Saat Memanaskan Etchant Ferri Klorida (42 derajat Bé) pada suhu 50 derajat, Mengapa Titanium Kelas 7 Menunjukkan Laju Korosi Umum yang Lebih Rendah (0,01 mm/tahun) dibandingkan Kelas 2 (0,2 mm/tahun)?

Pengetsaan besi klorida (FeCl₃) pada suhu 42 derajat Bé (sekitar 38-40% FeCl₃ berat) adalah media umum untuk mengetsa papan sirkuit berlapis tembaga dan untuk penggilingan kimia logam. Larutannya sangat mengoksidasi, sangat asam (pH 0,5-1,0) dan mengandung sekitar 200-250 g/L ion klorida. Titanium digunakan secara luas untuk pemanas perendaman dalam garis etsa FeCl 3 karena ketahanannya yang sangat baik terhadap lubang klorida dalam kondisi oksidasi. Namun ada perbedaan penting antara titanium Kelas 2 murni komersial dan titanium Kelas 7 yang distabilkan paladium. Dalam pelayanan jangka panjang pada suhu 50 derajat, laju korosi umum Kelas 7 adalah 0,01-0,03 mm per tahun sedangkan Kelas 2 terkorosi pada 0,15-0,25 mm per tahun, perbedaan faktor 10. Makalah ini menjelaskan mekanisme elektrokimia dari kesenjangan kinerja ini dan menentukan kapan biaya tambahan Kelas 7 dapat dibenarkan karena berkurangnya laju korosi.

Ferric klorida sebagai oksidator
Besi klorida adalah oksidan kuat karena pasangan redoks Fe 3+ /Fe 2+ dengan potensi reduksi tipikal sebesar +0.77 V vs. SHE. Potensi efektifnya adalah +0.6 hingga +0.8 V vs SCE dalam larutan pekat pada suhu 50 derajat. Ini harusnya merupakan lingkungan yang sangat mengoksidasi dan diharapkan dapat mempasifkan titanium sepenuhnya. Baik Kelas 2 dan Kelas 7 bersifat pasif. Lapisan pasif pada titanium tidak statis, namun terus menerus larut dan terbentuk kembali. Laju disolusi dikendalikan oleh sifat kimia antarmuka larutan titanium-, khususnya konsentrasi anion pengompleks (klorida) dan keberadaan katalis logam mulia.

Mekanisme Korosi FeCl3 Grade 2
Lapisan pasif TiO₂ pada titanium Kelas 2 dalam larutan FeCl₃ adalah TiO₂ yang larut secara kimiawi secara perlahan + 4Cl⁻ + 4H⁺ → TiCl₄ + 2H₂O. TiCl₄ dihidrolisis menjadi spesies yang larut. Bersamaan dengan disintegrasi, film ini kembali-terbentuk melalui interaksi titanium dengan air atau oksigen. Laju korosi tunak pada suhu 50 derajat adalah 0,15–0,25 mm per tahun, yang merupakan hasil dari perbedaan antara laju disolusi dan repassivasi. Lajunya bergantung pada suhu: pada suhu 40 derajat Kelas 2 terkorosi sebesar 0,05-0,10 mm/tahun, pada suhu 60 derajat lajunya melonjak menjadi 0,4-0,6 mm/tahun.

Korosi bersifat meluas (universal) dan tidak pitting. Dinding tabung Kelas 2 akan menipis secara perlahan dan merata selama beberapa bulan pengoperasian. Tabung setebal 1,65 mm yang digunakan pada suhu 50 derajat akan kehilangan sekitar 0,2 mm per tahun, sehingga masa pakainya adalah 5–8 tahun hingga ketebalan dinding minimum yang diijinkan tercapai (biasanya 1,0 mm untuk integritas mekanis).

Perawatan Katodik Kelas 7
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+ Reaksi ini dimulai pada potensi berlebih yang lebih rendah pada paladium dibandingkan pada titanium, sehingga menunjukkan bahwa sebagian besar arus katodik terjadi di lokasi paladium. Matriks titanium terpolarisasi ke potensi yang lebih mulia, sering kali +0.3 hingga +0.5 V lebih mulia daripada Kelas 2 dalam kondisi yang sama.

Karena potensi yang lebih mulia ini, laju pelarutan film TiO₂ turun secara eksponensial. Uji elektrokimia menunjukkan bahwa rapat arus pasif Kelas 7 dalam FeCl3 pada 50 derajat adalah 0,5-1,0 µA/cm2, yang setara dengan laju korosi 0,005-0,010 mm per tahun. Paladium tidak perlu menutupi seluruh permukaan, karena 0,5-1,0% pulau paladium di permukaan sudah cukup untuk menjamin perlindungan katodik.

Perbandingan Kinerja-Jangka Panjang
Validasi lapangan disediakan oleh data lapangan dari fasilitas etsa PCB menggunakan 42 derajat Bé FeCl 3 pada 50 derajat. Pemanas titanium kelas 2 (dinding 1,65 mm) biasanya memiliki umur penipisan dinding 5-7 tahun dan perlu diganti. Pemanas kelas 7 (dinding 1,65 mm) telah digunakan selama 15+ tahun dengan kehilangan ketebalan dinding terukur total kurang dari 0,2 mm. Kelas 7 lebih mahal di muka (sekitar 30-40% lebih mahal dibandingkan Kelas 2), namun terbayar dengan masa pakai yang lebih lama dan waktu henti yang lebih sedikit.

Bahan Laju korosi umum @ 50 derajat Waktu hingga kehilangan dinding 50% (1,65 mm hingga 0,8 mm)Aplikasi Faktor Biaya Relatif Biaya-Efektif
Titanium kelas 2 0,15-0,25 mm/tahun 3-5 tahun 1,0x Pengetsaan bervolume rendah dan terputus-putus
Titanium kelas 7 0,01-0,03 mm/tahun 15-25 tahun 1,3-1,4x Proses berkesinambungan bervolume tinggi
Hastelloy C-276 0.02-0.05 mm/tahun 10-15 tahun 2,5-3,0x Hanya aplikasi khusus
Matriks Aplikasi Pemilihan Sumber Panas FeCl₃
Tingkat Perputaran Mandi Temperatur Pengoperasian Pengetsaan Tingkat Titanium Direkomendasikan Umur Pemanas yang Diharapkan (dinding 1,65 mm)
Pembuatan prototipe PCB bervolume-rendah 50 derajat Intermiten, penggantian wadah setiap bulan Kelas 2 5-7 tahun
fabrikasi PCB volume tinggi 50 derajat Berkelanjutan, bak mandi yang diregenerasi Kelas 7 12-15 tahun
Etsa kimia (logam tebal) 55-60 derajat Penggunaan tinggi, berkelanjutan Kelas 7 8-10 tahun
FeCl₃ yang diregenerasi (Fe²⁺ rendah) 50 derajat Kadar Berkelanjutan 7 15+ tahun
FeCl₃ bekas (Fe²⁺ tinggi, tingkat pengoksidasi lebih sedikit) 50 derajat Pembuangan batch Kelas 2 4-6 tahun
Modifikasi katodik oleh paladium pada titanium kelas 7 menghasilkan laju korosi total sekitar seperduapuluh dari tingkat korosi kelas 2 pada etsa besi klorida pada suhu 42 derajat B dan 50 derajat C. Lokasi paladium memodifikasi potensi permukaan titanium ke nilai yang lebih mulia, yang menyebabkan penurunan kerusakan film pasif. Untuk operasi etsa produksi tinggi-yang berkelanjutan yang mengutamakan keandalan pemanas dan masa pakai yang lama, maka diperlukan biaya awal Kelas 7 yang lebih tinggi. Kelas 2 tetap menjadi pilihan hemat biaya untuk penggunaan intermiten atau volume rendah di mana masa pakai pemanas 5-7 tahun dapat diterima. Saat menentukan, tanyakan laju korosi aktual yang dicatat dalam larutan FeCl3 spesifik. Kontaminan jejak (tembaga, nikel) dapat mempengaruhi kinerja.