CN103173767B

CN103173767B - 一种蚀刻方法

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Publication number: CN103173767B
Application number: CN201310099980.0A
Authority: CN
Inventors: 郭钟宁; 黄红光; 宋卿; 张永俊; 唐勇军; 王冠
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: CN103173767A

Abstract

本发明公开一种蚀刻方法，所述方法先对掩膜处理后的工件进行初次蚀刻，基本形成断面呈梯形的凸凹图形，然后对初次蚀刻后的工件脱膜，并进行再次蚀刻，去掉棱边和棱角，最后进行将工件在蚀刻液中静液浸泡，进行进一步修形，最终在工件表面加工出具有平滑过度效果、断面呈凸凹状圆锥形的阵列微结构。本发明所公开的方法可用于所有可以用模具注塑加工出的产品中，例如电脑、手机、电子产品、汽车内饰、眼镜架等，可在产品表面加工出具有平滑过度效果、断面呈凸凹状圆锥形的阵列微结构，不仅增加美观，为人们的视觉带来丰富性和多样性，而且具有防滑效果。

Description

一种蚀刻方法

技术领域

本发明涉及化学蚀刻加工领域，尤其是涉及一种在不锈钢或者模具钢等金属材料制品表面加工形成具有平滑过渡效果、断面呈凸凹状圆锥形的阵列微结构的蚀刻方法。

背景技术

在模具和金属产品制造领域中，在模具和产品表面加工出微米级的阵列微凸或者微凹结构可以增加产品的美观性、防滑效果、保洁效果等。相较于机械微铣加工、微车加工、激光加工、电火花加工和电化学加工，化学蚀刻法因其加工方法简单、快速成形效果好、可以显著降低生产成本、对设备要求低等优点而受到广泛应用。

化学蚀刻法的原理是利用金属与蚀刻剂（化学药品）进行化学反应形成可溶物体而进行去除反应部分，通过控制希望被去除部分和被保护部分来达到加工的目的。通常在对模具钢等金属进行表面微结构的蚀刻加工时，要对模具钢等金属材料制品表面进行掩膜处理，即在被加工金属表面涂覆一层绝缘胶，未涂覆绝缘胶的部分与蚀刻液进行化学反应。这种蚀刻方法加工出来的图形往往存在表面开口大，内部开口小的形状，其断面如梯形，表面被去除形成的凹坑和凸起之间因为有棱边和棱角而不能很好的平滑过渡，这样造成的后果是加工工件摸起来手感不好，同时也影响视觉效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种可在金属材料制品表面加工形成具有平滑过渡效果、断面呈凸凹状的圆锥形的阵列微结构的蚀刻方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种蚀刻方法，包括以下步骤：

（1）对工件进行掩膜处理；

（2）将掩膜处理后的工件放到蚀刻机中进行初次蚀刻，从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.3～1.8psi，蚀刻时间3～10min；

（3）对初次蚀刻后的工件进行脱膜处理；

（4）将脱膜处理后的工件再放到蚀刻机中进行再次蚀刻，从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.1～0.8psi，蚀刻时间2～6min；

（5）对再次蚀刻后的工件进行清洗，然后放到蚀刻液b中浸泡，浸泡时间0.5～2min；

（6）将经过步骤（5）处理后的工件清洗，并去除工件表面杂质。

作为本发明所述蚀刻方法的优选实施方式，所述步骤（1）对工件进行掩膜处理是在工件表面涂覆多个正方形耐腐蚀胶，所述正方形耐腐蚀胶的厚度为10～40μm，相邻两个耐腐蚀胶之间的间隙宽度为所述耐腐蚀胶边长的1/4～1/3。所述掩膜处理时在模具刚等金属材料制品表面涂覆耐腐蚀胶，从而有选择的保护模具钢等金属制品表面。一般地，是在金属表面涂覆耐腐蚀胶，所述耐腐蚀胶呈正方形结构，耐腐蚀胶的厚度为10～40μm。正方形耐腐蚀胶和正方形耐腐蚀胶之间留有未涂覆耐腐蚀胶的间隙，所述间隙的宽度为所述正方形耐腐蚀胶变长的1/4～1/3。在发生化学反应时，涂覆有耐腐蚀胶的部分被保护起来，未涂覆有耐腐蚀胶的部分产生化学反应而被去除形成凹坑。

作为本发明所述蚀刻方法的优选实施方式，所述步骤（2）中从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.6～1.2psi，蚀刻时间4～8min。一般地，蚀刻液从蚀刻机的喷嘴中喷出，所述喷出的蚀刻液的形状优选扇形，可以均匀喷洒，蚀刻部分为正方形耐腐蚀胶和正方形耐腐蚀胶之间留有未涂覆耐腐蚀胶的间隙。

作为本发明所述蚀刻方法的优选实施方式，所述步骤（2）初次蚀刻后工件表面蚀刻宽度为蚀刻前未掩膜宽度的1.5～2倍。在掩膜后的工件上喷洒蚀刻液后，蚀刻液对工件上掩膜之间的间隙部分进行蚀刻，由于侧蚀的作用，蚀刻液在对掩膜之间的空隙部分进行蚀刻的同时，对掩膜覆盖部位的工件也进行一定的蚀刻，使得工件表面的蚀刻宽度增大为蚀刻前未掩膜宽度的1.5～2倍，而由于掩膜覆盖部位有一定宽度的工件也被蚀刻，因此掩膜下方的工件宽度与蚀刻前相比缩小，最终使得经过初次蚀刻后，被蚀刻部分与被保护部分的宽度呈现出2:3～1:1的比例。本申请发明人通过摸索发现，当所述步骤（2）初次蚀刻后工件表面蚀刻宽度为蚀刻前未掩膜宽度的1.5～2倍时，最终所得工件表面形成的具有平滑过度效果、断面呈凸凹状圆锥形的阵列微结构的均匀性较好。

作为本发明所述蚀刻方法的优选实施方式，所述步骤（3）采用碱性溶液对初次蚀刻后的工件进行脱膜处理。

作为本发明所述蚀刻方法的优选实施方式，所述碱性溶液为NaOH溶液。所述脱膜就是将涂覆有耐腐蚀胶的模具钢等金属制品放在如NaOH等碱性溶液中，将耐腐蚀胶从模具钢等金属制品表面去掉。

作为本发明所述蚀刻方法的优选实施方式，所述步骤（4）中从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.3～0.6psi，蚀刻时间2～4min。

作为本发明所述蚀刻方法的优选实施方式，所述步骤（2）和（4）中的蚀刻液a含有FeCl₃、水和NaCl，其中FeCl₃、水和NaCl的质量比为5～35:35:1。

作为本发明所述蚀刻方法的优选实施方式，所述步骤（5）中的蚀刻液b含有HNO₃、FeCl₃、水和NaCl，其中HNO₃、FeCl₃、水和NaCl的质量比为5～35:5～35:35:1。步骤（5）中的蚀刻液b一定要含有HNO₃，且HNO₃与水的重量比为1:9～9:1，优选地为1:4～3:7；更优选地，所述蚀刻液蚀刻液b含有HNO₃、FeCl₃、水和NaCl，且其中HNO₃、FeCl₃、水和NaCl的质量比为5～35:5～35:35:1。所述蚀刻液b在传统采用三氯化铁为蚀刻液主要成分的基础上，加入了氯化钠，增加了溶液中Cl^-1的浓度，将所蚀刻金属成分中离子状态易结合生成难容物质的镍、硅等离子转化生成可溶性盐，增强了蚀刻液对金属的蚀除能力，增加了反应速率，便于形成一定的侧蚀量，同时蚀刻液中含有的硝酸具有一定的氧化能力，能够去除工件表面因氧化反应而生成的暗黑色氧化铁成分，去除氧化层，起到了抛光作用，增加了工件表面的光洁度。

本发明所述蚀刻方法的中所述的工件为不锈钢、模具钢等金属材料制品。

本发明所述蚀刻方法，先对掩膜处理后的工件进行初次蚀刻，基本形成断面呈梯形的凸凹图形，然后对初次蚀刻后的工件脱膜，并进行再次蚀刻，去掉棱边和棱角，最后进行将工件在蚀刻液中静液浸泡，进行进一步修形，最终在工件表面加工出具有平滑过度效果、断面呈凸凹状圆锥形的阵列微结构。本发明所述方法可以在模具上加工出花纹，然后用于电脑、手机、电子产品、汽车内饰等所有可以用模具注塑加工出的产品中；也可以直接在眼镜架、汽车音响外壳、地铁座椅等上加工出具有平滑过度效果、断面呈凸凹状圆锥形的阵列微结构，不仅增加美观，为人们的视觉带来丰富性和多样性，而且具有防滑效果。

附图说明

图1为采用本发明所述方法加工后的一种实施例的工件表面结构示意图。

图2为采用本发明所述方法加工后的另一种实施例的工件表面结构示意图。

图3为图2所示工件表面的断面结构示意图。

图4为采用本发明所述方法对工件初次蚀刻加工后的结构示意图。

图中，10为工件、12为凸起、14为凹坑、16为耐腐蚀胶。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种蚀刻方法，包括以下步骤：

（1）对工件进行掩膜处理：在工件表面涂覆若干耐腐蚀胶，所述耐腐蚀胶为正方形结构，其厚度为10μm，相邻两个耐腐蚀胶之间留有未涂覆耐腐蚀胶的间隙，所述间隙的宽度为所述正方形耐腐蚀胶边长的1/4；

（2）将掩膜处理后的工件放到蚀刻机中进行初次蚀刻，从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为1.8psi，蚀刻时间3min，其中所述蚀刻液a含有FeCl₃、水和NaCl，且FeCl₃、水和NaCl的质量比为FeCl₃：水：NaCl=5:35:1；

（3）对初次蚀刻后的工件进行脱膜处理：将初次蚀刻后的工件放在NaOH溶液中，将耐腐蚀胶从工件表面去掉；

（4）将脱膜处理后的工件再放到蚀刻机中进行再次蚀刻，从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.1psi，蚀刻时间6min，所述蚀刻液a的成分与步骤（2）中相同；

（5）对再次蚀刻后的工件进行清洗，然后放到蚀刻液b中浸泡，浸泡时间0.5min，其中，所述蚀刻液b含有HNO₃、FeCl₃、水和NaCl，且HNO₃、FeCl₃、水和NaCl的质量比为HNO₃：FeCl₃：水：NaCl=5:35:35:1；

（6）将经过步骤（5）处理后的工件用水冲洗，冲洗过程中用橡胶制品擦拭工件被加工面以去除工件表面的杂质。

实施例2

一种蚀刻方法，包括以下步骤：

（1）对工件进行掩膜处理：在工件表面涂覆若干耐腐蚀胶，所述耐腐蚀胶为正方形结构，其厚度为40μm，相邻两个耐腐蚀胶之间留有未涂覆耐腐蚀胶的间隙，所述间隙的宽度为所述正方形耐腐蚀胶边长的1/3；

（2）将掩膜处理后的工件放到蚀刻机中进行初次蚀刻，从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.3psi，蚀刻时间10min，其中所述蚀刻液a含有FeCl₃、水和NaCl，且FeCl₃、水和NaCl的质量比为FeCl₃：水：NaCl=35:35:1；

（3）对初次蚀刻后的工件进行脱膜处理：将初次蚀刻后的工件放在KOH溶液中，将耐腐蚀胶从工件表面去掉；

（4）将脱膜处理后的工件再放到蚀刻机中进行再次蚀刻，从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.8psi，蚀刻时间2min，所述蚀刻液a的成分与步骤（2）中相同；

（5）对再次蚀刻后的工件进行清洗，然后放到蚀刻液b中浸泡，浸泡时间2min，其中，所述蚀刻液b含有HNO₃、FeCl₃、水和NaCl，且HNO₃、FeCl₃、水和NaCl的质量比为HNO₃：FeCl₃：水：NaCl=35:5:35:1；

实施例3

一种蚀刻方法，包括以下步骤：

（1）对工件进行掩膜处理：在工件表面涂覆若干耐腐蚀胶，所述耐腐蚀胶为正方形结构，其厚度为20μm，相邻两个耐腐蚀胶之间留有未涂覆耐腐蚀胶的间隙，所述间隙的宽度为所述正方形耐腐蚀胶边长的3/10；

（2）将掩膜处理后的工件放到蚀刻机中进行初次蚀刻，从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.6psi，蚀刻时间8min，其中所述蚀刻液a含有FeCl₃、水和NaCl，且FeCl₃、水和NaCl的质量比为FeCl₃：水：NaCl=15:35:1；

（4）将脱膜处理后的工件再放到蚀刻机中进行再次蚀刻，从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.6psi，蚀刻时间2min，所述蚀刻液a的成分与步骤（2）中相同；

（5）对再次蚀刻后的工件进行清洗，然后放到蚀刻液b中浸泡，浸泡时间1min，其中，所述蚀刻液b含有HNO₃、FeCl₃、水和NaCl，且HNO₃、FeCl₃、水和NaCl的质量比为HNO₃：FeCl₃：水：NaCl=5:5:35:1；

实施例4

一种蚀刻方法，包括以下步骤：

（1）对工件进行掩膜处理：在工件表面涂覆若干耐腐蚀胶，所述耐腐蚀胶为正方形结构，其厚度为30μm，相邻两个耐腐蚀胶之间留有未涂覆耐腐蚀胶的间隙，所述间隙的宽度为所述正方形耐腐蚀胶边长的1/3；

（2）将掩膜处理后的工件放到蚀刻机中进行初次蚀刻，从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为1.2psi，蚀刻时间4min，其中所述蚀刻液a含有FeCl₃、水和NaCl，且FeCl₃、水和NaCl的质量比为FeCl₃：水：NaCl=20:35:1；

（4）将脱膜处理后的工件再放到蚀刻机中进行再次蚀刻，从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.3psi，蚀刻时间4min，所述蚀刻液a的成分与步骤（2）中相同；

（5）对再次蚀刻后的工件进行清洗，然后放到蚀刻液b中浸泡，浸泡时间1.5min，其中，所述蚀刻液b含有HNO₃、FeCl₃、水和NaCl，且HNO₃、FeCl₃、水和NaCl的质量比为HNO₃：FeCl₃：水：NaCl=10:25:35:1；

实施例5

一种蚀刻方法，包括以下步骤：

（1）对工件进行掩膜处理：在工件表面涂覆若干耐腐蚀胶，所述耐腐蚀胶为正方形结构，其厚度为18μm，相邻两个耐腐蚀胶之间留有未涂覆耐腐蚀胶的间隙，所述间隙的宽度为所述正方形耐腐蚀胶边长的1/3；

（2）将掩膜处理后的工件放到蚀刻机中进行初次蚀刻，从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.8psi，蚀刻时间6min，其中所述蚀刻液a含有FeCl₃、水和NaCl，且FeCl₃、水和NaCl的质量比为FeCl₃：水：NaCl=25:35:1；

（4）将脱膜处理后的工件再放到蚀刻机中进行再次蚀刻，从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.5psi，蚀刻时间5min，所述蚀刻液a的成分与步骤（2）中相同；

（5）对再次蚀刻后的工件进行清洗，然后放到蚀刻液b中浸泡，浸泡时间1min，其中，所述蚀刻液b含有HNO₃、FeCl₃、水和NaCl，且HNO₃、FeCl₃、水和NaCl的质量比为HNO₃：FeCl₃：水：NaCl=35:35:35:1；

实施例6

如附图1、2和3所示，采用本发明所述方法对工件表面进行加工后的结构示意图。本发明所述方法先对掩膜后的工件表面进行初次蚀刻，通过对蚀刻液成分、蚀刻液压力及蚀刻时间的控制，在工件表面基本形成断面呈梯形的凸凹形状结构，如附图4所示，初次蚀刻后工件表面蚀刻宽度B为蚀刻前未掩膜宽度A的1.5～2倍。在掩膜后的工件上喷洒蚀刻液后，蚀刻液对工件上耐腐蚀胶之间的间隙部分A进行蚀刻，由于侧蚀的作用，蚀刻液在对耐腐蚀胶之间的空隙部分A进行蚀刻的同时，对耐腐蚀胶覆盖部位的工件也进行一定的蚀刻，使得工件表面的蚀刻宽度B增大为蚀刻前未掩膜宽度A的1.5～2倍，而由于耐腐蚀胶覆盖部位有一定宽度的工件也被蚀刻，因此耐腐蚀胶覆盖部位的工件宽度与蚀刻前相比减小，最终使得经过初次蚀刻后，被蚀刻部分与被保护部分的宽度呈现出2:3～1:1的比例；然后对工件进行脱膜处理，将工件表面的耐腐蚀胶去掉，进行再次蚀刻，通过对蚀刻液成分、蚀刻液压力及蚀刻时间的控制，去掉初次蚀刻后的棱边和棱角；最后，选择特定成分组成的蚀刻液对再次蚀刻后的工件浸泡，对工件表面进行进一步修形，使得工件表面形成具有平滑过渡效果、凸凹状的阵列微结构，如附图1和2所示。采用本发明所述方法加工后的工件的断面结构如附图3所示，所述工件的断面呈凸凹状的圆锥形，多个凸凹状的圆锥形连接一起呈现正弦曲线形结构。

本发明所述方法可以在模具上加工出花纹，然后用于电脑、手机、电子产品、汽车内饰等所有可以用模具注塑加工出的产品中；也可以直接在眼镜架、汽车音响外壳、地铁座椅等上加工出具有平滑过度效果、断面呈凸凹状圆锥形的阵列微结构，不仅增加美观，为人们的视觉带来丰富性和多样性，而且具有防滑效果。

本发明所述的工件为不锈钢或者模具钢等金属材料制品。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种蚀刻方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对工件进行掩膜处理；

(2)将掩膜处理后的工件放到蚀刻机中进行初次蚀刻，从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.3～1.8psi，蚀刻时间3～10min；

(3)对初次蚀刻后的工件进行脱膜处理；

(4)将脱膜处理后的工件再放到蚀刻机中进行再次蚀刻，从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.1～0.8psi，蚀刻时间2～6min；

(5)对再次蚀刻后的工件进行清洗，然后放到蚀刻液b中浸泡，浸泡时间0.5～2min；

(6)将经过步骤(5)处理后的工件清洗，并去除工件表面杂质；

所述步骤(2)和(4)中的蚀刻液a含有FeCl₃、水和NaCl，其

中FeCl₃、水和NaCl的质量比为5～35:35:1；

所述步骤(5)中的蚀刻液b含有HNO₃、FeCl₃、水和NaCl，其

中HNO₃、FeCl₃、水和NaCl的质量比为5～35:5～35:35:1。

2.如权利要求1所述的蚀刻方法，其特征在于，所述步骤(1)对工件进行掩膜处理是在工件表面涂覆多个正方形耐腐蚀胶，所述正方形耐腐蚀胶的厚度为10～40μm，相邻两个耐腐蚀胶之间的间隙宽度为所述耐腐蚀胶边长的1/4～1/3。

3.如权利要求1所述的蚀刻方法，其特征在于，所述步骤(2)中从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.6～1.2psi，蚀刻时间4～8min。

4.如权利要求1或3所述的蚀刻方法，其特征在于，所述步骤(2)初次蚀刻后工件表面蚀刻宽度为蚀刻前未掩膜宽度的1.5～2倍。

5.如权利要求1所述的蚀刻方法，其特征在于，所述步骤(3)采用碱性溶液对初次蚀刻后的工件进行脱膜处理。

6.如权利要求5所述的蚀刻方法，其特征在于，所述碱性溶液为NaOH溶液。

7.如权利要求1所述的蚀刻方法，其特征在于，所述步骤(4)中从蚀刻机喷嘴中喷出的蚀刻液a的压力为0.3～0.6psi，蚀刻时间2～4min。

8.如权利要求1所述的蚀刻方法，其特征在于，所述工件为不锈钢、模具钢。

9.如权利要求1所述的蚀刻方法，其特征在于，所述工件为金属材料制品。