CN101575706A - 一种在金属工件表面形成图案的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在金属工件表面形成图案的方法，该方法通过使用与金属工件需要形成图案的表面的形状相吻合的透明治具将菲林固定在感光的抗蚀刻材料层上，使得菲林与该材料层之间的接触更加紧密，加工精度更高，另外，由于没有使用粘合胶，使得菲林的拆除非常方便快捷，并且不会对菲林本身造成损坏，提高的菲林的使用寿命从而降低了生产成本。

Description

一种在金属工件表面形成图案的方法

技术领域

本发明是关于一种在金属工件表面形成图案的方法。

背景技术

在金属工件表面形成图案是加工精密金属制品的一种常用方法，该技术的基本原理是通过在金属工件表面均匀地涂覆感光的抗蚀刻材料，利用抗蚀刻材料的光敏特性，通过曝光将菲林上的图案精确地复制到金属工件表面感光的抗蚀刻材料层上，然后进行显影以去除掉未感光的抗蚀刻材料层；之后去除了抗蚀刻材料层的金属工件表面进行蚀刻。该方法多应用于平面蚀刻，即在金属工件的平面部分进行蚀刻，在曝光前，菲林的固定是通过真空罩将菲林罩上并抽真空来实现的，但是该方法不能用于金属工件的曲面部分的蚀刻。

目前，在对金属工件的曲面部分进行蚀刻时，通常使用粘合胶将菲林固定在金属工件的曲面部分，这种方法虽然解决了菲林在金属工件曲面部分的固定问题，但该方法的缺点是菲林的使用寿命短从而增加了生产成本，另外该方法蚀刻图案的加工精度也较低。

因此，随着对具有复杂结构的精密金属工件的需求越来越多，开发一种成本较低并且具有较高加工精度的在金属工件的曲面进行蚀刻的方法，是目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种成本较低并且具有较高加工精度的在金属工件的曲面进行蚀刻的方法。

本发明的发明人对现有的蚀刻方法进行了细致的研究，发现在金属工件的曲面部分固定菲林时，由于在菲林和曲面部分之间涂覆了用于固定菲林的粘合胶，曝光结束后菲林不易从金属工件上被拆除下来，并且在拆除菲林的过程中还会对菲林本身造成损坏，导致菲林的使用寿命低从而增加了生产成本。另外，菲林被固定后，由于菲林本身具有张力，菲林与工件的曲面在某些部分贴合的不够紧密，导致曝光后的图案变形从而降低了加工精度。

本发明提供了一种在金属工件表面形成图案的方法，该方法包括至少在金属工件需要形成图案的表面涂覆感光的抗蚀刻材料层，将菲林固定在抗蚀刻材料层上，曝光，去除菲林，显影以去除掉未感光的抗蚀刻材料层；对去除了抗蚀刻材料层的金属工件表面进行蚀刻，其特征在于，将菲林固定在该材料层上的方法包括使用与金属工件需要形成图案的表面的形状相吻合的透明治具将菲林固定，该方法还包括在曝光后，将透明治具去除掉。

本发明提供的方法通过使用与金属工件需要形成图案的表面的形状相吻合的透明治具将菲林固定在感光的抗蚀刻材料层上，这种固定方法克服了菲林本身张力带来的影响，使得菲林与该材料层之间的接触更加紧密，从而提高了加工精度。例如，本发明实施例1得到的工件A1在蚀刻深度为0.8毫米的情况下，加工精度达到了±0.2毫米；而对比例1得到的参比工件CA1在标刻深度为0.8毫米的情况下，加工精度仅为±0.4毫米，说明本发明蚀刻方法的加工精度更高；另外，由于没有使用粘合胶，使得菲林的拆除非常方便快捷，并且不会对菲林本身造成损坏，提高了菲林的使用寿命从而降低了生产成本。

附图说明

图1为待加工金属工件的正视图；

图2为待加工金属工件的纵截面示意图；

图3为涂布感光的抗蚀刻材料层后的待加工金属工件的纵截面示意图；

图4为设置菲林后的待加工金属工件的纵截面示意图；

图5为使用透明治具固定菲林的示意图；

图6为显影后金属工件的纵截面示意图；

图7为蚀刻后的金属工件的纵截面示意图；

图8为除去抗蚀刻材料层后的金属工件的纵截面示意图。

附图标记说明：

1-金属工件

2-抗蚀刻材料层

3-菲林

4-透明治具

5-去除了抗蚀刻材料层的金属工件表面

6-蚀刻图案

具体实施方式

本发明提供了一种在金属工件表面形成图案的方法，该方法包括至少在金属工件需要形成图案的表面涂覆感光的抗蚀刻材料层，将菲林固定在抗蚀刻材料层上，曝光，去除菲林，显影以去除掉未感光的抗蚀刻材料层；对去除了抗蚀刻材料层的金属工件表面进行蚀刻，其特征在于，将菲林固定在该材料层上的方法包括使用与金属工件需要形成图案的表面的形状相吻合的透明治具将菲林固定，该方法还包括在曝光后，将透明治具去除掉。

根据本发明，所述透明治具的形状与金属工件需要形成图案的表面的形状相吻合，使用这种治具能够使菲林与感光的抗蚀刻材料层之间的接触更加紧密，从而使本发明提供的方法既可以应用于平面蚀刻，也可以应用于对结构复杂的金属工件的曲面进行蚀刻，同时提高了加工精度且增加了菲林的使用寿命。

本发明中，所述透明治具的材料没有特别的限制，只要不影响后续的曝光并且能够对菲林起到固定作用即可，优选情况下，所述曝光治具的透光率为85-95％，例如，所述透明治具的材料可以是有机玻璃、重均分子量为30000-100000的聚碳酸酯、重均分子量为200000-300000的聚苯乙烯中的一种或几种；另外，本发明对所述透明治具的制备方法也没有特别的限制，可以通过各种常规模具的制备方法制备透明治具，例如，按照记载了金属工件曲面形状的图纸，通过冲压模技术、挤压模技术和注射模技术等制备透明治具，也可以委托模具生长厂家按照记载了金属工件曲面形状的图纸制备所述透明治具。

本发明人还发现，由于透光治具与菲林之间在某些部位可能存在微小的缝隙，因此在曝光时可能存在漏光现象，导致显影后的图案发生变形，因而，优选情况下，该方法还包括在菲林与透明治具之间设置弹性透明膜，在曝光后将该弹性透明膜去除掉。所述弹性透明膜能够填补可能存在的缝隙，使菲林与金属工件需要形成图案的表面的材料层之间的接触更加紧密，从而进一步提高了蚀刻的加工精度。

本发明中，对所述弹性透明膜的材料没有特别的限制，只要不影响后续的曝光并且能够对透明治具与菲林之间可能存在的缝隙起到填补作用即可，术语“弹性”是指形变后恢复到原来形状或状态的性质，优选情况下，所述弹性透明膜的透光率为85-95％，例如，所述弹性透明膜可以为硅胶膜，所述弹性透明膜的厚度为0.1-0.5毫米，符合上述条件的弹性透明膜可以通过商购得到，例如深圳市固泰伟橡塑制品有限公司生产的牌号为IVS5332的硅胶膜制品。所述弹性透明膜可以设置一层或多层，当所述弹性透明膜为多层时，所述弹性透明膜的总厚度可以为0.1-0.5毫米。

所述弹性透明膜的设置方法没有特别的限制，可以在菲林上设置弹性透明膜，之后使用透明治具对菲林进行固定，也可以在透明治具的与菲林接触的表面上设置弹性透明膜；优选情况下，优选在透明治具中与菲林接触的表面上设置弹性透明膜，在这种情况下，曝光后在去除透明治具的同时，可以将弹性透明膜一同去除掉，并且在重复生产时，设置有弹性透明膜的透明治具可以重复使用，而无需再次设置弹性透明膜，从而提高了生产效率。

根据本发明，所述菲林的制作方法可以为本领域公知的方法。例如，所述菲林的制作方法包括根据待印刷的图案制作出网点菲林图，然后利用所述网点菲林图制作菲林。

根据待印刷的图案制作出网点菲林图的方法为本领域技术人员所公知，一般来说，该方法包括将待印刷的图案用图形处理软件绘制出来。利用所述网点菲林图制作菲林的方法为本领域技术人员所公知，一般来说，该方法包括使用菲林输出设备，例如菲林输出器、激光打印机，将所述网点菲林图输出到菲林上。

本发明中，对所述菲林的厚度没有特别的限制，例如，所述菲林的厚度可以为0.01-0.03毫米，优选情况下，所述菲林的厚度为0.01-0.015毫米。本发明人意外地发现，菲林在工件的曲面部分弯曲时，菲林可能发生褶皱而引起图案的变形，本发明优选使用厚度仅为0.01-0.015毫米的薄菲林，这样可以缓解在曲面部分发生褶皱而引起的图案变形，从而更进一步地提高了蚀刻的加工精度。

本发明中，所述感光的抗蚀刻材料可以为各种常规的具有感光特性的并且能够使金属免受蚀刻的材料，例如，所述感光的抗蚀刻材料可以为抗蚀刻感光油墨，所述感光的抗蚀刻材料可以通过商购得到，例如，中国台湾太阳油墨股份有限公司生产的牌号为TER-15SC1501的抗蚀刻感光油墨。

所述感光抗蚀刻材料的涂覆方法没有特别的限制，只要能够将所述感光抗蚀刻材料均匀涂覆到金属工件的表面即可，例如可以为喷涂和/或印刷的方法；所述感光的抗蚀刻材料的涂覆量没有特别的限制，只要能够使金属不被蚀刻即可，优选情况下，所述感光的抗蚀刻材料涂覆的量使得到抗蚀刻材料层的厚度可以为10-15微米。

所述曝光和显影的方法可以为本领域公知的曝光和显影方法。曝光时间可以根据光源色温、光源距离、膜版厚度、感光材料的特性以及图像的要求来确定。

曝光后，揭去菲林，对金属工件表面的感光抗蚀刻层进行显影，从而除掉未感光的抗蚀刻材料层。所述显影可以通过多种方法实现，例如，可以将金属工件印面朝上放置到盛有显影液的容器中，显影2-3分钟，显影温度控制在20℃左右，所述显影液可以为浓度为1-5重量％的碳酸钠水溶液。

根据本发明，所述蚀刻可以为常规的蚀刻方法，例如化学蚀刻和/或阳极电解氧化蚀刻，所述化学蚀刻的方法和条件为本领域技术人员所公知，例如将去除了抗蚀刻材料层的金属工件表面与化学蚀刻液接触来进行蚀刻，所述化学蚀刻液可以使用任何常规用于金属工件蚀刻的化学蚀刻液，以所述金属工件为不锈钢工件为例，可以使用酸溶液进行化学蚀刻，所述酸溶液可以为浓度为4.5-15克/升的盐酸溶液，蚀刻温度可以为45-50℃，蚀刻的时间根据所需图案的具体深度而定。

所述阳极电解氧化蚀刻的方法和条件为本领域技术人员所公知，例如，将待刻金属工件浸入到电解液中，以待刻工件为阳极通上电流进行电解；所述电解液可以为各种常规的用于金属工件蚀刻的电解液，以所述金属工件为不锈钢工件为例，可以使用浓度为14-18重量％的NaCl溶液进行阳极电解氧化蚀刻，所述阳极电解氧化蚀刻的条件可以包括蚀刻温度为13-26℃，蚀刻电压为10-20伏特，蚀刻的时间根据所需图案的具体深度而定。

本发明中，蚀刻之后，根据需要可以选择保留金属工件表面的抗蚀刻材料层，也可以将金属工件表面的抗蚀刻层去除掉。

除去蚀刻后工件表面的抗蚀刻材料层的方法没有特别的限制，只要能够将抗蚀刻材料层充分去除即可，例如可以利用能够溶解所述抗蚀刻材料而不与金属工件发生反应的溶液，将所述抗蚀刻材料溶解掉。以所述金属工件为不锈钢工件为例，可以利用浓度为3-8重量％的NaOH水溶液接触所述抗蚀刻材料，从而将所述抗蚀刻材料去除掉，所述接触的条件没有特别的限制，例如接触的条件包括接触温度为45-50℃，接触时间为1-2分钟。

下面通过实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

(1)金属工件1为长度为100毫米、横截面积为1200平方毫米的不锈钢椭圆柱体(山东淄博昊星不锈钢有限公司)，使用抗蚀刻感光油墨(中国台湾太阳油墨股份有限公司，TER-15)在金属工件1的侧表面进行喷涂，得到厚度为15微米的抗蚀刻材料层2，喷涂后的工件截面如图3所示。

(2)将制作好的尺寸为8×8厘米的菲林(菲林图案为标识“ABC”，菲林的厚度为0.1毫米)放置在具有抗蚀刻材料层2的金属工件1的侧表面；并且如图5所示，使用与金属工件需要形成图案的表面的形状相吻合的透明治具4(深圳市博艺有机玻璃制品有限公司，有机玻璃，透光率为85％)将菲林固定在金属工件1的侧表面。

(3)将固定有菲林的金属工件1放在曝光机(润沃机电，RW-UVAX304-20hc)上，在3000瓦灯源下曝光120秒(灯距为900毫米)。曝光后，将金属工件1印面朝上放置在浓度为5重量％的碳酸钠水溶液(显影液，20℃)中显影2分钟，在从而将未感光的抗蚀刻材料层去除掉，35℃下烘干，显影后工件的截面如图6所示，

(4)将步骤(3)得到的显影后的工件放入到浓度为10克/升的HCl水溶液中，在温度为50℃的条件下蚀刻10分钟，得到蚀刻后的工件，其截面如图7所示。

(5)将步骤(4)得到的蚀刻后的工件放入到浓度为5重量％的NaOH水溶液中，在温度为48℃的条件下浸泡2分钟，溶解掉抗蚀刻材料层，然后放入1升的蒸馏水中浸泡10秒，取出晾干后得到具有蚀刻图案的工件A1，其截面如图8所示。

(6)通过三维测量仪(深圳市华朗科技有限公司，HOLON-I-S)检测蚀刻图案的深度和加工精度，结果如表1所示。

对比例1

根据与实施例1现同的方法制备具有蚀刻图案的参比工件CA1，不同在于，菲林的固定没有使用与金属工件需要形成图案的表面的形状相吻合的透明治具，而是使用粘合胶(浙江强神粘合剂有限公司，SQ524)将尺寸为8×8厘米的菲林(菲林图案为标识“ABC”，菲林的厚度为0.1毫米)贴在具有抗蚀刻材料层2的金属工件1的侧表面，其中，粘合胶层的厚度为0.1毫米。

通过三维测量仪(深圳市华朗科技有限公司，HOLON-I-S)检测参比工件CA1蚀刻图案的深度和加工精度，结果如表1所示。

实施例2

(1)金属工件1为长度为100毫米、横截面积为1200平方毫米的不锈钢椭圆柱体(山东淄博昊星不锈钢有限公司)，使用抗蚀刻感光油墨(中国台湾太阳油墨股份有限公司，TER-15)在金属工件1的侧表面进行喷涂，得到厚度为10微米的抗蚀刻材料层2，喷涂后的工件截面如图3所示。

(2)将制作好的尺寸为8×8厘米的菲林(菲林图案为标识“ABC”，菲林的厚度为0.025毫米)放置在具有抗蚀刻材料层2的金属工件1的侧表面；并且如图5所示，使用与金属工件需要形成图案的表面的形状相吻合的透明治具4(深圳联恩科技有限公司，聚碳酸酯，重均分子量为40000，透光率为90％)将菲林固定在金属工件1的侧表面。

(3)将固定有菲林的金属工件1放在曝光机上，在3000瓦灯源下曝光120秒(灯距为900毫米)。曝光后，将金属工件1印面朝上放置在20℃的显影液中显影2分钟，从而将未感光的抗蚀刻材料层去除掉，在35℃下烘干，显影后工件的截面如图6所示，

(4)将步骤(3)得到的显影后的工件放入到浓度为10克/升的HCl水溶液中，在温度为50℃的条件下蚀刻10分钟，得到蚀刻后的工件，其截面如图7所示。

(5)将步骤(4)得到的蚀刻后的工件放入到浓度为5重量％的NaOH水溶液中，在温度为48℃的条件下浸泡2分钟，溶解掉抗蚀刻材料层，然后放入1升的蒸馏水中浸泡10秒，取出晾干后得到具有蚀刻图案的工件A2，其截面如图8所示。

(6)通过三维测量仪(深圳市华朗科技有限公司，HOLON-I-S)检测蚀刻图案的深度和加工精度，结果如表1所示。

实施例3

(1)金属工件1为长度为100毫米、横截面积为1200平方毫米的不锈钢椭圆柱体(山东淄博昊星不锈钢有限公司)，使用抗蚀刻感光油墨(中国台湾太阳油墨股份有限公司，TER-15)在金属工件1的侧表面进行喷涂，得到厚度为13微米的抗蚀刻材料层2，喷涂后的工件截面如图3所示。

(2)将制作好的尺寸为8×8厘米的菲林(菲林图案为标识“ABC”，菲林的厚度为0.015毫米)放置在具有抗蚀刻材料层2的金属工件1的侧表面；并且如图5所示，使用与金属工件需要形成图案的表面的形状相吻合的透明治具4(深圳联恩科技有限公司，聚碳酸酯，重均分子量为80000，透光率为95％)将菲林固定在金属工件1的侧表面，并且在透明治具中与菲林接触的表面上设置厚度为0.2毫米的弹性透明膜(深圳市固泰伟橡塑制品有限公司生产，牌号IVS5332的硅胶膜，透光率为85％)。

(3)将固定有菲林的金属工件1放在曝光机上，在3000瓦灯源下曝光120秒(灯距为900毫米)。曝光后，将金属工件1印面朝上放置在20℃的显影液中显影2分钟，从而将未感光的抗蚀刻材料层去除掉，在35℃下烘干，显影后工件的截面如图6所示，

(4)将步骤(3)得到的显影后的工件放入到浓度为10克/升的HCl水溶液中，在温度为50℃的条件下蚀刻10分钟，得到蚀刻后的工件，其截面如图7所示。

(5)将步骤(4)得到的蚀刻后的工件放入到浓度为5重量％的NaOH水溶液中，在温度为48℃的条件下浸泡2分钟，溶解掉抗蚀刻材料层，然后放入1升的蒸馏水中浸泡10秒，取出晾干后得到具有蚀刻图案的工件A2，其截面如图8所示。

(6)通过三维测量仪(深圳市华朗科技有限公司，HOLON-I-S)检测蚀刻图案的深度和加工精度，结果如表1所示。

实施例4

(1)金属工件1为长度为100毫米、横截面积为1200平方毫米的不锈钢椭圆柱体(山东淄博昊星不锈钢有限公司)，使用抗蚀刻感光油墨(中国台湾太阳油墨股份有限公司，TER-15)在金属工件1的侧表面进行喷涂，得到厚度为12微米的抗蚀刻材料层2，喷涂后的工件截面如图3所示。

(2)将制作好的尺寸为8×8厘米的菲林(菲林图案为标识“ABC”，菲林的厚度为0.01毫米)放置在具有抗蚀刻材料层2的金属工件1的侧表面；并且如图5所示，在菲林上设置厚度为0.5毫米的弹性透明膜(深圳市固泰伟橡塑制品有限公司，牌号为IVS5332的硅胶膜，透光率为90％)，使用与金属工件需要形成图案的表面的形状相吻合的透明治具4(深圳市博艺有机玻璃制品有限公司，聚碳酸酯，重均分子量为500000，透光率为90％)将菲林固定在金属工件1的侧表面。

(3)将固定有菲林的金属工件1放在曝光机上，在3000瓦灯源下曝光120秒(灯距为900毫米)。曝光后，将金属工件1印面朝上放置在20℃的显影液中显影2分钟，从而将未感光的抗蚀刻材料层去除掉，在35℃下烘干，显影后工件的截面如图6所示，

(4)将步骤(3)得到的显影后的工件放入到浓度为10克/升的HCl水溶液中，在温度为50℃的条件下蚀刻10分钟，得到蚀刻后的工件，其截面如图7所示。

(5)将步骤(4)得到的蚀刻后的工件放入到浓度为5重量％的NaOH水溶液中，在温度为48℃的条件下浸泡2分钟，溶解掉抗蚀刻材料层，然后放入1升的蒸馏水中浸泡10秒，取出晾干后得到具有蚀刻图案的工件A2，其截面如图8所示。

(6)通过三维测量仪(深圳市华朗科技有限公司，HOLON-I-S)检测蚀刻图案的深度和加工精度，结果如表1所示。

表1

实施例编号	工件编号	蚀刻深度(毫米)	加工精度(毫米)
				实施例1	A1	0.8	±0.2
对比例1	CA1	0.8	±0.4
				实施例2	A2	0.8	±0.15
实施例3	A3	0.8	±0.10
				实施例4	A4	0.8	±0.08

从上表1可以看出，本发明实施例1得到的工件A1在蚀刻深度为0.8毫米的情况下，加工精度达到了±0.2毫米；而对比例1得到的参比工件CA1在标刻深度为0.8毫米的情况下，加工精度仅为±0.4毫米，说明本发明通过使用与金属工件需要形成图案的表面的形状相吻合的透明治具将菲林固定在金属工件的曲面，使得菲林与金属工件需要形成图案的表面的材料层之间的接触更加紧密，加工精度更高，另外，由于没有使用粘合胶，使得菲林的拆除非常方便快捷，并且不会对菲林本身造成损坏，提高的菲林的使用寿命从而降低了生产成本。

另外，从上表1还可以看出实施例3得到的工件A3在蚀刻深度为0.8毫米的情况下，加工精度高于实施例1和2得到的工件A1和A2，说明在菲林与透明治具之间设置弹性透明膜来以填补可能存在的缝隙，使菲林与金属工件需要形成图案的表面的材料层之间的接触更加紧密，从而进一步提高了蚀刻的加工精度。此外，实施例4得到的工件A4在蚀刻深度为0.8毫米的情况下，加工精度高于实施例1、2和3得到的工件A1、A2和A，说明使用厚度仅为0.01-0.015毫米的薄菲林能够缓解由于在曲面部分发生褶皱而引起的图案变形，从而更进一步提高了蚀刻的加工精度。

Claims (8)

1、一种在金属工件表面形成图案的方法，该方法包括至少在金属工件需要形成图案的表面涂覆感光的抗蚀刻材料层，将菲林固定在抗蚀刻材料层上，曝光，去除菲林，显影以去除掉未感光的抗蚀刻材料层；对去除了抗蚀刻材料层的金属工件表面进行蚀刻，其特征在于，将菲林固定在该材料层上的方法包括使用与金属工件需要形成图案的表面的形状相吻合的透明治具将菲林固定，该方法还包括在曝光后，将透明治具去除掉。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述透明治具的透光率为85-95％，所述透明治具的材料为有机玻璃、重均分子量为30000-100000的聚碳酸酯、重均分子量为200000-300000的聚苯乙烯中的一种或几种。

3、根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括在菲林与透明治具之间设置弹性透明膜；在曝光后将该弹性透明膜去除掉。

4、根据权利要求3所述的方法，其中，所述弹性透明膜的透光率为85-95％，所述弹性透明膜为硅胶膜，所述弹性透明膜的厚度为0.1-0.5毫米。

5、根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述弹性透明膜设置在透明治具的与菲林接触的表面上。

6、根据权利要求1所述的方法，其中，所述菲林的厚度为0.01-0.015毫米。

7、根据权利要求1所述的方法，其中，所述感光的抗蚀刻材料为抗蚀刻感光油墨，所述感光的抗蚀刻材料层的厚度为10-15微米。

8、根据权利要求1所述的方法，其中，所述蚀刻的方法为化学蚀刻和/或阳极电解氧化蚀刻。

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