در خطوط اچینگ PCB با استفاده از کلرید کوپریک، بخاری غوطه ور تیتانیوم با چه حداکثر دمای کاری می تواند بدون خوردگی شکاف در اتصالات فلنجی دوام بیاورد؟

خطوط اچینگ برد مدار چاپی که از کلرید مس (CuCl2) به عنوان اچ کننده اصلی استفاده می کنند تحت برخی شرایط تهاجمی منحصر به فرد عمل می کنند: غلظت کلرید بالا (150-250 گرم در لیتر)، دماهای بالا مورد نیاز برای کنترل سرعت اچ و وجود یون های مس و مس که محیط های اکسید کننده قوی ایجاد می کنند. این سیستم‌ها عموماً با بخاری‌های غوطه‌وری تیتانیوم مشخص می‌شوند، زیرا مقاومت بسیار خوبی در برابر حفره‌های کلریدی در شرایط اکسیداسیون دارند، اما حالت خرابی خاص، خوردگی شکاف در اتصالات فلنج، اتصالات رزوه‌ای و اتصالات واشر، حداکثر دمای کارکرد ایمن را محدود می‌کند. سلول های هوادهی دیفرانسیل ممکن است در مناطق راکد بین فلنج هیتر تیتانیوم و یک واشر پلیمری یا صفحه نصب فلزی غیر مشابه تشکیل شوند و ممکن است باعث ایجاد خوردگی شکافی شوند. در حالی که تیتانیوم در محلول کلرید مس حجیم تا 60 درجه مقاومت خوبی در حفره شدن دارد، شیمی داخل شکاف می تواند به طور چشمگیری تغییر کند و منجر به حمله سریع و سوراخ شدن فلنج در چند هفته شود. در این مقاله حداکثر دمای کاری هیترهای تیتانیوم در خطوط اچینگ PCB به عنوان تابعی از شکل شکاف، محتوای کلرید و قدرت اکسید کننده محلول یون مس تعریف شده است.

مکانیسم خوردگی شکاف در محلول های کلرید مس
فرآیند خوردگی شکاف تیتانیوم در تنظیمات حاوی کلرید{0}}از طریق تعدادی از مراحل کاملاً مشخص رخ می‌دهد. محلول کلرید مس (غلظت Cu^2+ معمولاً 1.5-2.5 M، غلظت Cl^- 3-5 M) در ابتدا به دلیل جفت اکسیداسیون Cu^2+/Cu^+ دارای پتانسیل اکسیداسیون بسیار قوی است. پتانسیل کاهش استاندارد برای Cu 2+ + e- ? Cu + حدود +0.153 V در مقابل SHE است، اما در محلول‌های کلرید غلیظ پتانسیل می‌تواند به اندازه +0.4 تا +0.6 V برابر باشد. SHE از طریق تشکیل کمپلکس. در این شرایط توده، تیتانیوم درجه 2 با لایه TiO2 پایدار غیرفعال است. - انتشار اکسیژن در شکاف ایجاد شده در هنگام برخورد یک واشر PTFE یا پلی پروپیلن به فلنج تیتانیوم محدود می شود. واکنش‌های کاتدی، اکسیژن اولیه موجود را می‌بلعد و یک منطقه تخلیه‌شده اکسیژن تشکیل می‌شود. در غیاب اکسیژن، تیتانیوم به صورت آندی حل می شود و از یون های Cl- استفاده می کند و گونه های Ti3+ و Ti4+ را تشکیل می دهد. هیدرولیز این یون‌های تیتانیوم منجر به یون‌های هیدروژن (H+) می‌شود که pH شکاف را از تقریباً خنثی (pH 6-7) به pH 1-2 کاهش می‌دهد.

در محلول های کلرید مس، شیمی شکاف با شیمی یون مس بدتر می شود. یون‌های مس در شکاف به یون‌های مس (Cu⁺) یا مس فلزی کاهش می‌یابند و گونه‌های اکسیدکننده را مصرف می‌کنند که در غیر این صورت تیتانیوم را دوباره فعال می‌کنند. رسوب مس به دست آمده در شکاف به عنوان یک مکان کاتدی عمل می کند که باعث افزایش بیشتر انحلال آندی تیتانیوم مجاور می شود. این فرآیند اتوکاتالیستی، پس از راه‌اندازی، حمله شکاف را افزایش می‌دهد و نرخ انتشار در محلول‌های کلرید مس در دمای 50 درجه ثبت شده در 0.5 تا 2.0 میلی‌متر در سال دارد که برای سوراخ کردن فلنج بخاری ضخامت 1.65 میلی‌متر در یک تا چهار ماه کافی است. خوردگی شکافی با حفره متفاوت است زیرا منجر به حمله گسترده و زیرانداز می شود که به سرعت یکپارچگی آب بندی فلنج ها را تخریب می کند.

وابستگی به دمای شروع شکاف
دمای بحرانی شکاف (CCT) برای تیتانیوم درجه 2 در محلول‌های کلرید مس، دمایی است که بالاتر از آن، حمله شکاف در مدت زمان مشخصی شروع می‌شود، معمولاً در شرایط آزمایشی معمولی 72 ساعت قرار گرفتن در معرض (تکنیک ASTM G78{8}}15 با استفاده از مجموعه‌های شکاف متعدد). داده‌های تجربی حاصل از آزمایش غوطه‌وری نشان می‌دهد که برای یک اچانت PCB مصنوعی 200 گرم در لیتر CuCl2.2H2O (تقریباً{7}} گرم در لیتر کلر-) در pH 0.8 (تنظیم شده با HCl)، CCT برای تیتانیوم درجه 2 با شکاف PTFE درجه 35 است. هیچ حمله شکافی در دمای 35 درجه یا کمتر پس از 1000 ساعت شناسایی نشد. نفوذ شکاف جزئی (0.1 میلی متر) پس از 500 ساعت در دمای 40 درجه مشاهده می شود. تمام نمونه های آزمایشی حمله از طریق شکاف را در 50 درجه در عرض 200 ساعت نشان می دهند. سوراخ شدن شکاف در 60 درجه کمتر از 72 ساعت است.

در همین حال، برای تیتانیوم درجه 7 (Ti-0.15Pd)، CCT در همان محلول کلرید مس تا حدود{2}} درجه افزایش می‌یابد. کاهش یون مس باقیمانده که توسط محتوای پالادیوم کاتالیز می‌شود، باعث تحریک مجدد خود به خود در محیط شکاف می‌شود و پتانسیل نجیب‌تری را حتی در شرایط حمل و نقل انبوه محدود حفظ می‌کند. نمونه های درجه 7 در 60 درجه، با حمله شکاف سطحی (نفوذ 0.05-0.1 میلی متر) پس از 1000 ساعت اما بدون سوراخ شدن از طریق دیواره. در 70 درجه، درجه 7 حمله شکاف قابل توجهی را با نرخ نفوذ بیش از 0.5 میلی متر در سال نشان می دهد. این داده ها حداکثر دمای کارکرد ایمن یک هیتر غوطه وری تیتانیوم درجه 2 را در اچانت PCB کلرید مس برای جلوگیری از خوردگی شکاف در اتصالات فلنجی 35 درجه تعریف می کنند. حداکثر دمای ایمن برای تیتانیوم درجه 7 55 درجه است.

اثرات طراحی و هندسه فلنج
هر شکافی به یک اندازه مضر نیست. فاکتورهای مهم عرض شکاف عمق شکاف و نسبت سطح خارجی به سطح شکاف داخلی است. آزمایش بر اساس ASTM G78 نشان می‌دهد که شدیدترین شرایط توسط شکاف‌های شکاف کمتر از 0.1 میلی‌متر ایجاد می‌شود، که نمونه‌ای از واشرهای PTFE با گشتاور خوب در برابر یک صفحه فلنج ماشین‌کاری شده است، زیرا شکاف باریک محدودیت انتشار اکسیژن و رکود محلول را به حداکثر می‌رساند. شکاف های 0.1 تا 0.25 میلی متر شدت حمله را در محدوده میانی ایجاد می کنند، با شکاف های بیشتر از 0.5 میلی متر معمولا اجازه تبادل محلول کافی برای جلوگیری از اسیدی شدن اتوکاتالیستی را می دهد. به طور متناقض، واشرهای الاستومری نرم (Viton، EPDM) روی فلنج‌های هیتر تیتانیومی که دارای نقص‌های سطحی هستند اما تماس شکاف صفر را ندارند، می‌توانند مقاومت در برابر شکاف را در مقایسه با واشرهای PTFE سفت و سخت که تقریباً{11}آببندی کامل دارند، افزایش دهند.

پرداخت سطح فلنج نیز بر CCT تأثیر می گذارد. فلنج های صیقلی شده مکانیکی (Ra 0.4 میکرومتر) نسبت به سطوح ماشین کاری شده (Ra 1.6 میکرومتر) یا ترشی مقاومت در برابر شکاف بهتری دارند. سطح صیقلی میزان شکاف‌های میکرو{5}}را به حداقل می‌رساند و پاکت‌های سطحی را که محلول راکد را در خود نگه می‌دارند حذف می‌کند. طراحی بهینه برای سرویس کلرید مس در دماهای بالاتر از 40 درجه، اتصالات فلنجی جوش داده شده است، که در آن لوله بخاری مستقیماً به صفحه نصب تیتانیومی بدون واشر جداگانه جوش داده می شود، بنابراین شکاف به طور کامل از بین می رود. اما فلنج های جوش داده شده جایگزینی بخاری را دشوارتر می کند و کیفیت جوش باید به دقت کنترل شود تا از حساس شدن منطقه تحت تأثیر حرارت- جلوگیری شود.

ماتریس حداکثر دمای عملیاتی هیترهای حکاکی PCB
جدول 1 داده‌های خوردگی شکاف، محدودیت‌های دما، و گزینه‌های طراحی فلنج را ترکیب می‌کند تا محدودیت‌های عملیاتی امکان‌پذیر برای خطوط حکاکی کلرید مس را ارائه دهد. همه مقادیر غوطه ور شدن در اچانت هوادهی با چرخش معمولی حمام PCB را فرض می کنند (تعویض کامل هر 2-4 هفته).

پیکربندی هیتر فلنج/نوع واشر حجیم حمام Cl⁻ (g/L) حداکثر دمای ایمن عملکرد زمان تا سوراخ شکاف (فلنج 1.65 میلی متر)
Grade 2 titanium flange PTFE gasket, 0.1 mm gap (torqued) 150-200 30°C >24 ماه (30 درجه)؛ 2-3 ماه (50 درجه)
تیتانیوم درجه 2، واشر ویتون فلنج صیقلی، شکاف تنظیم شده 0.3 میلی متر 150-200 35 درجه 12-18 ماه (در 35 درجه); 4-6 ماه (در 45 درجه)
تیتانیوم درجه 2، فلنج جوش داده شده با نفوذ کامل (بدون واشر) 150-200 40 درجه 8-12 ماه (در 40 درجه); محدود به سوراخ کردن، نه شکاف
Titanium grade 7 machined flange PTFE gasket torqued 150-200 50°C >24 ماه (50 درجه) 6-8 ماه (60 درجه)
تیتانیوم درجه 7، واشر EPDM فلنج صیقلی، فاصله 0.25 میلی متری 200-250 55 درجه 18-24 ماه (55 درجه)؛ جوش بالاتر از 55 درجه ترجیح داده می شود
فلنج جوشی درجه 7 تیتانیوم با جوش بدون تنش 200-250 60 درجه شکاف‌ها برداشته شد. حفره زدن زندگی را تنظیم می کند (معمولاً 3-5 سال)
متغیرهای عملیاتی که بر محدودیت های دما تأثیر می گذارند
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)، خطر خوردگی شکاف کاهش می یابد زیرا محلول توده دارای شیمی کلرید تهاجمی کمتر و غلظت یون هیدروژن کمتر است. با این حال، نرخ اچ PCB به سطوح غیر قابل قبول پایین بالاتر از pH 1.2 کاهش می یابد و از این رو نمی توان PH را بدون کاهش توان تولید افزایش داد. افزودن افزودنی‌های آلی (بازدارنده‌های خوردگی، سورفکتانت‌ها یا تقویت‌کننده‌های سرعت اچ) می‌تواند مقاومت در برابر شکاف را بهبود بخشد یا آن را مختل کند. برخی از مهارکننده های مبتنی بر بنزوتریازول لایه های محافظ تشکیل می دهند و منجر به افزایش CCT 5-10 درجه می شوند در حالی که سورفکتانت های یونی به نفوذ در شکاف ها و تسریع حمله معروف هستند.

هوادهی و هم زدن حمام بسیار مهم است. پاشش فعال با هوا یا اکسیژن پتانسیل ردوکس بالاتری را در محلول حجیم حفظ می‌کند و انتقال اکسیژن را به منافذ شکاف افزایش می‌دهد و CCT را 8 تا 12 درجه برای هر دو درجه 2 و درجه 7 افزایش می‌دهد. از سوی دیگر، شدیدترین موقعیت‌های شکاف در حمام‌های ساکن یا خطوط با گردش متناوب (به عنوان مثال، خاموش شدن شبانه) رخ می‌دهد، زیرا فواصل ثابت اجازه می‌دهد تا کل اکسیژن در شکاف‌ها کاهش یابد.

دستورالعمل های عملی مشخصات بخاری
برای دمای هدف مشترک 45-50 درجه (بهینه برای سرعت اچ و کیفیت دیواره جانبی) برای تاسیسات ساخت PCB که خطوط اچینگ کلرید مس را اجرا می کنند، گرمکن های غوطه وری تیتانیوم درجه 2 با اتصالات فلنجی مستقل از ضخامت دیوار مناسب نیستند. عمر پیش‌بینی‌شده خوردگی شکاف درجه 2 سه تا شش ماه در دمای 45 درجه است که باعث آلودگی زودرس حمام با یون‌های تیتانیوم (که با شیمی اچ تداخل می‌کند) و توقف‌های برنامه‌ریزی نشده تولید می‌شود. مهندسان باید تیتانیوم درجه 7 را با فلنج های جوش داده شده مشخص کنند (توصیه می شود) یا سیستم بخاری را بسازند تا در دماهای پایین تر (حداکثر 35 درجه) با زمان اچ اصلاح شده برای کار در 45-50 درجه کار کند.

برای نصب های جدید خط اچینگ PCB، مطمئن ترین انتخاب یک بخاری تیتانیوم درجه 7 است که در آن لوله و فلنج نصب از یک تکه تیتانیوم فرفورژه ساخته شده اند و تمام ترک ها را به جز ترک هایی که در مسیرهای تغذیه الکتریکی هستند از بین می برد. در مواردی که اتصالات فلنجی ضروری است - معمولاً برای بخاری هایی که باید گهگاهی برای تمیز کردن آن ها برداشته شوند - تیتانیوم درجه 7 با سطوح فلنج صیقلی، واشرهای EPDM فشرده شده به شکاف تنظیم شده 0.2-0.3 میلی متر و گردش فعال حمام در طول دوره های بیکاری حفظ می شود. در این تنظیمات، فلنج درجه 7 با ضخامت 1.65 میلی متر، پنج سال خدمات در 50 درجه و سه سال خدمات در 55 درجه ارائه می دهد.

نتیجه گیری PCB Etching Line Engineers
حداکثر دمای سرویس برای یک هیتر غوطه‌وری تیتانیوم در اچ‌کننده PCB کلرید مس به مقاومت در برابر حفره‌کردن در محلول حجیم محدود نمی‌شود، بلکه به دلیل حساسیت به خوردگی شکاف در اتصالات فلنجی و اتصالات واشر محدود نمی‌شود. حد ایمن 35 درجه -بالاتر از این دما است، حمله شکاف در عرض چند ماه برای تیتانیوم درجه 2 رخ می دهد و منجر به سوراخ شدن حمام می شود و تولید را متوقف می کند. برای تیتانیوم درجه 7، حد ایمن با سطوح فلنج صیقلی و شکاف های واشر کنترل شده به 55 درجه افزایش می یابد. عملکرد درجه 7 تا 60 درجه امکان پذیر است و ساخت فلنج جوش داده شده باعث می شود شکاف ها به گذشته تبدیل شود. هنگام تعیین یک بخاری برای اچ کردن PCB، مهندسان نه تنها باید دمای حمام و غلظت کلرید مورد نظر را تعیین کنند، بلکه باید طراحی فلنج، مواد واشر و اینکه آیا حمام در زمان هم زدن مداوم یا بیکار خواهد بود را نیز تعیین کنند. این سطح از جزئیات تضمین می کند که تامین کننده پیکربندی بخاری را ارائه می دهد که با خطر خوردگی شکاف واقعی مطابقت دارد و حالت خرابی رایج را که مسئول بیش از 80٪ از تعویض هیتر تیتانیوم در خدمات اچینگ PCB است، حذف می کند.