Quan s'escalfa el gravador de clorur fèrric (42 graus Bé) a 50 graus, per què el titani grau 7 presenta taxes de corrosió general més baixes (0,01 mm/any) que el grau 2 (0,2 mm/any)?

El gravador de clorur fèrric (FeCl₃) a 42 graus Bé (al voltant d'un 38-40% de FeCl₃ en pes) és el medi típic per gravar plaques de circuits revestits de coure- i per al fresat químic de metalls. La solució és molt oxidant, intensament àcida (pH 0,5-1,0) i inclou uns 200-250 g/L d'ions clorur. El titani s'utilitza àmpliament per a escalfadors d'immersió en línies de gravat de FeCl 3 a causa de la seva excel·lent resistència a la picada de clorur en condicions d'oxidació. Però hi ha diferències importants entre el titani de grau 2 comercialment pur i el titani de grau 7 estabilitzat amb pal·ladi. En servei a llarg termini a 50 graus, la taxa de corrosió general del grau 7 és de 0,01-0,03 mm per any, mentre que el grau 2 es corroeix a 0,15-0,25 mm per any, un factor de diferència 10. Aquest article descriu el mecanisme electroquímic d'aquesta bretxa de rendiment i defineix quan el cost addicional del grau 7 es justifica per la seva taxa de corrosió reduïda.

Clorur fèrric com a agent oxidant
El clorur fèrric és un oxidant fort a causa del parell redox Fe 3+ /Fe 2+ amb un potencial de reducció típic de +0.77 V vs. SHE. El potencial efectiu és de +0.6 a +0.8 V vs SCE en solució concentrada a 50 graus. Aquest hauria de ser un entorn molt oxidant i s'espera que passiva completament el titani. Tant el grau 2 com el grau 7 són passius. La capa passiva del titani no és estàtica, sinó que es dissol i es reforma contínuament. La velocitat de dissolució està controlada per la química de la interfície de la solució de titani-, en particular la concentració d'anions complexants (clorur) i la presència de catalitzadors de metalls nobles.

FeCl3 Grau 2 Mecanisme de corrosió
El recobriment passiu de TiO₂ sobre titani de grau 2 en solució de FeCl₃ es dissol lentament químicament TiO₂ + 4Cl⁻ + 4H⁺ → TiCl₄ + 2H₂O. El TiCl₄ s'hidrolitza a espècies solubles. Simultàniament amb la desintegració, la pel·lícula es torna a formar-per la interacció del titani amb l'aigua o l'oxigen. La taxa de corrosió en estat estacionari a 50 graus és de 0,15 a 0,25 mm per any, el resultat de la diferència entre les taxes de dissolució i repassivació. La velocitat depèn de la temperatura: a 40 graus el grau 2 es corroeix a 0,05-0,10 mm/any, a 60 graus la velocitat salta a 0,4-0,6 mm/any.

La corrosió és generalitzada (universal) i no pica. Una paret de tub de grau 2 s'aprimarà lentament i uniformement durant els mesos de funcionament. Un tub de 1,65 mm de gruix en ús a 50 graus perdrà uns 0,2 mm per any, la qual cosa comporta una vida útil de 5 a 8 anys fins que s'assoleixi el gruix de paret mínim admissible (normalment 1,0 mm per a la integritat mecànica).

Grau 7 Tractament catòdic
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+ Aquesta reacció s'inicia amb un sobrepotencial inferior al pal·ladi que al titani, cosa que suggereix que la majoria del corrent catòdic es produeix als llocs del pal·ladi. La matriu de titani es polaritza a un potencial més noble, sovint +0.3 a +0.5 V més noble que el grau 2 en les mateixes condicions.

A mesura que aquest potencial més noble, la velocitat de dissolució de la pel·lícula de TiO₂ cau exponencialment. Les proves electroquímiques indiquen que la densitat de corrent passiva del grau 7 en FeCl3 a 50 graus és de 0,5-1,0 µA/cm2, que equival a una taxa de corrosió de 0,005-0,010 mm per any. El pal·ladi no necessita cobrir tota la superfície, ja que un 0,5-1,0% d'illes de pal·ladi a la superfície són suficients per garantir la protecció catòdica.

Comparació del rendiment a-llarg termini
La validació de camp es proporciona mitjançant dades de camp de les instal·lacions de gravat de PCB amb Bé FeCl 3 de 42 graus a 50 graus. Els escalfadors de titani de grau 2 (paret d'1,65 mm) solen tenir una vida útil d'aprimament de la paret de 5-7 anys i s'han de substituir. Els escalfadors de grau 7 (paret d'1,65 mm) han estat en servei durant 15+ anys amb pèrdues mesurades de gruix de paret inferiors a 0,2 mm en total. El grau 7 costa més per endavant (aproximadament un 30-40% més que el grau 2), però es compensa amb una vida útil més llarga i menys temps d'inactivitat.

Material Taxa de corrosió general a 50 graus Temps fins al 50% de pèrdua de paret (1,65 mm a 0,8 mm)Aplicació Factor de cost relatiu Cost-Efectiu
Titani grau 2 0,15-0,25 mm/any 3-5 anys 1,0x Gravat intermitent de baix volum
Titani grau 7 0,01-0,03 mm/any 15-25 anys 1,3-1,4x Procés continu de gran volum
Hastelloy C-276 0.02-0.05 mm/any 10-15 anys 2,5-3,0x Només aplicacions especialitzades
Matriu d'aplicació de selecció de fonts de calor FeCl₃
Operació de gravat Temperatura de rotació del bany Grau de titani Vida esperada de l'escalfador recomanada (paret d'1,65 mm)
Prototips de PCB de -volum baix 50 graus Intermitent, canvi de bany mensual Grau 2 5-7 anys
Fabricació de PCB d'alt volum 50 graus Continu, regenerat al bany Grau 7 12-15 anys
Gravat químic (metall gruixut) 55-60 graus Alt ús, continu Grau 7 8-10 anys
FeCl₃ regenerat (baix Fe²⁺) 50 graus Grau continu 7 15+ anys
FeCl₃ usat (alt Fe²⁺, menys oxidant) 50 graus Eliminació per lots Grau 2 4-6 anys
La modificació catòdica del pal·ladi en titani grau 7 condueix a taxes de corrosió total d'aproximadament una vintena part de la del grau 2 en gravador de clorur fèrric a 42 graus B i 50 graus C. Els llocs de pal·ladi modifiquen el potencial de la superfície del titani a un valor més noble, donant lloc a una disminució de la ruptura passiva de la pel·lícula. Per a les operacions de gravat contínues d'alta producció-en què la fiabilitat de l'escalfador i la llarga vida útil són de primera importància, es garanteix el cost inicial més elevat del grau 7. El grau 2 segueix sent l'opció rendible per a un ús intermitent o de baix volum on una vida útil de l'escalfador de 5-7 anys és acceptable. Quan especifiqueu, demaneu la taxa de corrosió real registrada a la solució específica de FeCl3. Els contaminants rastres (coure, níquel) poden afectar el rendiment.