Kuparikloridia käyttävissä PCB-etsauslinjoissa mikä korkein käyttölämpötila voi kestää titaani-uppolämmitin ilman rakokorroosiota laippaliitoksissa?

Painetun piirilevyn syövytyslinjat, jotka käyttävät kuparikloridia (CuCl2) pääsyövytysaineena, toimivat joissakin ainutlaatuisissa aggressiivisissa olosuhteissa: korkea kloridipitoisuus (150-250 g/L), korkeat lämpötilat, joita vaaditaan syövytysnopeuden säätelyyn, sekä kupri- ja kupari-ionien läsnäolo, jotka luovat voimakkaita hapettavia ympäristöjä. Näissä järjestelmissä käytetään yleensä titaanisia uppolämmittimiä, koska ne kestävät erinomaisesti kloridipistekuormitusta hapettavissa olosuhteissa, mutta erityinen vikatila, rakokorroosio laippaliitoksissa, kierreliittimissä ja tiivisteliitoksissa rajoittaa turvallista maksimikäyttölämpötilaa. Differentiaaliilmastuskennoja voi muodostua pysähtyneille alueille titaanilämmittimen laipan ja polymeerisen tiivisteen tai erilaisen metallisen asennuslevyn väliin ja ne voivat aiheuttaa rakokorroosiota. Vaikka titaanilla on hyvä pistesyöpymiskestävyys bulkkikuparikloridiliuoksessa 60 asteeseen asti, kemia rakon sisällä voi muuttua dramaattisesti, mikä johtaa kiihtyneeseen hyökkäykseen ja laipan rei'ittämiseen muutamassa viikossa. Tässä artikkelissa PCB-etsauslinjojen titaanilämmittimien maksimikäyttölämpötila määritellään rakon muodon, kloridipitoisuuden ja kupri-ioniliuoksen hapetuskyvyn funktiona.

Rakokorroosion mekanismi kuparikloridiliuoksissa
Titaanin rakokorroosioprosessi kloridissa{0}}sisältää asetuksia useiden vakiintuneiden vaiheiden kautta. Bulkkikuparikloridiliuoksella (Cu^2+-pitoisuus tavallisesti 1,5-2,5 M, Cl^--pitoisuus 3-5 M) on aluksi erittäin voimakas hapetuspotentiaali Cu^2+/Cu^+-pelkistysparin vuoksi. Normaali vähennyspotentiaali Cu 2+ + e- ? Cu + on noin +0.153 V vs. SHE, mutta tiivistetyissä kloridiliuoksissa potentiaali voi olla jopa +0.4 - +0.6 V vastaan. SHE kompleksin muodostuksen kautta. Näissä bulkkiolosuhteissa titaani Grade 2 on passiivinen stabiilin TiO2-kalvon kanssa. – Hapen diffuusio on rajoitettua rakossa, joka syntyy, kun PTFE- tai polypropeenitiiviste osuu titaanilaippaan. Katodireaktiot nielevät alun perin olemassa olevan hapen ja muodostuu happi{24}}tyhjentynyt vyöhyke. Hapen puuttuessa titaani liukenee anodisesti käyttämällä Cl--ioneja ja muodostaen Ti3+- ja Ti4+-lajeja. Näiden titaani-ionien hydrolyysi johtaa vetyioneihin (H+), jotka laskevat rako-pH:n lähes neutraalista (pH 6-7) niinkin alhaiseksi kuin pH 1-2.

Kuparikloridiliuoksissa rakokemiaa pahentaa entisestään kupari-ionin kemia. Raossa olevat kupri-ionit pelkistyvät kupari-ioneiksi (Cu⁺) tai metallikupariksi kuluttaen hapettavia lajeja, jotka muutoin repasivoisivat titaania. Raossa oleva kuparikerrostuma toimii katodisena kohdana, joka edelleen edistää viereisen titaanin anodista liukenemista. Tämä autokatalyyttinen prosessi, kun se on käynnistetty, lisää rakohyökkäystä ja sen etenemisnopeudet kuparikloridiliuoksissa 50 asteessa kirjataan 0,5-2,0 mm vuodessa, mikä riittää 1,65 mm paksun lämmittimen laipan rei'ittämiseen yhdestä neljään kuukaudessa. Rakokorroosio eroaa pistekorroosiosta siinä, että se aiheuttaa leveän ja aleneman hyökkäyksen, mikä heikentää nopeasti laippojen tiivisteen eheyttä.

Raon aloituslämpötilan riippuvuus
Kriittinen rakolämpötila (CCT) titaanin luokan 2 kuparikloridiliuoksissa on lämpötila, jonka yläpuolella rakohyökkäys alkaa tietyn ajan kuluessa, tyypillisesti 72 tunnin altistuksessa tavanomaisissa testiolosuhteissa (ASTM G78-15-tekniikka, jossa käytetään useita rakokokoonpanoja). Upotustestauksen kokeelliset tiedot osoittavat, että synteettiselle PCB-etsausaineelle, jonka pitoisuus on 200 g/l CuCl2.2H2O:ta (noin . 170 g/l Cl-) pH-arvossa 0,8 (säädetty HCl:lla), CCT Grade 2 titaanille, jossa on PTFE-rakoaste, on 35. Rakohyökkäystä ei havaittu 35 asteen tai sitä alhaisemmissa lämpötiloissa 1000 tunnin jälkeen. Pieni rakotunkeuma (0,1 mm) havaitaan 500 tunnin jälkeen 40 asteessa. Kaikki testinäytteet osoittavat rakon läpi tapahtuneen hyökkäyksen 50 asteen kulmassa 200 tunnin sisällä. Raon rei'itys 60 asteen kulmassa on alle 72 tuntia.

Samaan aikaan luokan 7 titaanin (Ti-0,15Pd) CCT samassa kuparikloridiliuoksessa kasvaa noin . 55 asteeseen. Palladiumpitoisuuden katalysoima jäännöskupari-ionin väheneminen edistää spontaania repassivoitumista rakoympäristössä ja säilyttää jalomman potentiaalin myös rajoitetuissa massakuljetusolosuhteissa. Asteen 7 näytteet 60 asteen kulmassa, pinnallinen rakohyökkäys (läpäisy 0,05-0,1 mm) 1 000 tunnin jälkeen, mutta ei seinämän läpimenoa. 70 asteen kulmassa luokka 7 osoittaa huomattavaa rakohyökkäystä yli 0,5 mm/vuosi tunkeutumisnopeudella. Nämä tiedot määrittelevät 35 asteen luokan 2 titaanisupistuslämmittimen turvalliseksi maksimilämpötilaksi kuparikloridi-PCB-etsausaineessa rakokorroosion välttämiseksi laippaliitoksissa. Titaaniluokan 7 turvallinen maksimilämpötila on 55 astetta.

Laipan suunnittelun ja geometrian vaikutukset
Kaikki halkeamat eivät ole yhtä haitallisia. Tärkeitä tekijöitä ovat rakovälin leveys, rakon syvyys ja ulkopinnan suhde sisäraon pinta-alaan. ASTM G78:n mukainen testaus osoittaa, että vaikeimmat olosuhteet syntyvät alle 0,1 mm:n rakovälillä, mikä on tyypillistä hyvin kiristetyille PTFE-tiivisteille koneistettua laippapintaa vasten, koska kapea rako maksimoi hapen diffuusion ja liuoksen pysähtymisen rajoituksen. 0,1–0,25 mm:n raot aiheuttavat hyökkäyksen vakavuuden keskialueella, ja yli 0,5 mm:n raot sallivat yleensä riittävän liuoksen vaihdon autokatalyyttisen happamoitumisen välttämiseksi. Paradoksaalista kyllä, pehmeät elastomeeriset tiivisteet (Viton, EPDM) titaanilämmittimen laippoissa, jotka mukautuvat pintavirheisiin mutta eivät saavuta nolla{10}}rakokontaktia, voivat lisätä rakovastusta verrattuna jäykiin PTFE-tiivisteisiin, jotka saavuttavat lähes täydellisen tiivistyksen.

Myös laipan pintakäsittely vaikuttaa CCT:hen. Mekaanisesti kiillotetuilla laippoilla (Ra 0,4 µm) on parempi rakovastus kuin -koneistetuilla (Ra 1,6 µm) tai peittamilla pinnoilla. Kiillotettu pinta minimoi mikro-halkeamien määrän ja poistaa pintataskut, jotka sisältävät pysähtyneen liuoksen. Optimaalinen rakenne kuparikloridin käyttöön yli 40 asteen lämpötiloissa on hitsatut laippaliitokset, joissa lämmitinputki on hitsattu suoraan titaanista valmistettuun asennuslevyyn ilman erillistä tiivistettä, jolloin rako poistetaan kokonaan. Mutta hitsatut laipat vaikeuttavat lämmittimen vaihtamista, ja hitsin laatua on valvottava huolellisesti, jotta vältetään lämpövaikutusalueen herkistyminen.

PCB-etsauslämmittimet Maksimikäyttölämpötilamatriisi
Taulukossa 1 on yhdistetty rakokorroosiotiedot, lämpötilarajoitukset ja laipan suunnitteluvaihtoehdot mahdollistavat käyttörajat kuparikloridin etsauslinjoille. Kaikki arvot olettavat upotuksen ilmastettuun etsausaineeseen tyypillisellä piirilevykylvyn vaihdolla (täysi vaihto 2-4 viikon välein).

Lämmittimen kokoonpano Laippa/tiivistetyyppi Bulkkikylpy Cl⁻ (g/L) Suurin turvallinen käyttölämpötila Aika rakon rei'itykseen (1,65 mm laippa)
Grade 2 titanium flange PTFE gasket, 0.1 mm gap (torqued) 150-200 30°C >24 kuukautta (30 astetta); 2-3 kuukautta (50 astetta)
Grade 2 titaani, kiillotettu laippa Viton-tiiviste, säädelty rako 0,3 mm 150-200 35 astetta 12-18 kuukautta (35 asteessa ); 4-6 kuukautta (45 asteessa)
Titaaniluokka 2, Täysi läpitunkeuma hitsattu laippa (ei tiivistettä) 150-200 40 aste 8-12 kuukautta (40 asteessa); rajoittaa kuoppaus, ei rako
Titanium grade 7 machined flange PTFE gasket torqued 150-200 50°C >24 kuukautta (50 astetta) 6-8 kuukautta (60 astetta)
Grade 7 titaani, kiillotettu laippa EPDM-tiiviste, 0,25 mm rako 200-250 55 astetta 18-24 kuukautta (55 astetta); hitsaus mieluiten yli 55 astetta
Titanium Grade 7 Hitsattu laippa jännityksenpoistohitsauksella 200-250 60 astetta Raot poistettu; Pitting säätelee käyttöikää (tavallisesti 3-5 vuotta)
Toimintamuuttujat, jotka vaikuttavat lämpötilarajoihin
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), rakokorroosion riski on pienentynyt, koska bulkkiliuoksella on vähemmän aggressiivinen kloridikemia ja pienempi vetyionipitoisuus. Kuitenkin PCB:n syövytysnopeudet laskevat liian alhaisille tasoille, jotka ovat yli pH 1,2:n, ja siten pH:ta ei voida nostaa ilman tuotantokapasiteetin laskua. Orgaanisten lisäaineiden (korroosionestoaineiden, pinta-aktiivisten aineiden tai etsausnopeutta tehostavien aineiden) lisääminen voi parantaa tai heikentää rakojen vastustuskykyä. Jotkut bentsotriatsolipohjaiset estäjät muodostavat suojakalvoja ja lisäävät CCT:tä 5-10 astetta, kun taas ionisten pinta-aktiivisten aineiden tiedetään tunkeutuvan rakoihin ja kiihdyttävän hyökkäystä.

Kylvyn ilmastus ja ravistaminen ovat tärkeitä. Aktiivinen huuhtelu ilmalla tai hapella ylläpitää korkeampaa redox-potentiaalia bulkkiliuoksessa ja edistää hapen kulkeutumista rakoaukoihin nostaen CCT:tä 8-12 astetta sekä luokassa 2 että luokassa 7. Luonnollisen konvektion PCB-etsauslinjojen rakokorroosionopeus on huomattavasti korkeampi kuin upotettuja ruiskutussauvoja tai suihkusekoitusta käytettäessä. Toisaalta vakavimmat rakotilanteet esiintyvät staattisissa kylpyissä tai linjoissa, joissa on ajoittainen kierto (esim. yöpysähdykset), koska paikallaan olevat välit mahdollistavat hapen täydellisen tyhjenemisen rakoissa.

Lämmittimen määrittelyn käytännön ohjeet
Yleiseen tavoitelämpötilaan 45-50 astetta (optimaalinen etsausnopeudelle ja sivuseinien laadulle) kuparikloridi-etsauslinjoja käyttävissä piirilevyjen valmistuslaitoksissa Grade 2 titaani-upotuslämmittimet, joissa on laippaliitokset, eivät sovellu seinämän paksuudesta riippumatta. Asteen 2 ennustettu rakokorroosion käyttöikä on 3-6 kuukautta 45 asteessa, mikä aiheuttaa kylvyn ennenaikaista kontaminaatiota titaani-ioneilla (jotka häiritsevät etsauskemiaa) ja suunnittelemattomia tuotannon pysäytyksiä. Insinöörien on määritettävä luokan 7 titaani hitsatuilla laipoilla (suositus) tai rakennettava lämmitysjärjestelmä toimimaan alhaisemmissa lämpötiloissa (enintään 35 astetta) korjatulla etsausajalla 45-50 asteen toimintaa varten.

Uusiin PCB-etsauslinjan asennuksiin luotettavin valinta on Grade 7 titaanilämmitin, jossa putki ja kiinnityslaippa on valmistettu yhdestä muokatun titaanin palasta, mikä eliminoi kaikki halkeamat paitsi sähkösyötön läpiviennit. Jos laippaliitännät ovat välttämättömiä - yleensä lämmittimille, jotka on irrotettava ajoittain puhdistusta varten - valitse luokan 7 titaani, jossa on kiillotetut laippapinnat, EPDM-tiivisteet, jotka on puristettu säädeltyyn 0,2-0,3 mm:n rakoon ja aktiivinen kylpykierto, jota ylläpidetään tyhjäkäynnin aikana. Näissä asetuksissa luokan 7 laippa, jonka paksuus on 1,65 mm, tarjoaa viiden vuoden käyttöiän 50 asteen kulmassa ja kolme vuotta 55 asteen kulmassa.

Johtopäätös PCB Etching Line Engineers
Titaanisen uppolämmittimen maksimikäyttölämpötilaa kuparikloridi-PCB-etsausaineessa ei rajoita bulkkiliuoksen pistekorroosionkestävyys, vaan alttius rakokorroosiolle laippaliitoksissa ja tiivisteissä. Turvallinen raja on 35 astetta -tämän lämpötilan yläpuolella, rakohyökkäys tapahtuu kuukausien kuluessa luokan 2 titaanille ja johtaa rei'itymiseen, joka saastuttaa kylvyn ja sulkee tuotannon. Luokan 7 titaanin turvaraja on nostettu 55 asteeseen kiillotetuilla laippapinnoilla ja kontrolloiduilla tiivistevälillä. Asteen 7 käyttö jopa 60 astetta on mahdollista ja hitsattu laipparakenne tekee halkeamisesta menneisyyttä. Kun määritetään lämmitintä PCB-etsaukseen, insinöörien tulee määrittää halutun kylvyn lämpötilan ja kloridipitoisuuden lisäksi myös laipan rakenne, tiivistemateriaali ja se, onko kylvyssä jatkuva sekoitus vai tyhjäkäynti. Tämä yksityiskohtaisuus varmistaa, että toimittaja tarjoaa lämmitinkokoonpanon, joka vastaa todellista rakokorroosioriskiä, ​​ja eliminoi yleisen vikatilan, joka on vastuussa yli 80 prosentista titaanilämmittimien vaihdoista piirilevyjen etsauspalvelussa.