化学加工：无应力精密金属去除技术

什么是化学加工？

化学加工是利用光化学工艺，从预定义区域清洁地去除金属，且不改变金属的完整性或性能。该工艺主要用于制造形状复杂的小型薄壁金属零件，且不会对零件产生烧伤或应力。

工艺流程始于清洗金属表面的污垢和油脂。随后涂覆光刻胶并烘烤以确保均匀涂覆。将绘制好的图形（菲林）覆盖在准备好的金属板上，并用紫外光曝光，从而获得所需的分辨率和蚀刻规格。

移除菲林后，光刻胶显影或去除。此时金属即可进行蚀刻：将板材浸入化学溶液中，溶解非零件区域的材料。蚀刻完成后，去除光刻胶，清洗、检查并包装金属零件。

化学加工工艺流程

化学加工的主要工序如下：

1. 清洗

清洗工序旨在去除工件表面的油脂、灰尘或其他杂质，以便后续加工顺利进行。清洗是确保掩膜材料与工件良好粘附的必要步骤；若清洗不彻底，会导致杂散蚀刻。

根据工件材料和加工深度要求，可采用气相清洗、碱性蚀刻等多种清洗方法。多孔材料的清洗较为困难。清洗主要分为机械法和化学法，化学法因对工件损伤小而被广泛采用。若掩膜层厚度不均且经化学清洗，较薄或已清洗的掩膜区域会被细化；加热清洗过程有助于提高效果。

2. 掩膜

掩膜使用惰性掩膜材料，不与加工化学品发生反应。掩膜材料应易于剥离。在掩膜工序中，将不需加工的区域覆盖掩膜，使待加工区域暴露于化学药剂中。掩膜施加方式主要有三种：切割剥离法、丝网印刷法、光刻胶法。

3. 划线/显影

掩膜后，去除待加工区域的掩膜，使该区域暴露于化学药剂中发生反应。划线后，仅待加工区域暴露于化学加工环境中。

4. 蚀刻

将工件浸入盛装化学药剂的容器中，药剂与工件发生化学反应。被掩膜区域不发生反应，未被掩膜区域与药剂反应，材料逐渐溶解去除。蚀刻通常在高温下进行，过程中不应允许气泡滞留，以免造成加工不均匀。

5. 去除掩膜

蚀刻完成后，去除工件上未加工区域的掩膜，同时去除已加工区域表面的氧化层。

6. 冲洗

去除掩膜后，用清水彻底冲洗工件，清除表面残留物质。此外，可选步骤包括蚀刻液的加热与冷却控制：根据温度要求，通过加热或冷却装置维持容器内药液温度。

化学加工的类型

该工艺可应用于铣削、落料、雕刻等多种操作，主要分类如下：

• 化学铣削
• 化学落料
• 化学雕刻

利用反应性气体（如氯气射流）在加工区进行化学加工，称为气相化学加工或热氯加工，可用于金属零件去毛刺。

1. 化学铣削

化学铣削（工业蚀刻）是一种减材制造工艺，利用温控蚀刻化学药剂浴去除材料，形成所需形状。别称包括光蚀刻、化学蚀刻、光化学蚀刻、光化学加工。主要用于金属，其他材料应用也在增加。该技术源于文艺复兴时期的铠甲装饰和印刷蚀刻工艺，作为金属雕刻的替代方案发展而来。

核心原理：将待切割区域浸泡在腐蚀性蚀刻剂中，蚀刻剂与待切割区域材料反应使固体材料溶解；惰性掩膜剂保护特定区域作为抗蚀层。

应用领域

蚀刻广泛应用于印刷电路板和半导体制造行业。航空航天领域用于去除大型飞机部件、导弹蒙皮面板、机身挤压件的浅层材料。集成电路和微机电系统（MEMS）制造大量采用蚀刻工艺。除标准液基技术外，半导体行业常用等离子蚀刻。

2. 化学落料

化学落料、光绘、光震、光蚀刻是化学铣削的变体。该工艺通过化学作用完全去除多个区域的材料。主要用于薄板和箔材，几乎所有金属均可加工，但不推荐用于厚度超过2mm的材料减薄。

工件经清洗、还原、酸或碱处理后干燥，通过浸渍、旋涂或喷涂施加光刻胶，再经干燥固化。利用摄影材料在光刻胶上产生抗降解图像。该掩膜对特定频率光（通常为紫外光）敏感，对室光不敏感。通过底片（所需设计的照相版）曝光，显影后非预期部分剥离露出裸金属。将工件置于机器中，喷淋化学药剂或浸入浆液。蚀刻液可为氢氟酸（钛用）或其他化学品。1-15分钟后多余金属被蚀除，成品立即取出去灰。

3. 化学雕刻

印刷电路卡、其他雕刻操作及复杂设计切割均可采用光刻胶掩膜进行化学落料加工。

• 可加工极薄金属（0.005mm）
• 可保持±0.015mm的高精度
• 采用自动化摄影技术可实现高生产率

化学加工的应用

• 适用于金属去除深度至关重要的微米级、公差严格的场合
• 表面粗糙度范围0.5-2微米
• 可去除锻件、铸件、挤压件或成型锻材等成形或不规则零件整个表面或局部的金属
• 主要应用之一是制造无毛刺、结构复杂的冲压件

化学加工的优缺点

• 优点：不使工件变形、不产生毛刺、易于加工难加工材料
• 缺点：工艺较慢，通常不用于大批量生产或加工厚度超过2mm的材料
• 可在单个板上同时制作10-100个小零件，提高生产效率