Kan commercieel puur titanium tantaal als materiaal voor de dompelverwarmer vervangen voor de ontwikkeling van printplaten die gebruik maken van alkalische etsmiddelen?

Dit is een bijzondere materiële uitdaging in de ontwikkelingslijnen voor printplaten die alkalische etsmiddelen gebruiken, meestal natrium- of kaliumhydroxideoplossingen bij 50-60oC. Tantaal is het materiaal bij uitstek voor verwarmingselementen in deze toepassing vanwege zijn uitstekende weerstand tegen bijtende aantasting. De hoge kosten van tantaal (ongeveer 15-20 maal die van titanium) zorgen er echter voor dat de belangstelling voor economisch zuiver titanium als levensvatbaar alternatief blijft bestaan. De vraag is niet of titanium overleeft in alkalische etsmiddelen – dat is onder bepaalde omstandigheden wel het geval – maar of het de betrouwbaarheid en levensduur van tantaal kan evenaren in de specifieke omgeving van PCB-ontwikkellijnen waar de etsmiddelchemie niet alleen hydroxide bevat, maar ook complexvormers, oppervlakteactieve stoffen en sporenmetaalionen uit opgelost koper. De corrosieweerstand van klasse 2 titanium en tantaal in alkalische PCB-etsmiddelen wordt vergeleken en de omstandigheden voor de succesvolle vervanging van tantaal door titanium worden bepaald.

Corrosiegedrag van titanium in alkalische media
Titanium bezit een amfotere oxidecoating die stabiel is in zure en alkalische omgevingen, hoewel het stabiliteitsbereik beperkt is. In natriumhydroxideoplossingen bij concentraties onder 20% en temperaturen onder 80 graden zal titanium van klasse 2 een passieve laag behouden met corrosiesnelheden van minder dan 0,02 mm per jaar. Naarmate de concentratie of temperatuur stijgt, begint de passieve film op te lossen en produceert titanium oplosbare titanaatsoorten (Na 2 TiO 3 of Na 4 TiO 4 ). Graad 2 titanium zal corroderen bij ~0,03-0,05 mm/jr bij 60°C in 15% NaOH, typisch voor alkalische ontwikkellijnen voor PCB's, ruim binnen aanvaardbare grenzen voor een buis met een wanddikte van 1,65 mm die naar verwachting 5-7 jaar mee zal gaan.

Het ernstiger probleem is bijtende spanningscorrosie (SCC). Titanium kan kwetsbaar zijn voor SCC in geconcentreerde hydroxideoplossingen bij verhoogde temperaturen (meer dan 70 graden) wanneer er resttrekspanningen aanwezig zijn door het buigen of lassen van buizen. Het gevaar van SCC is minimaal, maar niet verwaarloosbaar bij de gemiddelde PCB-ontwikkeltemperatuur van 55 tot 60 C. Gelaste buisuiteinden en mechanisch geëxpandeerde buisplaten hebben restspanningen die scheuren kunnen veroorzaken als de etsmiddelconcentratie omhoog gaat of als er temperatuurschommelingen optreden. Tantaal is echter vrijwel ongevoelig voor bijtende SCC tot 150 graden.

Effect van etsmiddeladditieven en koperverontreiniging
Commerciële alkalische PCB-etsadditieven hebben een dramatisch effect op de prestaties van titanium. Organische chelaatvormende chemicaliën zoals EDTA of op ammoniak-gebaseerde verbindingen kunnen titaniumionen cheleren en de desintegratie van de passieve laag versnellen. Oppervlakteactieve stoffen kunnen aan het oppervlak adsorberen en beschermen, of diffunderen in de gebreken van de film en het oppervlak aantasten. Het allerbelangrijkste is dat het opgeloste koper uit de geëtste printplaten zich ophoopt in het etsbad. Door gebruik te maken van verdringingsreacties (Ti + Cu2+ → Ti2+ + Cu0) is het mogelijk om metallisch koper als koperionen (Cu2+) op titaniumoppervlakken af ​​te zetten. Deze koperafzetting vormt een galvanisch koppel: koper is kathodisch met titanium in alkalische oplossingen, waardoor het titanium aan de randen van de afzettingen anodische oplossing krijgt. Gelokaliseerde aanval onder koperafzettingen heeft titaniumbuizen van 1,65 mm in PCB-gebruik in 12-18 maanden geperforeerd, terwijl tantaal zo nobel is dat koper zich niet afzet of galvanische aanvallen veroorzaakt.

Toepassingsmatrix: Titanium versus tantaal voor alkalische PCB-verwarmers Parameter Typische badomstandigheden voor etsen Titanium in plaats van tantaal? Verwachte levensduur van titanium (1,65 mm) Aanbevolen materiaal
verse ontwikkelaar geen koper schoon systeem 10-15% NaOH of KOH 55 graden geen toevoegingenJa, compleet 5-8 jaar Grade 2 titanium.
Productieontwikkelaar, laag kopergehalte (<5 g/L) Same plus 2-5 g/L CuYes, with monitoring 3-5 years Grade 2 titanium
Productie-ontwikkelaar, hoog kopergehalte (5-15 g/l) Hetzelfde plus Cu 5-15 g/LNee, snelle aanval 12-24 maanden Tantaal of titanium graad 7 Etsmiddel met EDTA of complexvormende verbindingen NaOH 10-15% + chelatorenNee, snelle filmaanval 6-12 maanden uitsluitend tantaal
Hoge temperatuurlijn (65-70 graden) 15-20% NaOH, thermische spanningSCC-risico Nee<12 months Tantalum
Stripperlijn (basis + organisch oplosmiddel)Organische aminen (variabel)* Titanium aangetast Nee. *<6 months Tantalum or steel lined
Conclusie voor PCB-verwarmingsspecificatie.
Commercieel zuiver titanium kan worden beschouwd als vervanging voor tantaal als omhulselmateriaal voor dompelverwarmers in alkalische PCB-ontwikkellijnen, maar alleen onder bepaalde, sterk gereguleerde omstandigheden: hydroxideconcentratie minder dan 15%, temperatuur minder dan 60 graden, opgelost koper minder dan 5 g/l en geen agressieve complexvormers. Onder dergelijke omstandigheden biedt klasse 2 titanium, met een wanddikte van 1,65 mm, een levensduur van 3-5 jaar tegen ongeveer 5-10% van de kosten van tantaal. Als de koperophoping op de productielijn groter is dan 5 g/l, of als de lijn gebruikmaakt van gechelateerd etsmiddel of een dienst boven de 60 graden, dan zal titanium voortijdig bezwijken door galvanische aantasting of bijtende SCC. Onder deze omstandigheden blijft tantaal de beproefde standaard en resulteren pogingen om titanium te vervangen in onverwachte stilstand en badverontreiniging die de aanvankelijke materiaalbesparingen ruimschoots overtreffen.