Kun ferrikloridietsausainetta (42 astetta Bé) lämmitetään 50 asteessa, miksi titaaniluokan 7 yleinen korroosioaste (0,01 mm/vuosi) on alhaisempi kuin asteen 2 (0,2 mm/vuosi)?

Rautakloridi (FeCl3) etsausaine 42 Bé-asteessa (noin 38{2}}40 paino-% FeCl3) on tyypillinen väliaine kuparipäällysteisten piirilevyjen syövytykseen ja metallien kemialliseen jauhamiseen. Liuos on erittäin hapettava, voimakkaasti hapan (pH 0,5-1,0) ja sisältää noin 200-250 g/l kloridi-ioneja. Titaania käytetään laajasti uppolämmittimissä FeCl 3 -etsauslinjoissa, koska se kestää erinomaisen kloridipistesyöpymisen hapettavissa olosuhteissa. Mutta kaupallisesti puhtaan luokan 2 ja palladiumilla stabiloidun Grade 7 titaanin välillä on tärkeitä eroja. Pitkäaikaisessa käytössä 50 asteen kulmassa luokan 7 yleinen korroosionopeus on 0,01-0,03 mm vuodessa, kun taas Grade 2 -korroosionopeus on 0,15-0,25 mm vuodessa, kerroin 10. Tässä artikkelissa kuvataan tämän suorituskykyvajeen sähkökemiallinen mekanismi ja määritellään, milloin luokan 7 lisäkustannukset ovat perusteltuja sen pienentyneen korroosionopeuden vuoksi.

Rautakloridi hapettimena
Rautakloridi on voimakas hapetin Fe 3+ /Fe 2+ redox-parin ansiosta, jonka tyypillinen pelkistyspotentiaali on +0.77 V vs. SHE. Tehokas potentiaali on +0.6 - +0.8 V vs. SCE väkevässä liuoksessa 50 asteessa. Tämän pitäisi olla erittäin hapettava ympäristö ja sen odotetaan passivoivan titaania täysin. Sekä luokka 2 että luokka 7 ovat passiivisia. Titaanin passiivinen kerros ei ole staattinen, vaan se liukenee ja uudistuu jatkuvasti. Liukenemisnopeutta säätelee titaani-liuosrajapinnan kemia, erityisesti kompleksoivien anionien (kloridi) pitoisuus ja jalometallikatalysaattorien läsnäolo.

FeCl3 Grade 2 -korroosiomekanismi
Passiivinen TiO2-pinnoite luokan 2 titaanilla FeCl3-liuoksessa liukenee hitaasti kemiallisesti TiO2 + 4Cl⁻ + 4H⁺ → TiCl₄ + 2H2O. TiCl4 hydrolysoituu liukoisiksi aineiksi. Samanaikaisesti hajoamisen kanssa kalvo muodostuu uudelleen-titaanin vuorovaikutuksesta veden tai hapen kanssa. Vakiotilan korroosionopeus 50 asteessa on 0,15–0,25 mm vuodessa, mikä johtuu liukenemis- ja uudelleenpassivointinopeuksien välisestä erosta. Nopeus riippuu lämpötilasta: 40 asteessa Grade 2 syövyttää 0,05-0,10 mm/vuosi, 60 asteessa nopeus hyppää 0,4-0,6 mm/vuosi.

Korroosio on laajalle levinnyttä (yleistä) eikä pistesyöpymistä. Luokan 2 putken seinämä ohenee hitaasti ja tasaisesti käyttökuukausien aikana. 1,65 mm:n paksuinen putki, jota käytetään 50 asteessa, menettää noin 0,2 mm vuodessa, mikä johtaa 5–8 vuoden käyttöikään, kunnes pienin sallittu seinämänpaksuus saavutetaan (yleensä 1,0 mm mekaanisen eheyden osalta).

Luokan 7 katodinen hoito
Titanium in grade 7 contains between 0.12 to 0.25% palladium, which is dispersed as fine islands throughout the titanium matrix. Titanium has a good cathodic site and is less noble than Palladium. The main cathodic reaction on Pd in FeCl3 solution is . Fe3+ + e- ->Fe2+ Tämä reaktio käynnistyy pienemmällä ylipotentiaalilla palladiumilla kuin titaanilla, mikä viittaa siihen, että suurin osa katodisesta virrasta tapahtuu palladiumkohdissa. Titaanimatriisi polarisoituu jalompaan potentiaaliin, usein +0.3 - +0.5 V jalompaan kuin luokka 2 samoissa olosuhteissa.

Koska tämä jalompi potentiaali, TiO2-kalvon liukenemisnopeus laskee eksponentiaalisesti. Sähkökemialliset testit osoittavat, että luokan 7 passiivinen virrantiheys FeCl3:ssa 50 asteessa on 0,5-1,0 µA/cm2, mikä vastaa korroosionopeutta 0,005-0,010 mm vuodessa. Palladiumin ei tarvitse peittää koko pintaa, koska 0,5-1,0 % palladiumsaarekkeet pinnassa riittävät varmistamaan katodisuojauksen.

Pitkän ajan{0}}tehokkuuden vertailu
Kenttävarmennus saadaan PCB-etsauslaitosten kenttätiedoista käyttämällä 42 asteen Bé FeCl 3:a 50 asteessa. Luokan 2 titaanilämmittimien (1,65 mm seinä) seinämien ohenemisikä on normaalisti 5-7 vuotta ja ne on vaihdettava. Luokan 7 lämmittimet (1,65 mm seinä) ovat olleet käytössä 15+ vuotta, ja mitatut seinämän paksuushäviöt ovat yhteensä alle 0,2 mm. Grade 7 maksaa etukäteen enemmän (noin 30-40 % enemmän kuin Grade 2), mutta se maksaa itsensä takaisin pidemmällä käyttöiällä ja vähemmän seisokkeja.

Materiaali Yleinen korroosionopeus @ 50 astetta Aika 50 %:n seinämähäviöön (1,65 mm - 0,8 mm) Sovellus Suhteellinen kustannustekijä Kustannus-Tehokas
2. luokan titaani 0,15-0,25 mm/v 3-5 vuotta 1,0x Pienimääräinen, ajoittainen etsaus
Grade 7 titaani 0,01-0,03 mm/vuosi 15-25 vuotta 1,3-1,4x Suuri volyymi, jatkuva prosessi
Hastelloy C-276 0.02-0.05 mm/vuosi 10-15 vuotta 2,5-3,0x Vain erikoissovellukset
FeCl₃-lämmönlähteen valintasovellusmatriisi
Syövytys Käyttölämpötila Kylvyn kiertonopeus Titaaniluokka Suositeltu Lämmittimen odotettu käyttöikä (1,65 mm seinä)
Pieni-volyymi PCB-prototyyppien valmistus 50 astetta ajoittainen, kylvyn vaihto kuukausittain Luokka 2 5-7 vuotta
korkean volyymin piirilevyjen valmistus 50 astetta Jatkuva, kylpy regeneroitu Luokka 7 12-15 vuotta
Kemiallinen syövytys (paksu metalli) 55-60 astetta Korkea käyttö, jatkuva Luokka 7 8-10 vuotta
Regeneroitu FeCl₃ (matala Fe²⁺) 50 astetta jatkuva luokka 7 15+ vuotta
Käytetty FeCl₃ (korkea Fe²⁺, vähemmän hapettava) 50 astetta Erän hävittäminen Luokka 2 4-6 vuotta
Katodinen modifikaatio palladiumilla titaanissa 7 johtaa kokonaiskorroosion nopeuteen, joka on noin kahdeskymmenesosa ferrikloridi-etsausaineen luokan 2 korroosionopeuksista 42 asteessa B ja 50 asteessa C. Palladiumkohdat muuttavat titaanin pintapotentiaalia jaloimpaan arvoon, mikä johtaa passiivisen kalvon hajoamisen vähenemiseen. Jatkuvassa korkean{6}tuotannon etsausoperaatioissa, joissa lämmittimen luotettavuus ja pitkä käyttöikä ovat ensisijaisen tärkeitä, luokan 7 korkeammat aloituskustannukset ovat perusteltuja. Grade 2 on edelleen kustannustehokas valinta ajoittaiseen tai vähäiseen käyttöön, jossa 5–7 vuoden käyttöikä on hyväksyttävä. Kun määrität, kysy todellista korroosionopeutta, joka on tallennettu tiettyyn FeCl3-liuokseen. Epäpuhtaudet (kupari, nikkeli) voivat vaikuttaa suorituskykyyn.