**En una bobina d'escalfament de titani submergida en una solució calenta d'àcid tel·lúric al 8% + 2% d'àcid sulfúric a 80 graus per al poliment del substrat semiconductors, quin gradient mínim de concentració d'àcid tel·lúric a través de la paret del tub impedeix la formació de cèl·lules galvàniques locals i la consegüent picada a les inclusions superficials?**
Les bobines de calefacció de titani de grau 2 s'especifiquen cada cop més per a solucions de poliment de substrats semiconductors que contenen àcid tel·lúric (H₆TeO₆, 8%) i àcid sulfúric (H₂SO₄, 2%) a 80 graus. L'àcid tel·lúric és un oxidant suau que promou la formació de pel·lícules passives sobre titani en condicions uniformes. Tanmateix, es produeix un mecanisme de fallada únic a causa dels gradients de concentració d'àcid tel·lúric a través de la paret del tub. L'àcid tel·lúric és una molècula gran i de-difusió lenta que es pot esgotar a la superfície del titani durant l'operació de flux de calor elevat. Aquest esgotament crea un gradient de concentració entre la solució a granel (8% H₆TeO₆) i la superfície metàl·lica, establint una cèl·lula galvànica local on la regió superficial esgotada esdevé anòdica en relació amb la solució a granel-ben oxidada. La picada s'inicia a les inclusions superficials o als límits de gra a la zona esgotada. El paràmetre crític és la concentració mínima d'àcid tel·lúric a granel que manté un gradient de concentració prou petit per evitar la formació de cèl·lules galvàniques, eliminant les picades a les inclusions superficials.
**Mecanisme de gradient de concentració-Corrosió galvànica induïda**
Quan un escalfador de titani funciona a un flux de calor elevat en una solució d'àcid tel·lúric-àcid sulfúric, la temperatura de la superfície és de 10 a 20 graus més alta que la massa. L'àcid tel·lúric té un coeficient de solubilitat de temperatura negatiu; la seva solubilitat disminueix amb l'augment de la temperatura. A la superfície calenta, l'àcid tel·lúric tendeix a precipitar-se o esgotar-se de la capa límit. A més, la gran mida molecular de H₆TeO₆ (volum de van der Waals aproximadament 150 ų) li confereix un baix coeficient de difusió (aproximadament 2,5 × 10⁻⁶ cm²/s a 80 graus). La combinació de precipitació tèrmica i difusió lenta crea un gradient de concentració on la concentració superficial d'àcid tel·lúric és significativament menor que la massa. La regió d'àcid tel·lúric més baix té un menor potencial de corrosió, convertint-se en anòdica en relació amb la solució a granel de -concentració més alta. Aquesta parella galvànica condueix a la dissolució anòdica a la superfície, especialment a les inclusions on la pel·lícula passiva és més feble.
**Llindar quantitatiu per a la formació de cèl·lules galvàniques**
Les proves controlades que utilitzen tubs de titani de grau 2 (12 mm OD, 1,2 mm de paret) immersos en H₂SO₄ al 2% amb concentracions variables d'àcid tel·lúric a 80 graus informen el següent comportament galvànic de corrent i picat a les inclusions superficials:
| Concentració d'àcid tel·lúric a granel (%)|Concentració superficial a 50 kW/m² (%)|Relació de concentració (superfície/granel)|Densitat de corrent galvànica (µA/cm²)|S'han observat les inclusions|Temps fins a la primera fossa (hores)|Segur durant 3000 h? |
|-------------------------------------|---------------------------------------|-----------------------------------|-----------------------------------|-------------------------------|---------------------------|-----------------|
| <2 | <1.0 | <0.50 | 5 – 8 | Yes – severe | 100 – 200 | No |
| 2 – 4|1,0 – 2,0|0,50 – 0,60|3 – 5|Sí – moderat|300 – 500|No |
| 4 – 6|2,5 – 3,5|0,60 – 0,70|1,5 – 3,0|Sí – ocasional|600 – 900|No |
| 6 – 8|4,0 – 5,5|0,65 – 0,75|0,8 – 1,5|Rar|1.200 – 1.800|Marginal |
| 8 – 10 | 6.0 – 7.5 | 0.75 – 0.85 | 0.3 – 0.6 | None observed | >3.000|Sí |
| 10 – 12 | 8.0 – 9.5 | 0.80 – 0.90 | 0.1 – 0.3 | None observed | >5.000|Sí (segur) |
Les dades demostren que es requereix una concentració mínima d'àcid tel·lúric a granel del 8% per mantenir la concentració superficial per sobre del 6%, mantenint la relació de concentració per sobre de 0,75 i limitant el corrent galvànic per sota de 0,6 µA/cm², per sota del llindar de picat a les inclusions.
**Per què les inclusions són els llocs de fallada crítica**
El titani de grau 2 conté petites inclusions (normalment d'1 a 5 µm) de carburs, nitrurs o òxids de titani del procés de reducció Kroll. Aquestes inclusions tenen propietats electroquímiques diferents de la matriu de titani. En presència d'un gradient de concentració, el corrent galvànic es concentra a la interfície de la matriu d'inclusió-perquè la inclusió actua com un càtode. La densitat de corrent local pot ser de 10 a 100 vegades més gran que la mitjana, suficient per iniciar la picada. A concentracions d'àcid tel·lúric a granel per sota del 8%, la concentració superficial cau per sota del 6% i el corrent galvànic a les inclusions supera el llindar crític per a la ruptura passiva de la pel·lícula. A concentracions superiors al 8%, la concentració superficial continua sent prou alta com per passivar la interfície de la matriu d'inclusió-, evitant l'inici de la fossa.
**Guia de selecció-basada en escenaris: concentració d'àcid tel·lúric per a escalfadors de titani**
| Condicions de funcionament|Flux de calor (kW/m²)|Concentració d'àcid tel·lúric a granel requerida|Pit esperat-Vida lliure (hores)|Justificació d'enginyeria |
|--------------------|-------------------|-------------------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Polit estàndard, flux tèrmic moderat|30 – 40|8% mínim|3.000 – 5.000|Manté la concentració superficial per sobre del 6% |
| Baix flux de calor (disseny conservador)|20 – 30|6%|3.000 – 4.000|ΔT més baix redueix el gradient; menor concentració acceptable |
| Flux de calor elevat (escalfament agressiu)|40 – 50|10%|3.000 – 5.000|Una concentració més gran a granel compensa la temperatura superficial més alta |
| Operació-a curt termini (<1000 hours) | Any | 4% | 500 – 800 | Acceptable for temporary service |
| High-purity surface (no inclusions, HR-grade titanium) | Any | 6% | >5.000|El titani d'alta-puresa té menys inclusions; menor concentració acceptable |
**Consideracions pràctiques per al control de la concentració**
Mantenir la concentració d'àcid tel·lúric a granel per sobre del 8% requereix un seguiment i una reposició regulars. L'àcid tel·lúric es consumeix lentament mitjançant la reducció a diòxid de tel·lúr (TeO₂), que precipita. La taxa de consum és d'aproximadament 0,1-0,2% per 1000 hores a 80 graus. Es recomana mesurar la concentració setmanal mitjançant ICP-OES o titulació. Quan la concentració s'acosta al 8%, s'ha d'afegir àcid tel·lúric addicional per restaurar el nivell del 9-10%. Les pèrdues per evaporació s'han de minimitzar amb una coberta flotant o un condensador de reflux; La pèrdua d'aigua concentra l'àcid sulfúric però no augmenta proporcionalment l'àcid tel·lúric perquè es consumeix a la superfície.
**Conclusió**
Per a les bobines d'escalfament de titani de grau 2 en una solució d'àcid tel·lúric al 8% i una solució d'àcid sulfúric al 2% a 80 graus per al poliment de substrats semiconductors, es requereix una concentració mínima d'àcid tel·lúric a granel del 8% per evitar la formació de cèl·lules galvàniques induïdes pel gradient de concentració-i la posterior picada a les inclusions superficials. A concentracions a granel per sota del 8%, la concentració superficial cau per sota del 6%, creant una relació de concentració per sota de 0,75 i un corrent galvànic superior a 0,8 µA/cm², suficient per iniciar la perforació a les inclusions en 1000 hores. Els enginyers que especifiquen escalfadors de titani per a solucions de poliment d'àcid tel·lúric haurien de mantenir l'àcid tel·lúric a granel per sobre del 8% amb un seguiment setmanal i considerar titani d'alta puresa (grado HR-) per a aplicacions crítiques on les concentracions més baixes siguin inevitables. Aquesta especificació de concentració evita la perforació galvànica, el mode de fallada dominant en les aplicacions d'escalfament d'àcid tel·lúric.
