בקווי תחריט PCB באמצעות קופריק כלוריד, איזו טמפרטורת פעולה מקסימלית יכולה להכיל תנור טבילה טיטניום ללא קורוזיה של חריצים במפרקי אוגן?

קווי תחריט המעגלים המודפסים המשתמשים בכלוריד קופרי (CuCl2) כחומר הצריבה העיקרי פועלים בכמה תנאים אגרסיביים ייחודיים: ריכוז כלוריד גבוה (150-250 גרם/ליטר), טמפרטורות גבוהות הנדרשות לבקרת קצב חריטה ונוכחות יוני קופריק וקופרוס היוצרים סביבות חמצון חזקות. מערכות אלו מצוינות בדרך כלל עם תנורי טבילה טיטניום, בגלל העמידות המצוינת בפני כלוריד בתנאי חמצון, אך מצב כשל מסוים, קורוזיה של חריצים בחיבורי אוגן, אביזרי הברגה וחיבורים אטומים, מגבילים את טמפרטורת הפעולה הבטוחה המקסימלית. תאי אוורור דיפרנציאליים עשויים להיווצר באזורים עומדים בין אוגן מחמם הטיטניום לבין אטם פולימרי או לוחית הרכבה ממתכת שונה ועשויים ליזום קורוזיה של חריצים. בעוד שלטיטניום יש עמידות טובה לחריצים בתמיסת כלוריד קופרית בתפזורת של עד 60 מעלות, הכימיה בתוך סדק יכולה להשתנות באופן דרמטי, מה שמוביל להתקפה מואצת ולחירור האוגן תוך מספר שבועות. במאמר זה טמפרטורת העבודה המקסימלית של מחממי טיטניום בקווי תחריט PCB מוגדרת כפונקציה של צורת החריץ, תכולת הכלוריד וכוח החמצון של תמיסת יוני הקופרי.

מנגנון של קורוזיה של חריצים בתמיסות קופריק כלוריד
תהליך קורוזיה של חריצים של טיטניום בכלור-מכיל הגדרות מתרחש במספר שלבים מבוססים היטב. לתמיסת כלוריד כופרית בתפזורת (ריכוז Cu^2+ בדרך כלל 1.5-2.5 M, ריכוז Cl^- 3-5 M) יש פוטנציאל חמצון חזק מאוד בתחילה בגלל זוג החיזור Cu^2+/Cu^+. פוטנציאל הפחתה סטנדרטי עבור Cu 2+ + e- ? Cu + הוא בסביבות +0.153 V לעומת SHE אבל בתמיסות כלוריד מרוכזות הפוטנציאל יכול להיות גבוה כמו +0.4 עד +0.6 V נגד. SHE באמצעות היווצרות מורכבת. בתנאים אלה בתפזורת טיטניום דרגה 2 הוא פסיבי עם סרט TiO2 יציב. - פיזור החמצן מוגבל בנקיק שנוצר כאשר אטם PTFE או פוליפרופילן פוגע באוגן הטיטניום. התגובות הקתודיות טורפות את החמצן הקיים בתחילה ונוצר אזור מדולדל חמצן. בהיעדר חמצן, טיטניום מומס בצורה אנודית, תוך שימוש ביוני Cl⁻, ויוצר מיני Ti³⁺ ו-Ti⁴⁺. הידרוליזה של יוני טיטניום אלו גורמת ליוני מימן (H+) שמפילים את ה-pH של החריץ מ-pH כמעט נייטרלי (pH 6-7) לנמוך עד pH 1-2.

בתמיסות קופריק כלוריד כימיה החריצים מחמירה עוד יותר על ידי הכימיה של יון הנחושת. יוני הקופרי בנקיק מופחתים ליוני קופרוס (Cu⁺) או נחושת מתכתית, וצורכים את המינים המחמצנים שאחרת היו מוציאים מחדש את הטיטניום. משקע הנחושת שנוצר בסדק משמש כאתר קתודי אשר מקדם עוד יותר פירוק אנודי של טיטניום סמוך. תהליך אוטוקטליטי זה, לאחר שהושק, מגביר את התקפת הסדקים ויש לו שיעורי התפשטות בתמיסות כלוריד קופריק ב-50 מעלות שנרשם ב-0.5 עד 2.0 מ"מ בשנה, וזה מספיק כדי לחורר אוגן מחמם בעובי 1.65 מ"מ תוך חודש עד ארבעה חודשים. קורוזיה של חריצים שונה מבור בכך שהיא גורמת להתקפה רחבה וחתוכה, הפוגעת במהירות בשלמות האיטום של אוגנים.

תלות בטמפרטורת תחילת החריץ
טמפרטורת חריצים קריטיים (CCT) עבור טיטניום דרגה 2 בתמיסות כלוריד קופריק היא הטמפרטורה שמעליה תתחיל התקפת חריצים בתוך פרק זמן מסוים, בדרך כלל חשיפה של 72 שעות בנסיבות בדיקה קונבנציונליות (טכניקת ASTM G78-15 המשתמשת במכלולי חריצים מרובים). נתונים ניסיוניים מבדיקת טבילה מגלים כי עבור תחריט PCB סינתטי של 200 גרם/ליטר CuCl2.2H2O (בערך . 170 גרם/ליטר Cl-) ב-pH 0.8 (מותאם עם HCl), ה-CCT עבור טיטניום דרגה 2 עם שטיפת חריצים בדרגת PTFE הוא 35. לא זוהתה התקפת חרקים בטמפרטורות של 35 מעלות או נמוכות לאחר 1000 שעות. חדירת חריצים קלים (0.1 מ"מ) נצפית לאחר 500 שעות ב-40 מעלות. כל דגימות הבדיקה מצביעות על תקיפה דרך החריץ ב-50 מעלות תוך 200 שעות. ניקוב חריצים ב-60 מעלות הוא פחות מ-72 שעות.

בינתיים, עבור טיטניום דרגה 7 (Ti-0.15Pd), ה-CCT באותה תמיסת כלוריד קופרית עולה עד כ-. 55 מעלות . הפחתת יון קופרי שיורי המזוזז על ידי תכולת פלדיום מקדמת ספיגה חוזרת ספונטנית בסביבת הסדקים, ושומרת על פוטנציאל אצילי יותר גם בתנאי הובלה המונית מוגבלת. דגימות דרגה 7 ב-60 מעלות, עם התקפת חריצים שטחית (חדירה 0.05-0.1 מ"מ) לאחר 1,000 שעות אך ללא ניקוב דרך הקיר. ב-70 מעלות, דרגה 7 מראה התקפת חריצים ניכרת עם שיעורי חדירה של יותר מ-0.5 מ"מ לשנה. נתונים אלה מגדירים את טמפרטורת ההפעלה הבטוחה המקסימלית של תנור טבילה טיטניום בדרגה 2 בתחריט PCB קופריק כלוריד כדי למנוע קורוזיה של חריצים במפרקים עם אוגן כמו 35 מעלות. הטמפרטורה המקסימלית הבטוחה עבור טיטניום דרגה 7 היא 55 מעלות.

השפעות העיצוב והגיאומטריה של אוגן
לא כל חריץ מזיק באותה מידה. הגורמים החשובים הם עומק החריץ ברוחב הפער והיחס בין שטח הפנים החיצוני לשטח החריץ הפנימי. בדיקה על פי ASTM G78 מראה שהתנאים החמורים ביותר נוצרים על ידי פערי חריצים של פחות מ-0.1 מ"מ, מה שאופייני לאטמי PTFE עם מומנט- היטב כנגד פנים אוגן מעובד, מכיוון שהפער הצר ממקסם את ההגבלה של פיזור חמצן וקיפאון תמיסה. פערים של 0.1 עד 0.25 מ"מ מייצרים חומרת התקף בטווח האמצעי, כאשר פערים גדולים מ-0.5 מ"מ מאפשרים בדרך כלל חילופי תמיסות מספקים כדי להימנע מהחמצה אוטוקטליטית. באופן פרדוקסלי, אטמים אלסטומריים רכים (Viton, EPDM) על אוגני חימום טיטניום המתאימים לפגמי פני השטח אך אינם משיגים מגע אפס{10}}מרווחים יכולים להגביר את עמידות החריצים בהשוואה לאטמי PTFE קשיחים המשיגים אטימה כמעט מושלמת.{11}

גימור משטח האוגן ישפיע גם על CCT. לאוגנים מלוטשים מכנית (Ra 0.4 µm) יש התנגדות חריצים טובה יותר מאשר משטחים מעובדים במכונה (Ra 1.6 µm) או כבושים. המשטח המלוטש ממזער את כמות המיקרו-חריצים ומסיר כיסי משטח שמחזיקים תמיסה עומדת. העיצוב האופטימלי עבור שירות כלוריד קופריק בטמפרטורות מעל 40 מעלות הוא חיבורי אוגן מרותכים, שבהם צינור המחמם מרותך ישירות לצלחת הרכבה טיטניום ללא אטם נפרד, ובכך מבטל את החריץ לחלוטין. אבל אוגנים מרותכים מקשים על החלפת המחמם ויש לשלוט בקפידה על איכות הריתוך כדי למנוע רגישות של האזור המושפע מהחום.

מחממי תחריט PCB מטריצת טמפרטורת עבודה מקסימלית
טבלה 1 משלבת נתוני קורוזיה של חריצים, מגבלות טמפרטורה ואפשרויות עיצוב אוגן כדי לתת גבולות הפעלה אפשריים לקווי תחריט כלוריד קופרי. כל הערכים מניחים טבילה בתצריף מאוורר עם מחזור אמבטיות PCB טיפוסי (החלפה מלאה כל 2-4 שבועות).

תצורת מחמם סוג אוגן/אטם אמבטיה בתפזורת Cl⁻ (g/L) טמפרטורת הפעלה בטוחה מקסימלית זמן עד לנקב החריץ (אוגן 1.65 מ"מ)
Grade 2 titanium flange PTFE gasket, 0.1 mm gap (torqued) 150-200 30°C >24 חודשים (30 מעלות); 2-3 חודשים (50 מעלות)
טיטניום דרגה 2, אטם ויטון מלוטש, מרווח מווסת 0.3 מ"מ 150-200 35 מעלות 12-18 חודשים (ב-35 מעלות); 4-6 חודשים (ב-45 מעלות)
טיטניום דרגה 2, אוגן מרותך חדירה מלאה (ללא אטם) 150-200 40 תואר 8-12 חודשים (ב-40 מעלות); מוגבל על ידי חריצים, לא חריצים
Titanium grade 7 machined flange PTFE gasket torqued 150-200 50°C >24 חודשים (50 מעלות) 6-8 חודשים (60 מעלות)
טיטניום דרגה 7, אטם EPDM מלוטש, מרווח של 0.25 מ"מ 200-250 55 מעלות 18-24 חודשים (55 מעלות ); ריתוך עדיף מעל 55 מעלות
אוגן מרותך בדרגה טיטניום 7 עם ריתוך משוחרר ממתח 200-250 60 מעלות הוסרו חריצים; פיתול מסדיר את החיים (בדרך כלל 3-5 שנים)
משתנים תפעוליים המשפיעים על מגבלות הטמפרטורה
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), הסיכון לקורוזיה של חריצים פוחת מכיוון שלתמיסת התפזורת יש כימיה פחות אגרסיבית של כלוריד וריכוז יוני מימן נמוך יותר. עם זאת, שיעורי תחריט ה-PCB יורדים לרמות נמוכות בלתי מקובלות מעל pH 1.2 ומכאן שלא ניתן להעלות את ה-pH ללא ירידה בתפוקת הייצור. תוספת של תוספים אורגניים (מעכבי קורוזיה, חומרים פעילי שטח או מגבירי קצב חריטה) יכולה לשפר או לפגוע בעמידות החריצים. חלק מהמעכבים המבוססים על בנזוטריאזול יוצרים סרטי הגנה ומביאים לעלייה ב-CCT של 5-10 מעלות בעוד שידוע כי פעילי שטח יוניים חודרים לסדקים ומאיצים את ההתקפה.

אוורור ותסיסה באמבטיה הם קריטיים. זרזוף אקטיבי עם אוויר או חמצן שומר על פוטנציאל חיזור גבוה יותר בתמיסת התפזורת ומקדם את הובלת החמצן לתוך פתחי החריצים, ומעלה את ה-CCT ב-8-12 מעלות הן בדרגה 2 והן בדרגה 7. לקווי תחריט PCB בהסעה טבעית יש שיעורי קורוזיה של חריצים גבוהים משמעותית מאלה המשתמשים בסרגלי ריסוס טבולים או בסילון. מצד שני, מצבי הסדקים החמורים ביותר מתרחשים באמבטיות סטטיות או בקווים עם זרימת דם לסירוגין (למשל, כיבויים בלילה) מכיוון שמרווחי זמן נייחים מאפשרים דלדול חמצן מוחלט בתוך חריצים.

מפרט מחמם הנחיות מעשיות
עבור טמפרטורת מטרה משותפת של 45-50 מעלות (אופטימלית לקצב חריטה ואיכות דופן) עבור מתקני ייצור PCB המריצים קווי תחריט כלוריד קופריק, תנורי טבילה טיטניום דרגה 2 עם חיבורי אוגן אינם מתאימים ללא תלות בעובי הדופן. אורך חיי הקורוזיה החזוי של דרגה 2 הוא שלושה עד שישה חודשים ב-45 מעלות, מה שגורם לזיהום מוקדם של האמבט עם יוני טיטניום (המפריעים לכימיה של חריטה) ולהשבתות ייצור לא מתוכננות. המהנדסים צריכים לציין טיטניום דרגה 7 עם אוגנים מרותכים (מומלץ) או לבנות את מערכת המחמם כך שתפעל בטמפרטורות נמוכות יותר (מקסימום 35 מעלות) עם זמן חריטה מתוקן לפעולה ב-45-50 מעלות.

עבור התקנות חדשות של קו תחריט PCB, הבחירה האמינה ביותר היא מחמם טיטניום דרגה 7 שבו הצינור ואוגן ההרכבה עשויים מחתיכה אחת של טיטניום יצוק המבטל את כל הסדקים למעט אלה במעברים חשמליים. כאשר יש צורך בחיבורי אוגן - בדרך כלל לתנורי חימום שיש להסיר מדי פעם לצורך ניקוי - ציין טיטניום דרגה 7 עם פני אוגן מלוטשים, אטמי EPDM דחוסים לרווח מוסדר של 0.2-0.3 מ"מ וזרימת אמבטיה פעילה נשמרת בתקופות סרק. בהגדרות אלו, אוגן דרגה 7 בעובי 1.65 מ"מ נותן שירות של חמש שנים ב-50 מעלות ושלוש שנים ב-55 מעלות.

מסקנה מהנדסי קו תחריט PCB
טמפרטורת השירות המקסימלית עבור מחמם טבילה טיטניום בחריטת PCB קופריק כלוריד אינה מוגבלת על ידי התנגדות לבור בתמיסה בתפזורת, אלא על ידי רגישות לקורוזיה של חריצים בחיבורי אוגן וחיבורים עם אטמים. הגבול הבטיחותי הוא 35 מעלות -מעל טמפרטורה זו, התקפת חרקים מתרחשת תוך חודשים עבור טיטניום דרגה 2 ומובילה לנקב המזהם את האמבטיה ולהשבתת הייצור. עבור טיטניום דרגה 7, מגבלת הבטיחות מוגברת ל-55 מעלות, עם משטחי אוגן מלוטשים ומרווחי אטם מבוקרים. פעולה דרגה 7 עד 60 מעלות אפשרית ובניית האוגן המרותך הופכת את הסדקים לנחלת העבר. כאשר מציינים תנור חימום עבור תחריט PCB, המהנדסים צריכים להגדיר לא רק את טמפרטורת האמבטיה ואת ריכוז הכלוריד הרצויים, אלא גם את עיצוב האוגן, חומר האטם והאם האמבטיה תהיה בתסיסה מתמשכת או בזמני סרק. רמת פירוט זו מבטיחה שהספק יספק תצורת מחמם התואמת את הסיכון בפועל לקורוזיה של חריצים ומבטלת את מצב הכשל הנפוץ שאחראי ליותר מ-80% מהחלפות מחמם טיטניום בשירות תחריט PCB.