铝的光化学蚀刻

作者：Albert Tsang    来源：Aerospace Manufacturing and Design

欢迎访问e展厅 展厅 8 有色金属展厅 铝/铝合金, 镁/镁合金, 钛/钛合金, 铜/铜合金, 镍/镍合金, ... 对于十分重视强重比的诸多工业领域而言，铝质材料是优先选择，加上耐腐蚀，密度低、延展性和韧性高等性能，更是倍受欢迎。铝材的使用往往得益于其传导性好。在有些应用中， 这种传导性能会在机加工过程中产生严重问题，尤其是当使用了当今业内最精密、最具有成本优势的光化学蚀刻机加工工艺时，更是如此， 因为它会导致蚀刻精度和可重现性等一系列重大问题。 光化学蚀刻简述 光化学蚀刻作为机加工技术已经存在了50 多年，但今天依然是相对低调的工艺。这种技术在各种制造领域的实际应用，以及不断丰富的材料品种，一直是业内保守得最好的秘密。 光化学蚀刻通常被错误理解为是一种原型制造技术，但它却是一种功能多样、日益精湛的金属加工技术，可以大批量制造复杂而富有特点的金属零部件。 光化学蚀刻使用光致抗蚀剂和蚀刻剂对所选择的区域进行精密的化学加工。它的工艺特点是可以保留材料的性能、部件无毛刺、无应力，外观清洁，没有热影响区。 另外，光化学蚀刻采用易于重现的、低成本数字化加工工具，提供了高性价比、高精确度和快速制造加工工艺，以替代传统的冲压、压制、冲孔、激光和水射流切割工艺。 但是，对于任何用于现代化创新制造项目和环境的机加工技术，必须满足行业的需求。具体来说，当今的机加工技术必须能够满足极其严格的公差，和各种工业应用孜孜以求的更先进材料的加工要求。 因此，象Precision Micro 这样的企业对光化学蚀刻技术的研发进行了投资，为了进一步优化铝材这种以加工难度高而闻名的材料的加工工艺，耗费了大量的时间和金钱。 许多曾经采用传统工艺加工铝材的企业都会对一些问题比较熟悉，如反射特性，使得激光切割难以进行；以及铝涂层脱落，不能进行冲压等。 铝——应用多样的材料 铝合金也是各种工业应用非常欢迎的材料，因为它防腐蚀、重量轻、强度高。在这方面，它展现了许多钛钢的优势，而强重比是各种金属的关键优势。但是，铝材比钛钢的成本要低很多。这种低成本不是因为铝材来源丰富， 易于加工（实际上从铝土矿中提取的成本较高），而是因为其可回收性能。据说，在20 年内无需挖掘更多铝矿，因为已开发的量已经足够使用，并且可以不断得到回收来满足需求。 铝的密度还远低于钛。钛钢虽然比铝的强度更高，更耐腐蚀，但是疲劳极限低，被广泛应用于各种航空部件， 以及汽车、交通和建筑领域。 最关键的是，铝的密度低，再加上其他特性，如优异的导热导电材料，使之成为电缆和热交换器的优选材料。 但加工这种金属时，这种特点也成为唯一致命的弱点。如，光化学蚀刻工艺中，铝会与腐蚀性化学品反应，开始放热，释放出热能。这会对光化学蚀刻工艺的效率和准确性产生次生的、附带的影响。 铝的加工 因此，由于铝的放热性，阻碍了对铝的光化学蚀刻工艺的有效使用。同时，由于铝具有耐腐蚀，而光化学腐蚀又是一种基于选择性腐蚀的加工工艺。 铝是两性的，可与酸类或碱类物质反应。因此，可用酸性酸性或碱性蚀刻剂进行光化学加工，但两种应用均存在挑战。 严格的工艺控制是成功进行光化学蚀刻的关键。铝在蚀刻过程中的高放热反应，有时候会破坏光学工工具，导致蚀刻比较粗糙。实际上，放热反应会导致防蚀剂被抽离铝板，蚀刻剂从防蚀刻剂下面渗出，影响蚀刻效果，导致粗糙的、锯齿状的、粒状蚀刻边缘，远非光化学蚀刻工艺通常具有的光滑、平直的蚀刻外形。 对铝进行有效蚀刻的有些研究侧重于所用的蚀刻剂， 另一些则关注温度控制，而更多的是对金属进行清洁和准备。 由于各行各业对铝的应用需求巨大，加上机加工要求可重现性、恒定一致，同时这些挑战的克服已经突显于激光切割和打孔工艺，为此，Precision Micro 公司对铝加工设备投资了800,000 美元，用以改进防蚀刻剂与铝的结合效果。 另外，该公司还充分利用积累了50 多年的光化学蚀刻经验，优化和调整用于铝的腐蚀性化学品的浓度，以克服可能存在的固有问题。 光化学蚀刻是一种功能多样、日益精湛的金属加工技术，可以大批量制造复杂而富有特点的技术零部件。 这种对化学品的调整，以及对其他诸如加工速度调整、温度控制等因素的强调，在Precision Micro 为数众多的客户项目中得到了满意的结果。所有这些因素内在都相互关联，其中的一个会对另一个产生负面影响。如，调整蚀刻速度会导致防蚀刻剂脱开。因此，工艺的优化是一个均衡的行为，其成功有赖于经年累月的、众多项目经验和技术知识的积累。 通过机器、化学品、工艺参数的重新调整，Precision Micro 成功参与了无数个铝光化学蚀刻的项目。 其中的一个实例是为一家领先直升机制造商的进气格栅进行蚀刻加工。虽然这完全不是一个大规模的项目，部件也不如Precision Micro 处理的那种部件富有各种特性（光化学蚀刻一般都是针对大批量复杂部件加工）。但是，对于那些容易在部件中产生应力的加工工艺而言，蚀刻是最理想的选择。因为所面对的是航空部件，重量是非常关键的因素，因此客户要求采用铝，以减少重量。而Precision Micro 在化学品、工艺和机械方面的调整工作，使得这个项目取得了成功。 在另一个航空应用中，Precision Micro 成功地使用了类似技术， 用于制造飞机客舱除湿机用的各种不同铝制部件。 Precision Micro 为许多这些零部件蚀刻出通道和精密小孔。由于冲压需要用到36 种不同的冲压工具，因此光化学蚀刻成为替代这种代价难以承受的工艺的优选制造方法。另外，冲压不能实现流量和温度曲线所要求的横截面型线。而光化学蚀刻还意味着不会产生电火花等加工工艺通常所有的重铸层。 解决难题 纵观各个行业，铝现在如此受到亲睐，以至于任何金属加工都必须能够高效、精确加工地加工这种材料。光化学蚀刻是当今最经济高效、最精确的加工技术，尤其是大规模制造复杂而富有特征的产品和零部件时，更是如此。该工艺固有的精确性、加工材料时不会产生应力，以及可以节约很多加工工具成本等，意味着OEM 欢呼这种工艺用于各种金属加工中。 铝的特性就是如此，直到不久前才对光化学蚀刻加工商提出了重大挑战。但是，Precision Micro 已经开发并成功将光化学蚀刻工艺成功应用于多种实际工业产品。通过技术、对设备和蚀刻化学品研究的大量投资、以及对工艺控制的优化等各种经验的积累，Precision Micro 已经成为少数几个能够提供恒定一致、准确、可重现光化学蚀刻加工铝制部件的生产商之一。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/23/2014)