時代の進歩と電子製品の薄型軽量化への要求の高まりに伴い、回路基板の製造プロセスも常に改善されています。 近年、チタン陽極は PCB 銅めっきプロセスにおいて徐々に多くの人に認知され、理解されるようになりました。 使用中に溶解し続ける従来のリン銅ボールと比較して、チタン陽極は形状が安定しており、使用中に溶解反応が起こらないため、不溶性陽極と呼ばれ、寸法安定陽極とも呼ばれます。 製品要件の向上に伴い、PCB銅めっきプロセスの要件も増加しています。 チタン陽極は徐々にリン青銅ボールよりも優れていることが示されており、リン青銅ボールの市場シェアを徐々に置き換えつつあります。 この記事では、チタン陽極の概要を紹介し、チタン陽極の開発と製造における数十年の経験を組み合わせて、チタン陽極の設計と使用に関する知識と経験を共有し、より多くの人がチタン陽極を理解できるようにします。 アノードはさらに理解が深まりました。
1. チタン陽極の紹介
1.1 チタン負極の定義
チタン陽極は一般にDSA(DimensionallyStable Anode)と呼ばれ、寸法的に安定した陽極である。 使用中、チタンアノードは溶解反応を起こさないため、寸法安定性が維持されます。 したがって、チタンアノードは不溶性アノードです。 チタンアノードは単純な金属電極ではなく、コーティングされた電極です。チタンアノードは、ベース金属としてチタンを使用し、表面に電極触媒コーティングが施された複合電極材料です。 コーティングできる材料は数多くありますが、最も広く使用されているのは貴金属コーティングと呼ばれる白金族元素コーティングで、主に次の 3 種類があります。白金（金属）、酸化ルテニウム、酸化イリジウム（いずれもセラミックス金属酸化物） ）。 したがって、チタン陽極とは、金属チタンを基材とし、白金族金属およびその酸化物を表面被覆した、導電性と高い化学触媒活性を有する電極材料と定義できます。
1.2 チタン負極の開発経緯
チタン陽極の歴史と言えば、その誕生はオランダのヘンリー・ビール（HBビール）と切っても切れない関係にあります。 1957 年に遡り、ビールはチタン金属にプラチナを電気めっきする技術を発明し、特許を申請し、MAGNETOChemie (MAGNETO Chemie の前身) を設立しました。 1967年、ビールはチタン金属上に金属酸化膜を形成する方法を発明しました。 具体的な実装例の 1 つは、塩水電解の陽極として酸化ルテニウムを使用し、塩素アルカリ産業に大きな変化をもたらしました。 このコーティングは、現在でもさまざまな電気化学的塩素発生反応で広く使用されています。 さまざまな白金族金属とその酸化物に関する徹底的な研究により、1970 年代にイリジウム - タンタル混合金属酸化物コーティングの開発に成功し、徐々に電気化学的酸素発生反応に使用され始めました。 現在、チタン陽極はその優れた性能に依存しており、化学工業（塩素アルカリ工業）、電解有機合成、電気めっき、陰極防食、工業用および民生用の電解塩素製造および消毒、その他の応用分野を含む多くの電気化学分野で広く使用されています。 。
1990 年代以来、チタン陽極は PCB 銅めっきプロセスで使用されており、今世紀の最初の 10 年間にさらに開発および改良されました。 過去 10 年間、PCB プロセス能力要件の改善に伴い、チタン陽極は、その独自の利点を備えた可溶性陽極 - リン銅ボールに徐々に置き換えられ始めました。 電気めっきの要件に応じて、チタン陽極は DC めっきだけでなく、逆パルスめっきにも使用できます。 将来的には、銅めっきプロセスの要件がさらに高まるにつれて、チタン陽極は新しい電気めっき条件に適応するために研究開発が続けられるでしょう。
2. チタン負極の反応原理
チタンアノードは不溶性アノードであり、動作中のアノード反応プロセスは可溶性アノード（リン銅ボール）とは大きく異なります。
可溶性アノードのアノード反応は、金属が電子を失って溶解する単純な化学反応プロセスです。 不溶性アノードのアノード反応は本質的に水の電気分解反応であり、反応生成物は酸素と水素イオンです。 不溶性アノードと可溶性アノードの間のアノード化学反応の違いは、次の 3 つの点に要約できます。 さまざまな反応生成物。 ii. さまざまな反応プロセス。 iii. さまざまな反応電位。 これにより、特定の使用条件下では、チタン陽極の性能と装置の要件に独自の特性があることが決まります。
私。 反応生成物が違う
上記の反応式からわかるように、可溶性アノードの使用で最も便利なのは、カソードに堆積するすべての金属がアノード反応で溶解した金属に由来し、それによって電気めっきシステム内の金属バランスが達成されることです。 不溶性アノードを使用すると、アノード端で対応する金属イオンが生成されないだけでなく、追加の水素イオンも生成されます。 したがって、不溶性アノードの場合、銅イオンを補充する一方で、電気めっきシステム全体のバランスを維持するために過剰な水素イオンも消費する必要があります。 現在、主な解決策は酸化銅を使用することです。 したがって、チタン陽極を使用する場合は、ほとんどの場合、追加の酸化銅粉末添加システムが必要であり、これがリン銅ボールシステムとの最大の違いです。
ii. 反応過程が違う
可溶性アノードのアノード反応プロセスは比較的単純です。 発生する最終反応は、銅 (0 価数) が銅イオン (+2 価数) に変換されることであり、その副反応によって部分的に銅イオン (+1 価数) も生成されます。 不溶性アノードのアノード この反応は、チタンアノード表面の貴金属酸化物コーティングを伴う電極触媒反応プロセスです。 基本反応は水を電気分解する陽極反応で、最終生成物は酸素と水素イオンです。 この反応プロセス中、コーティングは接触によりめっき液中の添加剤の大量の分解を引き起こすだけでなく、反応により酸素原子、ヒドロキシルラジカルなどを含む強力な酸化性中間体も生成され、これにより追加の損傷が発生します。添加物の分解。 これは、不溶性陽極の使用に対して非常に大きな障害となります。可溶性陽極と比較して、不溶性陽極は追加の添加剤の消費を引き起こし、PCB 銅めっきプロセスの運用コストを大幅に増加させます。
iii. 異なる反応電位
電気めっきプロセス中、不溶性アノードのアノード端では水を電気分解する反応が起こり、この反応の標準電極電位は可溶性アノードの標準電極電位よりも大幅に高くなります。 同時に、チタンの抵抗率は銅よりも大きいため、 一般に、チタン陽極を使用する場合は、より高い電流密度が使用されることがよくあります。 これにより、チタン陽極を使用した場合、電気めっきシステム全体の電圧が可溶性陽極の電圧よりも大幅に高くなります。 この電圧差は少なくとも 1V、さらには 2V よりも大きくなります。 リン銅ボールに適した電源と比較して、不溶性陽極用の電源は電圧設計を事前に考慮する必要があります。 もちろん、コストの観点からは、電源のコストもそれに応じて増加します。
3. チタン陽極のメリットとデメリット
3.1 チタン陽極の利点
リン銅ボールと比較して、チタン陽極は全く異なる種類の陽極であるため、比類のない利点をもたらします。 要約すると、チタン陽極の利点は主に次の点に反映されます。
i.めっき均一性が安定するメリット
チタン陽極の電気めっきの均一性の利点は、不溶性陽極の使用により、不溶性陽極自体の特性によって決まる安定した電気めっきの均一性を長期間維持できることを意味します。 電気めっきプロセス中、電気めっきの均一性の安定性を確保するには、電気めっき条件が制御可能で安定していることを確認する必要があります。 非常に重要な点は、アノード端からカソード端までの放電の均一性を維持することです。 アノード端からカソード端までの放電の安定性は、主に両者の相対的なサイズによって決まります。 PCB 銅めっきプロセスでは、電気めっきが進むにつれて使用される溶解性リン銅ボールが溶解し、その結果、陽極のサイズ (主に陽極の高さ) が減少し、相対面積が変化します。 したがって、リン銅ボールを使用してアノード放電の均一性を長期間維持することは不可能である。 不溶性アノードは「寸法安定アノード」とも呼ばれます。これは、不溶性アノードのアノード サイズが長期間使用しても安定していることを意味します。 現時点で必要なのは、チタンアノードの表面のコーティングがアノードの寿命中に破損しておらず、依然として放電能力と電極触媒能力を維持していることを確認して、アノード端から電極までの放電安定性を確保することだけです。カソード端。 通常、オンラインで不溶性陽極を設置した後、初回のめっき均一性調整（遮蔽板の大きさや位置の調整など）のみで、長期間安定しためっき厚さ分布が得られます。これは、アノードのライフサイクル全体を通じて達成できます。 「一度限り」の中で。
ii. 生産効率の向上
リン銅ボールと比較して、チタン陽極による生産効率の向上は主に次の 2 つの側面に反映されます。
一方で、チタンアノードはより高い電流密度で動作できます。 リン銅ボール表面のリン化物皮膜の不動態化により、リン銅ボールの最大動作電流密度は 2.5 ～ 3 ASD を超えることはできません。 一方、チタン陽極が耐えることができる最大電流密度は、リン銅ボールの数十倍です（たとえば、鋼電気めっきの分野では、チタン陽極の動作電流密度は 100 ASD 以上に達することがあります）。 したがって、チタンアノードは、設備のサポートと対応する電気めっき条件のマッチングを通じて、より高い設備の生産性と生産効率を達成する可能性があります。
一方、チタンアノードは、リン銅ボールプロセスの定期的な追加とメンテナンスによって引き起こされる生産中断の問題を回避します。 リン青銅球を使用する場合、消費したリン青銅球を定期的に補充する必要があります。 新しいリン青銅ボールを追加する前に、ボールを洗浄する必要があります。 追加してもすぐに生成されるわけではありません。 表面にリン酸塩皮膜を形成するには、電解シリンダーを一定時間運転する必要があります。 長期間使用されているリン青銅ボールは残留物に近い状態にあるため、電気めっきの品質上の問題を避けるために、チタンバスケットからボールを完全に除去する必要があります。 このようなメンテナンスが避けられないため、リン青銅ボールを使用した銅めっき装置は長時間の連続運転ができないだけでなく、多大な労力を費やしてしまいます。 チタン陽極を使用する場合、銅イオンを補給する酸化銅粉末添加装置が独立しているため、酸化銅粉末を補給するために機械を停止する必要がありません。 同時に、チタンアノード自体も「メンテナンスフリー」です。つまり、チタンアノードのライフサイクル中、原則としてチタンアノードを追加で洗浄する必要はありません。 したがって、チタン陽極を使用すると、理論的には完全に中断のない生産が実現できるため、メンテナンス時間と人件費を大幅に節約できます。
iii. より安定したプロセス制御
チタン陽極を使用すると、電気めっき液の成分をより安定した状態に保つことができます。これは、酸化銅粉末を添加することの利点です。
一方、リン銅ボール表面のリン酸塩処理膜の厚さを完全に制御することは困難であるため、リン酸塩処理膜が厚くなりすぎてリン銅ボールの不動態化につながることを避けることを前提として、リン銅ボールは多くの場合過剰に溶解し、ポーション内の液体の損失につながります。 銅イオン濃度の継続的な増加。 銅イオンの濃度は、めっき穴の TP 値に重要な役割を果たします。 したがって、銅イオン濃度の変動はホールめっき効果の安定性にある程度影響を与えます。 同時に、リン銅ボールの溶解プロセス中に、めっき液中の追加の塩化物イオンが消費されます。 塩化物イオンの変動はリン酸塩処理皮膜の厚さに影響を与える一方で、電気めっき添加剤の効果も変動させます。 チタン陽極を使用する場合、この状況は発生しません。 銅イオン濃度を完全に制御するには、添加する酸化銅粉末の量を厳密に制御するだけで済みます。 同時に、塩素イオン濃度そのものも非常に安定した状態に維持することができます。
一方、リン銅ボールの使用は、めっき液の汚染を引き起こす可能性が高く、めっき添加剤の早期破損につながります。 リン銅ボールは製錬と圧延によって加工されますが、酸化銅粉末は銅原料を溶液に溶解し、さらに精製して酸化銅前駆体を溶液中で沈殿させ、最後に焼成して製造されます。 酸化銅の粉末です。 2つの処理プロセスと比較して、酸化銅粉末の処理プロセスは原料の純度を制御するのに便利です。 比較的言えば、良好な制御条件下では、酸化銅粉末の不純物含有量はリン銅ボールの不純物含有量よりも低くなります。 リン銅ボールでも酸化銅粉でも、長期間使用するとめっき液中に不純物が溶解・蓄積していきます。 電気めっき添加剤は、多くの場合、電気めっき溶液中の不純物イオンの含有量に非常に敏感です。 電気めっき溶液中の不純物イオンが特定の濃度に達すると、電気めっき添加剤の効果に影響を及ぼし、それによって電気めっき効果に悪影響を及ぼします。 したがって、チタン陽極を使用した電気めっきシステムは、浴液を比較的低汚染な状態に維持し、浴液をより長く持続させることができます。 これにより、めっき浴の早期故障によって引き起こされるタンク準備の追加コストが削減されるだけでなく、使用中のめっき浴のコストも削減されます。 不純物の影響もより確実になります。
iv. より高いプロセス能力
電気めっきプロセスの能力は主に、装置の設計と電気めっきシステムのサポートという 2 つの側面に依存します。
リン青銅ボールシステムでは「リン青銅ボール－チタンバスケット－陽極袋」という組み合わせモードを抜け出すことができないため、装置設計上、リン青銅ボールを使用すると装置設計に制約が生じます。 このリン青銅ボールシステムは電気めっき方法も決定します。 縦めっき法です。 チタン陽極を使用すると、垂直メッキモードを完全に取り除くことができます。 チタン陽極は完全にカスタマイズできるため、装置のジェット流、循環、陽極分布、陽極形状などの側面を再設計して最適化できます。 これにより、装置にさまざまな可能性が与えられ、電気めっき装置の機能 (電気めっきの均一性、動作電流密度などのさらなる向上などの前提条件が提供されます) も提供されます。
電気めっきシステムのサポートに関しては、リン銅ボールシステムによって引き起こされるめっき液汚染問題と比較して、チタンアノードはより高い電気めっき能力を提供できます。 したがって、新しい電気めっき添加剤の開発の方向性は、基本的にチタンアノードの適応、特に新しい用途とより高い要求のための添加剤の開発と適応に移行しています。 チタン陽極を選択するということは、将来の開発の可能性を選択することを意味します。
3.2 チタン陽極の欠点と選択
リン銅ボールと比較した場合、チタン陽極の欠点はコストの問題に集約されます。 チタン陽極がリン銅ボールを完全に置き換えることを妨げる最も重要な理由はコストです。
私。 設備投資コストが高い
設備投資コストの問題は、主に以下の側面に集中しています。 第一に、チタンアノードシステムには追加の酸化銅粉末添加システムが必要です。 より適切に管理するには、医薬品オンライン管理システムを同時に使用することをお勧めします。 第二に、チタン陽極に適した電源をより高くする必要があります。 動作電圧設計により、チタン陽極用の電源の製造コストが上昇しました。 第三に、チタン陽極のコストは、リン青銅ボールシステムを備えたチタンバスケットのコストをはるかに上回ります（チタン陽極の表面にある貴金属酸化物のコーティングコストのため）。 要約すると、チタン陽極の使用は、さまざまな機器の全体的な予算に大幅な改善をもたらします。
ii. 運用コストの増加
運用コストには、付属品 (チタン陽極) の交換コストと生産および製造コストが含まれます。
一方で、チタン陽極には相応の耐用年数がなければなりません。 一定期間使用すると、チタンアノードの放電性能や電気めっき性能が低下し、電気めっきの高い要件を継続できなくなる場合もあります。 一般に、チタン陽極は 1 ～ 2 年の使用後に評価して交換する必要があります。 チタン陽極の交換コストは、リン青銅ボールシステムのチタンバスケットの交換コストよりもはるかに高くなります。
一方、製造コストの点では、リン銅ボールと比較して、チタンアノードによって生じる追加コストは、主に銅めっき添加剤の追加消費によるものです。 リン銅ボールと比較して、チタン陽極は銅めっき添加剤の原単位の大幅な増加につながります。 したがって、添加剤の使用量をいかに適正なレベルに制御するかが、お客様がチタン負極製品の品質を評価するための重要な評価指標となります。 銅の使用量については、リン銅ボールと酸化銅粉の単価や材料ロス率を考慮すると、両者の実使用コストに特に大きな差はないと考えられる。
3.3 チタン負極の選択
チタン陽極を選択するのは、コストと品質のどちらかを選択することです。 一方で、チタン陽極を使用すると、実際にプロセス能力が向上し、製品の品質が向上します。 場合によっては、チタン陽極を使用するかどうかによって、メーカーが特定の製品を製造できるかどうかが決まります。 一方、チタン陽極の使用は、一時的な設備投資コストとその後の運用コストの両方の点で、リン青銅ボールと比較して明らかな改善となります。 メリットがコストを上回る場合、チタン陽極が自然な選択となることは明らかです。 また、チタン陽極を使用しないと製品の製造能力が失われる場合もあり、チタン陽極の選択は避けられない状況となっています。 製品需要が増加し続ける中、プロセス能力の向上も継続的な要件となっています。 長期的には、チタンアノードの選択が開発の方向性としてますます確実なものとなることは避けられません。
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