1、丝网印刷与金属蚀刻技术 丝网印刷与金属蚀刻技术 金属蚀刻技术近年又被人们重视起来，但是它已不是旧式手工方式的重复，而是在新材料、新设备的基础上的有了新的发展和提高，如在不锈钢等材料上能蚀刻出0.05mm以下的精细线条，从而也就进入高科技领域。本文对其基本生产过程进行论述，尤其强调丝网印刷工艺在其中的作用。 1、前言 随着经济的发展、社会进步，金属蚀刻技术的应用越来越被人们所重视。有人想开发旅游纪念品，有人要制作高档铭牌、奖牌，有人要制作码盘，有人要制作屏幕电板，也有人要制作精细、零件.所有这些，都离不开金属蚀刻技术。由此可见，它将会形成一门新兴的产业。“蚀刻”，也有人叫“刻蚀”，本人以为前者较
2、为准确。现代汉语辞典解释“蚀刻”即“利用硝酸等化学药品的腐蚀作用来制造铜版、锌版等印刷版的方法”说法虽然具体了一些，但意义还是表达出来了。金属蚀刻技术是一个既古老又新颖，既普通又尖端的技术，作为一种重要的生产手段，近代工业生产和现代文明都离不了它。印刷电路板生产、集成电路生产，都离不开蚀刻技术。这方面早有大量论着及成熟工艺，本文篇幅有限，暂且不谈。金属蚀刻加工根据其加工对象的要求不同，有人把它分为两类：对薄板状金属蚀刻穿了叫化学冲裁（chemical blanking);对一定厚度金属只蚀刻去一部分厚度而不刻穿，使刻去的底面与原面有一定的高度差，这叫化学铣削（chemical milling)
3、。我们一般习惯于用双面蚀刻和单面蚀刻来区别，双面的往往是蚀刻穿了的；单面往往是不刻穿的，但也能刻穿。所以它们的分类法可能更明确些，而且它和金属切削加工的概念联系起来了。 对金属材料进行蚀刻，其关键问题是：1、保护需要的部分不被蚀刻；2、蚀刻掉不需要的部分，从而获得需要的方字或图形。 2、金属蚀刻工艺流程 金属蚀刻工艺随着被蚀刻的材料及工件要求不同而不同，总的过程如下： 一、制作保护层 板材表面清洁处理、化学或电化学清洗、丝网直接印刷图文或网印后再曝光显影。 二、蚀刻 基材不同腐蚀液及工艺规范不同。 去除保护层一段用5%NaoH水溶液高温去除后处理，根据产品需要进行如：清洗出光，电镀、填漆、喷漆
4、等及包装。 （1）、经过抛光或拉丝的铜板表面清洁处理（2）丝网印刷图文（3）干燥（4）预蚀刻（5）水洗（6）检查（7）蚀刻（8）水洗（9）浸酸处理（10）水洗（11）去除丝印的保护层（12）热水洗（13）冷水洗（14）后处理（15）成品。 不锈钢精细工艺品 （1）板材表面清洁处理（2）网印液态光致抗蚀油墨（3）干燥（4）加底片曝光（5）显影（6）水洗（7）干燥（8）检查修板（9）坚膜（10）蚀刻（11）去除保护层（12）水洗（13）后处理（14）干燥（15）成品 在以上的工艺过程中，原材料表面清洁非常重要，但在实践中往往被忽视。明显的油污、氧化、斑化、斑痕，人们会将它去除，可是不太明显的，肉眼
5、不能一下看出的，就容易被忽视，但就是这点微不足道的疏忽却严重地影响施工过程和成品率。另外，有些装饰用的不锈钢板表面镀有一层金黄色的钛合金膜，遇到这种情况，在坚膜工序后正式蚀刻前，加上去钛多膜工序，方法是用氟化钠（NaF)水溶液中加入少量盐酸（HCL)擦洗去除。 3、丝网印刷在金属蚀刻中的作用 金属蚀刻的关键之一就是需要可靠的耐蚀保护层，这种保护要能牢固地粘附在金属表面，而且还要能显示出精细美观的图文来。一般加工方法、印刷方法都难以实现，吸、只有丝网印刷是最可靠、最有效的方法。它是金属蚀刻工艺的关键。关于丝网印刷技术，本刊发表过不少专业文章，专业书籍也不少，本文不作介绍。 丝网印刷在金属蚀刻中的
6、应用分为两种情况： 3.1直接丝印图文 印料使用与金属粘合牢固、耐酸（或耐碱）、耐电镀的油墨，以往这些印料都是用户自配，例如： 配方1：白厚漆80%酚醛清漆20%汽油适量 配方2：黑厚漆80%醇酸清漆15%120汽油5%左右 配方3：白厚漆70%沥青漆30%120汽油余量这样的配方原料易得、价格便宜、抗蚀性好、透印力强、和金属结合牢固、去除方便。但图文精细度要求高，或大批量应用，自配往往达不到要求，甚至还带来意外的麻烦，所以就要选用专业厂生产的专用抗蚀印料。近年来，随着印制事业的发展，这类抗蚀油墨很多，表1所列，仅是举几个例子而已。 在上述印刷中，图文的精细度全靠网印来保证，它牵涉到网具选择、
7、绷网、制印版、印刷工艺等多种因素，所以要求更高的就难以保证，需要采用下面的办法。 3.2网印液态光致抗蚀油墨 在金属表面涂布一层均匀的感光膜层，这种涂布方法，可用喷涂、刷涂、淋涂，但对尺寸不太大（A4左右）的平面，丝网印刷是最方便、可靠的方法。感光膜层面经曝光、显影形成图文。这种光致抗蚀油墨是由光聚合树脂，光交联剂，光引发剂等组成，它不同于一般油墨，它有感光性能，要避光使用。 这种油墨丝印涂布都是满板印刷，采用100目200目丝网，也有用至300目的，这时为了保证印层均匀，不出现“白点，”往往印刷两次。油墨对印刷环境要求也比较高： （1）因为是感光材料，室内不能有强光或直射的阳光，一般用黄色灯
8、光及黄色窗帘； （2）室内清洁程度要求较高，为防止灰尘，最好是净化车间，在精细产品中，一粒灰尘往往就会造成几条断线； （3）在满足上述两个条件外，还要注意室内温湿度及通风换气。 印好后要烘干，一般温度在60100范围，绝对不要高温，否则将影响显影和蚀刻；时间在15分钟左右，以膜干不粘手为准。在这些过程中仍然要注意避光和防止灰尘。光致抗蚀油墨国内外生产单位和品牌都很多，举例如表2 。 表1：几种耐蚀刻油墨序号油墨名称型号制造商1线路板油墨8100系列无锡胡棣油墨厂2耐腐蚀油墨I、II无锡市纸印厂3自干抗蚀印料锡山市春光油墨厂4线路板汞墨牡丹牌8061上海油墨厂5热固抗腐蚀油墨DA264B380B
9、262C290C上海日祥贸易公司代理6光固耐腐蚀图形油墨UE-9000B上海日祥贸易公司7防腐墨ER1-3杭州余杭星桥丝印油墨厂8耐酸(碱)抗蚀油墨RI-216B RI-220B杭州科旺特种油墨厂9UV硬化型抗蚀刻油墨UV-1000雄震贸易有限公司代理10碱溶性抗酸蚀油墨蓝99-956 墨99-200K新加坡友联油墨及用品有限公司表2：几种耐蚀刻油墨序号油墨名称型号制造商1新型液态光致抗蚀剂DLN-1无锡德利科技有限公司2水溶性光致抗蚀油墨DH001无锡市东华精细化工厂3液态感光抗蚀耐电镀油墨LPR-800G杭州科旺特种油墨厂 4光成像液体抗蚀剂JL-RS1000北京佳隆泰科技有限发展公司5网
10、印型光成像抗蚀抗电镀油墨LTD-P2108北京力拓达科技有限责任公司6液态抗蚀刻油墨77T-100T深圳普利斯登科技股份有限公司7显像型抗蚀刻油墨PER-15 SC1502台湾太阳油墨股份有限公司8液态照相抗酸蚀油墨99-240新加坡友联油墨及用品有限公司 上述油墨一般都是耐酸不耐碱的，其性能和工艺不同，品种也有所差别，例如：(1)太阳油墨公司的PER-15系列油墨颜色 ：蓝色含固量： 30%wt70%wt粘度：1PS200保存期：4个月(20 以下，暗处)固化温度：70 80 10分钟15分钟曝光量：60100mj/平方厘米显影：1% Na2co3蚀刻：Fecl3 Cucl2脱膜：3%5%
11、NaOH 45 (2)德利科技公司的液态光致抗蚀剂颜色：蓝绿色比重：1.21 g/立方厘米细度： 3um粘度：4000CPS固化：85 30分曝光：80W/cm 30秒显影：0.51.0% Na2co3 30坚膜：140 30分或180 10分脱膜 ：5%NaOH 50 所以在使用中首先要熟悉该产品的说明书，对不同产品要区别对待，尽管它们大同小异，对小异也不能忽视，有些问题要在实践中积累经验。例如有些油墨介绍中没有“坚膜”这道工序，但在双面蚀刻精细线条时发现加紧坚膜工序比不坚膜好；又如脱膜一般都介绍用35%NaOH水溶液40 50去除，实际上这样的温度偏低，脱膜不净或脱不掉，大量生产中往往采用
12、“碱煮”，即用5%NaOH溶液加热至接近沸腾，即90左右，脱膜才能快速有效进行，当然这要看工件的材料，如果某材料高温下要和碱液起作用，那就不能“碱煮”了。 4 蚀刻剂 蚀刻剂即蚀刻时用的腐蚀药水。不同材料要选用不同的蚀刻剂，其中三氯化铁溶液是用得最早、最普遍的蚀刻剂，但污染问题是它的致命弱点，在能不用它的场合，人们尽量避免用它。例如印制电路板行业20多年前用三氯化铁的厂家比比皆是，而现在早已不用了，代之而采用可再生或回收的氯化铜溶液，但在其它行业，三氯化铁溶液仍然被看作是一个有效的通用蚀刻剂，只是对于不同基材、不同蚀刻对象，它的工艺规范如浓度、温度等有所不同而已。作者以为用三氯化铁作蚀刻剂的人
13、，必须对其污染进行治理，否则它将因公害而被禁止。多年来，作者边学习边实践，收集到一些蚀刻剂的配方，多数是别人的介绍，本人并未一一验证，罗列出来，供同行们参考。 5 蚀刻技术 有了蚀刻剂不代表就能蚀刻出合格的产品来，它还和选用蚀刻方式-蚀刻设备的关。 5.1 手工蚀刻 即将蚀刻液置于溶器中，保持一定温度，将被蚀刻的工件浸入液中，不时搅动蚀刻或晃动式件，直至蚀刻完成。它的加工速度慢，侧面腐蚀严重。但用于测试腐蚀液的性能，或个别少量制作还是可以的。 5.2 卧式蚀刻机 如图1所示，转动的叶轮将蚀刻液打到工件上进行蚀刻，使用方便。铭牌、平面压模等多用此法，适合单面使用，在刻到一半的时候，需倒过头来继续
14、蚀刻，这样做是为发蚀刻均匀。 5.3 立式蚀刻机如图2所示，这种蚀刻机下中央是一根高速旋转的硬塑管，圆周上分布若干小孔，使S大nS小 式中： S大：硬塑管内径圆截面积 S小：硬塑管上小孔圆面积 N:硬塑管上小孔个数 硬塑管下端有内纹与一尼龙塞旋紧，塞的高度与直径相等。尼龙塞四周有810条斜孔，其倾斜方向与硬管旋转方向相反，倾斜角度一般在45左右，这样当硬塑管旋转时，蚀刻液就被尼龙塞上斜孔导进硬塑管中，由于离心力的作用，又从小孔中甩出到工件表面，进行蚀刻。塑管四周都可放置工件，所以它的空间利用率较卧式蚀刻机高，其它情况和卧式差不多。 5.4 喷淋式蚀刻机 如图3所示，它是比较理想的蚀刻设备，即可
15、双面蚀刻，也可单面蚀刻。蚀刻比较均匀，侧腐蚀较小，蚀刻纯度较快，不易产生过腐蚀。温度、传送速度、喷淋压力都可调节或自控，适合于大量生产，但与目前蚀刻机相比其设备投资较大。 5.5 电解蚀刻机 如图4所示，电解蚀刻机对铭牌一类的需化学铣削的工件特别合适，其特点是： (1)加工速度快，一般比单纯化学蚀刻快10倍左右，例如对铝板约0.51.0mm/min;铜板0.51.0mm/min;不锈钢0.10.15mm/min (2)能用“蚂蚁啃骨头”方式加工较大的工件。 (3)被电解蚀刻的腐蚀面平整洁净。 (4)最大的优点是蚀刻液无污染，基本无腐蚀，无独害。目前国内生产电解蚀刻机的单位已不少见，举例如表6
16、6 有关问题 6.1侧腐蚀是蚀刻加工中不可避免的问题，图5是其示意形象。人们研究这个问题，引入了腐蚀系数(etch factor)概念K =H/B式中 K-腐蚀系数H-蚀刻深度B-侧腐蚀宽度 蚀刻工艺的努力方向就是要尽量增加K值，减少侧腐蚀，一般K值大于1，才有正式生产价值。影响侧腐蚀的因素很多，如：(1)蚀刻剂(腐蚀液)的选择；(2)蚀刻方式(设备)的选择；(3)工艺规范的选择； (4)缓冲剂的研究和应用，这里的缓冲剂的应该理解为侧面保护或侧腐蚀防止剂。 6.2 蚀刻工件的后处理问题 蚀刻的保护膜去除之后，就显露出光泽金属本色，例如黄铜装饰件、铭牌、未腐蚀的凸处是光亮的，被蚀刻的部分则是亚光
17、的，层次清晰，经漂洗后，表面罩上保护漆，即为成品，也有在被蚀刻的凹处填上色漆，形成彩色图文，再罩以保护漆。高档的艺术品，脱膜后往往还要电镀，镀合金或填金，再填漆或直接罩光。也有局部电镀的，例如保护膜暂不去除，在被蚀刻部分镀上其它颜色(如银白色)，然后去除保护膜，这样就是黄、白(金、银)二色的产品了，处理得好，效果高贵，华丽。 对于工业产品中使用的不锈钢材质的零件，一般去除保护膜，清洗干净就行了。 对于装饰件、工艺品，最终的表面处理，通常总是用有机涂层保护，如烘干型涂料，紫外光固化涂料(UV涂料)，或电泳涂料。 表3铜及铜表合金的蚀刻剂 序号配方使用温度1、FeCl3 3040g/502、FeC
18、l3 600g;HCL 20ml;H2O 1000ml 3840Be40503、FeCl3 350g/l40604、FeCl3 3842Be405、FeCL3(2545Be) 1000ml;HCL 200ml30406、FeCl3(45Be) 100g;HNO3 100g;H2O 50g30357、CuCL2 3035g/l358、CuCL2 200g;NaCl 100g;HCL 100ml;H2O 900ml 9、CuCL2 150450g;NH4Cl 饱和；H2O 100ml304010、CuCL 100g;NH4OH 670ml;NH4Cl 100g;H2O 330ml;PH=9.610
19、4060、11、CuCL 50g;H2SO4 250ml;H2O 630ml;ECS-03 6ml304012、H2O2(27%) 50ml/l;H2SO4 200ml/l;NH4CL 1020g/l;H2O 750ml505513、H2O2 710%;H2SO4 1518%;AgNO3 300PPM;非那西汀 400PPM4514、H2O2 266ml/l;H2SO4 93ml/l;AgNO3 0.5g/l;H3PO4 35ml/l;脲素 10g/l;正丁醇 12.3ml/l;H2O 600ml室温15、(NH4)2S2O8 240g/l;H2SO4 13ml/l404516、(NH4)2S
20、2O8 220260g/l;HgCL2 68mg/l;H3PO4 50100ml/l 17、(NH4)2S2O8 100g/l;氨水 150ml/l;稳定剂 (苯二甲酸等）0.010.5% 18、(NH4)2S2O8 816g/l325019、CrO3 2230g/l5020、CrO3 240g/l;H2SO4 180g/l;NasO4 40g/l50表4钢铁的蚀刻剂序号配方使用温度1、FeCL3 3545Be?20402、FeCL3 3438g/l503、HNO3 100ml;45Be FeCL3 100ml;H2O 200ml20404、HNO3:HCL3:H2O=1:2:3 Vol5、H
21、NO3 1015% Vol506、HNO320%；H2SO45%;H3PO4 5%;Vol60707、HNO3 48%;H2SO4 5.5%;H3PO4 11%;醋酸5.5%；Vol40508、草酸25g/l;H2O2 13g/l;H2SO4 1g/l20309、HNO3 30%;醋酸30%；H2O40%；Vol 0、HNO3 300ml;AgNO3 35g;H2O 700ml 表5不锈钢类材料的蚀刻剂序号配方使用温度1、FeCL3 4548Be30502、FeCL3 3438g/l653、FeCL3+HNO330504、FeCL 3042Be 100ml；H2O225ml;HF 25ml30505、FeCL3 4045Be 100ml;HF 40ml;HCL 15ml506、HCL 50%;HNO313%；H2O余量；H3PO4少量；HF少量 7、HCL20%；HNO320%；H2O60% 8、HCL50%；HNO35%；H3PO42.5%；Vol659、HCL 100份；HgNO3 6.5份；H2O100份 10、HNO35%；H2SO418%6264表6几种电解蚀刻机
