Voiko kaupallisesti puhdas titaani korvata tantaalin upotuslämmittimen vaippamateriaalina painettujen piirilevyjen kehityslinjoissa, joissa käytetään alkalisia etsausaineita?

Tämä on erityinen materiaalihaaste painettujen piirilevyjen kehityslinjoissa, joissa käytetään alkalisia syövytyksiä, yleensä natrium- tai kaliumhydroksidiliuoksia 50-60 oC:ssa. Tantaali on ollut valittu materiaali uppolämmittimiin tässä palvelussa, koska se kestää erinomaisesti syövyttävää vaikutusta. Tantaalin korkea hinta (noin 15{6}}20 kertaa titaaniin verrattuna) ylläpitää kuitenkin kiinnostusta taloudellisesti puhtaaseen titaaniin käyttökelpoisena korvikkeena. Kysymys ei ole siitä, selviääkö titaani emäksisissä etsausaineissa - se selviää tietyissä olosuhteissa - vaan siitä, pystyykö se vastaamaan tantaalin luotettavuutta ja käyttöikää PCB-kehityslinjojen erityisessä ympäristössä, jossa syövytyskemia sisältää hydroksidin lisäksi myös kompleksinmuodostajia, pinta-aktiivisia aineita ja hivenmetalli-ioneja liuenneesta kuparista. Grade 2 titaanin ja tantaalin korroosionkestävyyttä alkalisissa PCB-etsausaineissa verrataan ja olosuhteet onnistuneelle titaanin korvaamiselle tantaalilla määritetään.

Titaanin korroosiokäyttäytyminen alkalisissa väliaineissa
Titaanissa on amfoteerinen oksidipinnoite, joka on stabiili happamissa ja emäksisissä ympäristöissä, vaikka sen stabiilisuusalue on rajallinen. Natriumhydroksidiliuoksissa, joiden pitoisuus on alle 20 % ja lämpötiloissa alle 80 astetta, luokan 2 titaani säilyttää passiivisen kerroksen, jonka korroosionopeus on alle 0,02 mm vuodessa. Pitoisuuden tai lämpötilan noustessa passiivinen kalvo alkaa liueta ja titaani tuottaa liukoisia titanaattilajeja (Na 2 TiO 3 tai Na 4 TiO 4 ). Grade 2 titaani syöpyy ~0,03-0,05 mm/v 60 C:ssa 15 % NaOH:ssa, tyypillisesti PCB:n emäksisille kehityslinjoille, hyvin hyväksyttävissä rajoissa 1,65 mm:n seinäputkelle, jonka odotetaan kestävän 5-7 vuotta.

Vakavampi ongelma on kaustinen jännityskorroosiohalkeilu (SCC). Titaani voi olla herkkä SCC:lle tiivistetyissä hydroksidiliuoksissa korotetuissa lämpötiloissa (yli 70 astetta), kun putken taivutuksesta tai hitsauksesta aiheutuu jäännösvetoluukkuja. SCC:n vaara on minimaalinen, mutta ei merkityksetön PCB:n keskimääräisessä kehityslämpötilassa 55 - 60 C. Hitsatuissa putken päissä ja mekaanisesti laajennetuissa putkilevyissä on jäännösjännityksiä, jotka voivat aiheuttaa halkeamia, jos etsausainepitoisuus ajautuu ylöspäin tai lämpötilapoikkeamia tapahtuu. Tantaali on kuitenkin käytännössä läpäisemätön emäksiselle SCC:lle 150 asteeseen asti.

Etsauslisäaineiden ja kuparikontaminaation vaikutus
Kaupallisilla alkalisilla PCB-etsauslisäaineilla on dramaattinen vaikutus titaanin suorituskykyyn. Orgaaniset kelatoivat kemikaalit, kuten EDTA tai ammoniakki-pohjaiset yhdisteet, voivat kelatoida titaani-ioneja ja nopeuttaa passiivikerroksen hajoamista. Pinta-aktiiviset aineet voivat adsorboitua pintaan ja suojata sitä tai diffundoitua kalvon aukkoihin ja vahingoittaa pintaa. Mikä tärkeintä, syövytetyistä piirilevyistä liuennut kupari kerääntyy syövytyskylpyyn. Syrjäytysreaktioiden avulla (Ti + Cu2+ → Ti2+ + Cu0) on mahdollista saostaa metallista kuparia titaanipinnoille kupari-ioneina (Cu2+). Tämä kuparikerrostuma muodostaa galvaanisen parin: kupari on katodista titaaniin nähden alkalisissa liuoksissa, mikä aiheuttaa titaanin anodista liukenemista kerrostumien rajoilla. Paikallinen hyökkäys kuparikerrostumien alla on rei'ittänyt 1,65 mm:n titaaniputket PCB-käyttöön 12-18 kuukaudessa, kun taas tantaali on tarpeeksi jaloa, ettei kupari kerrostu tai aiheuta galvaanista hyökkäystä.

Sovellusmatriisi: Titaani vs. tantaali alkalisille PCB-lämmittimille Parametri Tyypilliset kylpyolosuhteet etsaukseen Titaani mieluummin kuin tantaali? Odotettu titaanin käyttöikä (1,65 mm) Suositeltu materiaali
tuore kehite ei kuparia puhdas järjestelmä 10-15 % NaOH tai KOH 55 astetta ei lisäyksiä Kyllä, täydellinen 5-8 vuotta Grade 2 titaani.
Tuotantokehittäjä, vähän kuparia (<5 g/L) Same plus 2-5 g/L CuYes, with monitoring 3-5 years Grade 2 titanium
Tuotantokehitin, runsaasti kuparia (5-15 g/L) Sama plus Cu 5-15 g/LNo, nopea vaikutus 12-24 kuukautta Tantaali tai Grade 7 titaani Etsausaine EDTA:lla tai kompleksinmuodostajilla NaOH 10-15% + kelaattoreita Ei, nopea kalvon kesto 6-12 kuukautta Tantaali yksinomaan
Korkean lämpötilan linja (65-70 astetta) 15-20 % NaOH, lämpörasitusSCC riski Ei<12 months Tantalum
Poistamislinja (emäs + orgaaninen liuotin) Orgaaniset amiinit (muuttuva)* Titaani hyökätty Ei.<6 months Tantalum or steel lined
Johtopäätös PCB Heater Spec.
Kaupallisesti puhdasta titaania voidaan pitää tantaalin korvikkeena emäksisten PCB-kehityslinjojen uppolämmittimen vaippamateriaalina, mutta vain tietyissä, tarkasti säädellyissä olosuhteissa: hydroksidipitoisuus alle 15 %, lämpötila alle 60 astetta, liuennut kupari alle 5 g/l eikä aggressiivisia kompleksinmuodostajia. Tällaisissa olosuhteissa luokan 2 titaani, jonka seinämän paksuus on 1,65 mm, tarjoaa 3-5 vuoden käyttöiän noin 5-10 %:lla tantaalin hinnasta. Jos kuparia kertyy tuotantolinjalla yli 5 g/l tai jos linjalla käytetään kelatoitua etsausainetta tai mitä tahansa palvelua yli 60 astetta, titaani hajoaa ennenaikaisesti galvaanisen hyökkäyksen tai syövyttävän SCC:n vuoksi. Näissä olosuhteissa tantaali on edelleen todistettu standardi, ja yritykset korvata titaania johtavat odottamattomiin seisokkeihin ja kylvyn saastumiseen, jotka ovat paljon suuremmat kuin alkuperäiset materiaalisäästöt.