmaları gerekir.

PCB aşındırma hattının yeni kurulumları için en güvenilir seçim, boru ve montaj flanşının elektrik besleme geçişleri dışındaki tüm çatlakları ortadan kaldıran tek parça dövme titanyumdan yapıldığı 7. Sınıf titanyum ısıtıcıdır. Flanşlı bağlantıların gerekli olduğu durumlarda - genellikle temizlik için ara sıra çıkarılması gereken ısıtıcılar için - cilalı flanş yüzlerine sahip Grade 7 titanyum, 0,2-0,3 mm'lik düzenlenmiş bir boşluğa sıkıştırılmış EPDM contalar ve boşta kalma süreleri boyunca korunan aktif banyo sirkülasyonunu belirtin. Bu ayarlarda 1,65 mm kalınlığındaki Grade 7 flanş 50 derecede beş yıl, 55 derecede üç yıl hizmet vermektedir.

Sonuç PCB Gravür Hattı Mühendisleri
Bakır klorür PCB aşındırıcısındaki bir titanyum daldırma ısıtıcı için maksimum servis sıcaklığı, toplu çözeltideki çukurlaşmaya karşı dirençle sınırlı değildir, ancak flanşlı bağlantılarda ve contalı bağlantılarda çatlak korozyonuna duyarlılıkla sınırlıdır. Güvenli sınır bu sıcaklığın 35 derece -üzerindedir; 2. Sınıf titanyum için aylar içinde çatlak saldırısı meydana gelir ve delinmenin banyoyu kirletmesine ve üretimin durmasına yol açar. Grade 7 titanyum için, cilalı flanş yüzeyleri ve kontrollü conta boşlukları ile güvenlik sınırı 55 dereceye yükseltilmiştir. 60 dereceye kadar Grade 7 operasyon mümkündür ve kaynaklı flanş yapısı çatlakları geçmişte bırakır. PCB aşındırma için bir ısıtıcı belirlerken, mühendisler sadece istenen banyo sıcaklığını ve klorür konsantrasyonunu değil aynı zamanda flanş tasarımını, conta malzemesini ve banyonun sürekli çalkalamada mı yoksa boşta mı kalacağını da tanımlamalıdır. Bu düzeydeki ayrıntı, tedarikçinin gerçek çatlak korozyonu riskine uygun bir ısıtıcı konfigürasyonu sunmasını sağlar ve PCB gravür hizmetinde titanyum ısıtıcı değişimlerinin %80'inden fazlasından sorumlu olan yaygın arıza modunu ortadan kaldırır.