Vid uppvärmning av järnkloridetsningsmedel (42 grader Bé) vid 50 grader, varför uppvisar titan klass 7 lägre allmänna korrosionshastigheter (0,01 mm/år) än grad 2 (0,2 mm/år)?

Järnklorid (FeCl₃) etsmedel vid 42 grader Bé (cirka 38-40 % FeCl₃ i vikt) är det typiska mediet för etsning av koppar{10}}beklädda kretskort och för kemisk fräsning av metaller. Lösningen är mycket oxiderande, intensivt sur (pH 0,5-1,0) och innehåller cirka 200-250 g/L kloridjoner. Titan används flitigt för doppvärmare i FeCl 3-etsningslinjer på grund av dess utmärkta motståndskraft mot kloridgropar under oxiderande förhållanden. Men det finns viktiga skillnader mellan kommersiellt ren grad 2 och palladiumstabiliserad grad 7 titan. Vid långtidsdrift vid 50 grader är den allmänna korrosionshastigheten för Grad 7 0,01-0,03 mm per år medan Grad 2 korroderar vid 0,15-0,25 mm per år, en skillnad på 10 faktorer. Denna artikel beskriver den elektrokemiska mekanismen för detta prestandagap och definierar när den extra kostnaden för Grad 7 motiveras av dess minskade korrosionshastighet.

Järnklorid som oxidationsmedel
Järnklorid är en stark oxidant på grund av Fe 3+ /Fe 2+ redoxparet med en typisk reduktionspotential på +0.77 V vs. SHE. Den effektiva potentialen är +0.6 till +0.8 V vs SCE i koncentrerad lösning vid 50 grader. Detta bör vara en mycket oxiderande miljö och förväntas helt passivisera titan. Både årskurs 2 och årskurs 7 är passiva. Det passiva lagret på titan är inte statiskt, utan löses kontinuerligt och reformeras. Upplösningshastigheten styrs av kemin hos titan-lösningsgränsytan, särskilt koncentrationen av komplexbildande anjoner (klorid) och närvaron av ädelmetallkatalysatorer.

FeCl3 Grad 2 korrosionsmekanism
Den passiva TiO₂-beläggningen på titan av grad 2 i FeCl3-lösning löses långsamt kemiskt TiO₂ + 4Cl⁻ + 4H⁺ → TiCl₄ + 2H₂O. TiCl4 hydrolyseras till lösliga ämnen. Samtidigt med sönderfall återbildas filmen genom interaktion av titan med vatten eller syre. Den stabila korrosionshastigheten vid 50 grader är 0,15–0,25 mm per år, resultatet av skillnaden mellan upplösnings- och återpassiveringshastigheter. Hastigheten är temperaturberoende: vid 40 grader korroderar Grad 2 med 0,05-0,10 mm/år, vid 60 grader hoppar hastigheten till 0,4-0,6 mm/år.

Korrosion är utbredd (universell) och inte gropfrätande. En rörvägg av grad 2 kommer att tunnas ut långsamt och jämnt under driftmånaderna. Ett 1,65 mm tjockt rör som används vid 50 grader kommer att förlora cirka 0,2 mm per år, vilket leder till en livslängd på 5–8 år tills den minsta tillåtna väggtjockleken uppnås (vanligtvis 1,0 mm för mekanisk integritet).

Klass 7 katodisk behandling
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+ Denna reaktion initieras vid en lägre överpotential på palladium än på titan, vilket tyder på att huvuddelen av katodströmmen sker vid palladiumställena. Titanmatrisen polariserar till en ädlare potential, ofta +0.3 till +0.5 V ädlare än Grad 2 under samma förhållanden.

Eftersom denna mer ädla potential sjunker TiO2-filmens upplösningshastighet exponentiellt. Elektrokemiska tester indikerar att den passiva strömtätheten för Grad 7 i FeCl3 vid 50 grader är 0,5-1,0 µA/cm2, vilket motsvarar en korrosionshastighet på 0,005-0,010 mm per år. Palladium behöver inte täcka hela ytan, eftersom 0,5-1,0 % palladiumöar på ytan är tillräckligt för att säkerställa katodiskt skydd.

Jämförelse av långsiktiga-prestanda
Fältvalidering tillhandahålls av fältdata från PCB-etsningsanläggningar med 42 grader Bé FeCl 3 vid 50 grader. Grad 2 titanvärmare (1,65 mm vägg) har normalt en väggförtunningslivslängd på 5-7 år och behöver bytas ut. Värmare av klass 7 (1,65 mm vägg) har varit i drift i 15+ år med uppmätta väggtjockleksförluster på mindre än 0,2 mm totalt. Grad 7 kostar mer i förväg (cirka 30-40 % mer än grad 2), men det betalar sig själv med längre livslängd och mindre stilleståndstid.

Material Allmän korrosionshastighet @ 50 grader Tid till 50 % väggförlust (1,65 mm till 0,8 mm) Applikation Relativ kostnadsfaktor Kostnad-Effektiv
Grad 2 titan 0,15-0,25 mm/år 3-5 år 1,0x Lågvolym, intermittent etsning
Grad 7 titan 0,01-0,03 mm/år 15-25 år 1,3-1,4x Högvolym, kontinuerlig process
Hastelloy C-276 0.02-0.05 mm/år 10-15 år 2,5-3,0x Endast specialiserade applikationer
FeCl₃ Val av värmekälla Applikationsmatris
Etsningsdrift Temperatur Badets omsättningshastighet Titankvalitet Rekommenderad Värmelivslängd förväntad (1,65 mm vägg)
Låg-volym PCB-prototyper 50 grader Intermittent, badbyte månadsvis Grad 2 5-7 år
högvolym PCB-tillverkning 50 grader Kontinuerlig, badregenererad Klass 7 12-15 år
Kemisk etsning (tjock metall) 55-60 grader Hög användning, kontinuerlig Klass 7 8-10 år
Regenererad FeCl₃ (låg Fe²⁺) 50 graders kontinuerlig grad 7 15+ år
Använd FeCl₃ (hög Fe²⁺, mindre oxiderande) 50 grader Batch-avfallshantering Klass 2 4-6 år
Den katodiska modifieringen av palladium i titanklass 7 leder till totala korrosionshastigheter på cirka en tjugondel av den för grad 2 i järnkloridetsningsmedel vid 42 grader B och 50 grader C. Palladiumplatserna modifierar titanytpotentialen till ett ädlare värde, vilket leder till en minskning av passiv filmnedbrytning. För kontinuerliga hög-produktionsetsningsoperationer där värmarens pålitlighet och lång livslängd är av största vikt, är den högre startkostnaden för Grad 7 berättigad. Grad 2 är fortfarande det kostnadseffektiva valet för intermittent eller låg volym användning där en värmares livslängd på 5-7 år är acceptabel. När du anger, fråga efter den faktiska korrosionshastigheten registrerad i den specifika FeCl3-lösningen. Spårföroreningar (koppar, nickel) kan påverka prestandan.