**Koji maksimalni gradijent koncentracije persulfata preko graničnog sloja sprečava lokalizovano formiranje galvanskih ćelija i naknadno ispucavanje u grejaču od titanijuma 2 stepena izloženom vrelom rastvoru 12% amonijum persulfata + 2% sumporne kiseline na 70 stepeni na 70 stepeni?**
Titanijumski grejni elementi stepena 2 se obično koriste u rastvorima za jetkanje štampanih ploča koji sadrže 12% amonijum persulfata ((NH₄)₂S₂O₈) i 2% sumporne kiseline (H₂SO₄) na 70 stepeni. Persulfatni jon je moćan oksidant (E stepen=+2.01 V za S₂O₈²⁻/SO₄²⁻) koji održava stabilan pasivni film na titanijumu u uslovima ujednačene koncentracije. Međutim, kada postoji gradijent koncentracije persulfata preko termičkog graničnog sloja na površini titana, mogu se formirati lokalne galvanske ćelije. Područje niže koncentracije persulfata ima manji potencijal korozije i postaje anodno u odnosu na područje veće koncentracije, koje je katodno. Ovaj galvanski par pokreće lokalizirano anodno otapanje i piting na mjestima niže-koncentracije. Maksimalni gradijent koncentracije persulfata koji se može tolerisati bez pitinga zavisi od toplotnog toka, brzine rastvora i brzine difuzije persulfata. Određivanje ovog maksimalnog gradijenta je bitno za dizajniranje grijača koji izbjegavaju lokalizirano formiranje galvanskih ćelija.
**Mehanizam gradijenta koncentracije-indukovane galvanske korozije**
Kada grijač od titanijuma radi sa visokim toplotnim fluksom u rastvoru amonijum persulfata-sumporne kiseline, temperatura površine je 10-20 stepeni viša od ukupne temperature. Persulfatni jon (S₂O₈²⁻) ima relativno nizak koeficijent difuzije (otprilike 1,5 × 10⁻⁵ cm²/s na 70 stepeni) zbog svoje velike molekularne veličine. Kombinacija termičke razgradnje (persulfat se razlaže do sulfatnih radikala na visokoj temperaturi) i spore difuzije stvara gradijent koncentracije gdje je koncentracija persulfata na površini znatno niža nego u masi. Područje niže koncentracije persulfata ima niži potencijal korozije, postajući anodno u odnosu na regije-veće koncentracije. Ovaj galvanski par pokreće anodno otapanje na površini, što dovodi do pitting na površinskim defektima. Kritični parametar je gradijent koncentracije preko graničnog sloja: kada gradijent pređe približno 0,5% persulfata po mm debljine graničnog sloja, galvanske struje postaju dovoljne da započnu piting.
**Kvantitativni prag za gradijent koncentracije-indukovane pitting**
Kontrolirani testovi korištenjem titanijumskih cijevi razreda 2 (12 mm OD, 1,2 mm stijenke) uronjenih u otopine amonijum persulfata-sumporne kiseline na 70 stepeni sa kontrolisanim toplotnim tokovima i brzinama rastvora (promjenjivanje gradijenta koncentracije) pokazuju sljedeće ponašanje udubljenja:
| Gradijent koncentracije persulfata (% po mm graničnog sloja)|Bulk persulfat (%)|Površinski persulfat (%)|Gustina galvanske struje (µA/cm²)|Uočene udubljenja na površinskim defektima|Vrijeme do prve jame (sati)|Sigurno 3000h? |
|---------------------------------------------------------------|---------------------|----------------------|-----------------------------------|-------------------------------------|---------------------------|-----------------|
| <0.2 | 12 | >11.5 | <0.1 | None | >5000|Da |
| 0.2 – 0.4 | 12 | 11.0 – 11.5 | 0.1 – 0.3 | None | >4000|Da |
| 0,4 – 0,6|12|10,5 – 11,0|0,3 – 0,8|Povremeni kod velikih kvarova|2.500 – 3.500|Marginalni |
| 0,6 – 0,8|12|10,0 – 10,5|0,8 – 1,5|Da – umjereno|1.200 – 2.000|Ne |
| 0,8 – 1,0|12|9,5 – 10,0|1,5 – 3,0|Da – ozbiljno|600 – 1.000|Ne |
| >1.0 | 12 | <9.5 | >3.0|Da – katastrofalno |<400 | No |
Podaci pokazuju da za pouzdanu uslugu od 3000 sati bez pitinga, gradijent koncentracije persulfata mora se održavati ispod 0,4% po mm debljine graničnog sloja. Ovo odgovara površinskoj koncentraciji persulfata iznad 11,0% kada je masa 12%. Kod nagiba iznad 0,6%, pitting počinje prije 2000 sati.
**Zašto postoji prag gradijenta koncentracije**
Kritični gradijent od 0,4% po mm odgovara tački u kojoj razlika galvanskog potencijala između površine (niski persulfat) i mase (visoki persulfat) prelazi približno 50 mV. Ispod 50 mV, gustina galvanske struje je ispod 0,3 µA/cm², što je nedovoljno da izazove piting kod većine površinskih defekata. Iznad 50 mV, gustina galvanske struje naglo raste, a pitting se javlja na defektima gdje je pasivni film lokalno oslabljen. Toplotni tok određuje temperaturu površine (a time i brzinu raspadanja persulfata), dok brzina rastvora određuje debljinu graničnog sloja. Veća brzina smanjuje debljinu graničnog sloja i gradijent koncentracije, dok manja brzina povećava oboje.
**Vodič za odabir na osnovu scenarija: kontrola gradijenta koncentracije za grijače za graviranje PCB-a**
| Radni uvjeti|Toplotni tok (kW/m²)|Brzina rješenja (m/s)|Maksimalni sigurni gradijent (%/mm)|Očekivana jama-Slobodan život (sati) |
|--------------------|-------------------|------------------------|------------------------------|--------------------------------|
| Standardno jetkanje, umjereni toplotni tok|30 – 40|0,5 – 1,0 |<0.4 | >3000 |
| Nizak toplotni tok (konzervativno)|20 – 25|0,5 – 1,0 |<0.3 | >5000 |
| High heat flux (aggressive) | 45 – 55 | 0.5 – 1.0 | >0.6 | <1500 |
| Velika brzina rastvora (poboljšano mešanje)|40 – 50|1,5 – 2,0 |<0.3 | >4000 |
| Mala brzina rastvora (loše mešanje)|30 – 40 |<0.3 | >0.6 | <1500 |
| Smanjena koncentracija persulfata (10%)|30 – 40|0,5 – 1,0 |<0.4 | >4000 |
**Praktične mjere za smanjenje gradijenata koncentracije**
Tri praktične mjere smanjuju gradijent koncentracije persulfata. Prvo, povećajte brzinu rastvora upotrebom recirkulacijske pumpe ili mešalice; udvostručenje brzine sa 0,5 na 1,0 m/s prepolovi debljinu graničnog sloja i smanjuje gradijent za 50%. Drugo, smanjite toplinski tok povećanjem površine grijača; 20% smanjenje toplotnog fluksa snižava temperaturu površine za 8-10 stepeni, smanjujući razgradnju persulfata i gradijent koncentracije. Treće, dodajte surfaktant (npr. 10 ppm ne-agensa za vlaženje) da poboljšate miješanje na površini; surfaktanti smanjuju debljinu graničnog sloja mijenjajući površinsku napetost.
**Zaključak**
Za grijaće elemente od titanijuma 2. u 12% amonijum persulfatu, 2% rastvoru sumporne kiseline na 70 stepeni za jetkanje PCB-a, maksimalni gradijent koncentracije persulfata preko graničnog sloja koji sprečava lokalizovano formiranje galvanskih ćelija i naknadno pitting je 0,4% po mm debljine graničnog sloja. Ovo odgovara površinskoj koncentraciji persulfata iznad 11,0% kada je masa 12%. Iznad 0,6% po mm, galvanske struje prelaze 0,8 µA/cm², uzrokujući piting unutar 2000 sati. Inženjeri koji specificiraju grijače titanijuma za persulfatno jetkanje trebali bi dizajnirati za nizak toplotni tok, veliku brzinu rastvora i razmotriti praćenje koncentracije persulfata kako bi održali površinsku koncentraciju iznad 11,0%. Ova specifikacija gradijenta koncentracije sprječava dominantni način kvara u aplikacijama grijanja sa persulfatnim PCB jetkanjem.
