Химическая обработка: процесс, применение и преимущества

Что такое химическая обработка?

Химическая обработка — чистое удаление металла с заданных участков без изменения целостности или свойств металла фотохимическим процессом. Основное применение — создание мелких тонких деталей сложной формы без термических влияний и напряжений.

Процесс начинается с очистки грязи и масел с металла. Наносят фоторезист и выпекают для равномерного покрытия. Фотошаблон (artwork) накладывают на подготовленный лист и экспонируют УФ-светом — получают нужное разрешение и параметры травления.

Фотошаблон снимают, фоторезист готов к проявке или снятию. Металл готов к травлению: погружают в химический раствор, растворяющий весь материал, не входящий в деталь. После травления фоторезист снимают, детали моют, контролируют, упаковывают.

Процесс химической обработки

Основные этапы:

1. Очистка

Удаляют масло, смазки, пыль, любые загрязнения для корректного последующего процесса. Необходима для адгезии маскирующего материала. При плохой адгезии маски возникает паразитное травление.

Разные методы: паровая деградация, щелочное травление и др., в зависимости от материала и глубины. Очистка пористых материалов сложна.

Два основных метода: механический и химический. Химический широко используется — меньше повреждает поверхность.

Если маска толще/тонче и химически очищена, тонкие/очищенные участки маски уточняются. Нагрев очистки полезен.

2. Маскирование (Masking)

Используют маскирующие материалы (maskants) — инертные к химикатам процесса. Маска должна легко сниматься.

Необрабатываемые участки заготовки закрывают маской, обрабатываемые — оставляют открытыми. Изначально маскируется вся заготовка.

Нанесение маски тремя способами:

• Вырезать и снимать (cut and peel).
• Шелкография (screen method).
• Фоторезист (photoresist method).

3. Выборка (Scribing)

После маскирования удаляют маску с участков, подлежащих обработке, чтобы химическая реакция прошла на этих зонах. После выборки только области для обработки экспонированы к химии.

4. Травление (Etching)

Заготовку погружают в емкость с химикатом, вступающим в реакцию с металлом.

Маскированная зона не реагирует, незамаскированная — вступает в реакцию, материал начинает уходить в раствор.

Травление обычно при повышенной температуре. Газовые пузыри не должны застревать — иначе неравномерная обработка.

5. Снятие маски (Demasking)

После травления маски снимают с необработанных зон, оксидный слой удаляют с обработанных.

6. Промывка (Washing)

Тщательно промывают под пресной водой для полного удаления остатков.

Опциональный этап: нагрев/охлаждение травящего раствора — поддержка температуры в емкости нагревательным/охлаждающим стержнем.

Типы химической обработки

Применяется к фрезеровке, высеканию, гравюре. Классификация:

• Химическая фрезеровка (Chemical Milling)
• Химическое высекание (Chemical Blanking)
• Химическая гравировка (Chemical Engraving)

Для специальных целей используют реактивные газы (хлор) в зоне обработки — газовая химическая обработка или горячее хлорирование, для дебарирования.

1. Химическая фрезеровка

Вычитающий процесс: ванны с термостатируемыми травящими химикатами удаляют материал для получения нужной формы. Синонимы: фототравление, химическое травление, фотохимическое травление/обработка. Преимущественно для металлов, но и другие материалы набирают популярность. Развивалась из процессов декора брони и печатного травления Ренессанса как альтернатива гравюре на металле.

Суть: зоны резки окунают в коррозионный травящий реагент (etchant), реагирующий с материалом в зоне резки и растворяющим твердое тело; инертные маски (maskants) защищают конкретные участки как резисты.

Применение

Печатные платы, полупроводники. Авиапром: снятие тонких слоев с крупных авиакомпонентов, обшивок ракет, экструдированных деталей фюзеляжей. Интегральные схемы и МЭМС. Полупроводники часто используют плазменное травление.

2. Химическое высекание (Chemical Blanking)

Вариации химической фрезеровки: химические бланки, фото-изготовление, фото-вибрация, фото-травление. Материал полностью удаляется с множества участков химическим действием. Преимущественно для листов и фольг. Почти любые металлы, но не рекомендуют для утончения >2 мм.

Заготовку очищают, активируют кислотой/щелочью, сушат, наносят фоторезист (погружением, вихревым напылением, распылением), сушат и выдерживают. Фотошаблоном производят устойчивые к деградации образы в фоторезисте. Маска чувствительна к УФ, не к комнатному свету. Экспонируют через негатив (фотоплату требуемого дизайна). После экспозиции проявляют образ. Неожиданные части разрушаются при проявке, обнажая металл.

Металл помещают в машину, опрыскивают химикатами или в раствор. Травящий раствор: фтористоводородная кислота (для титана) или другие. Через 1–15 мин лишний металл растворен, готовая деталь готова к немедленному удалению осадка.

3. Химическая гравировка

Печатные платы, гравировка, высекание сложных дизайнов фоторезистными масками.

• Очень тонкие металлы (0,005 мм) обрабатываются хорошо.
• Высокая точность ±0,015 мм.
• Высокая производительность автоматизированными фототехниками.

Применение химической обработки

• Где глубина удаления критична до нескольких микрон, допуски тесные.
• Шероховатость после процесса 0,5–2 мкм.
• Удаление металла с части всей поверхности формованных/неправильных деталей: ковки, литье, экструзия, деформированные заготовки.
• Главное применение — бесзаусенцевые сложные штамповки.

Преимущества и недостатки химической обработки

• Преимущества: не деформирует заготовку, не дает заусенцев, применима к самым труднобрабатываемым материалам.
• Недостатки: процесс медленный, не для крупных серий или материалов толще 2 мм.
• Мелкие детали делают 10–100 штук на одной пластине — ускоряет производство.