一种用于金属制品的双面蚀刻方法

1.一种用于金属制品的双面蚀刻方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在金属制品的上表面和下表面进行掩膜处理，所述上表面和下表面的掩膜层图案对应一致；
(2)先将掩膜后的金属制品上表面或下表面置于蚀刻机进行喷淋蚀刻，然后将金属制品翻转，将金属制品的下表面或上表面置于蚀刻机进行喷淋蚀刻，完成对金属制品的双面蚀刻；所述双面蚀刻中的蚀刻液包含以下质量比的组分：三氯化铁20～40％、盐酸3～
5％、硝酸1～2％、氢氟酸0.3～0.5％、双氧水0.2～0.4％、氯化钠0.1～0.3％、余量为水；
(3)对双面蚀刻后的金属制品进行脱膜处理，除去掩膜层，并进行清洗、抛光后处理；
在金属制品的上表面和下表面进行掩膜处理具体包括以下过程：在金属制品的上表面和下表面涂覆感光材料，在所述上表面和下表面的感光材料上贴附图案完全对应相同的菲林，所述菲林上的图案为阵列分布的圆形，然后进行曝光处理，曝光后将菲林去掉，并清洗除去所述金属制品上表面和下表面的未固化感光材料，所述金属制品上表面和下表面上固化的感光材料即为掩膜层；
所述菲林上的圆形图案直径比需在所述金属制品上加工出的圆孔直径小0.15～
0.2mm。
2.如权利要求1所述的用于金属制品的双面蚀刻方法，其特征在于，在进行步骤(1)的掩膜处理前先对金属制品进行表面抛光处理，处理后的金属制品表面的粗糙度≤1.6Ra。
3.如权利要求1所述的用于金属制品的双面蚀刻方法，其特征在于，所述步骤(1)的掩膜处理中，所述金属制品上表面和下表面的掩膜层图案均为阵列分布的圆形孔状结构。
4.如权利要求1所述的用于金属制品的双面蚀刻方法，其特征在于，所述掩膜层的厚度为30～50μm。
5.如权利要求1所述的用于金属制品的双面蚀刻方法，其特征在于，所述步骤(2)中，对所述金属制品的上表面和下表面进行蚀刻的蚀刻液喷淋压力为1.0～1.8psi，喷淋时间为1～1.5min。
6.如权利要求5所述的用于金属制品的双面蚀刻方法，其特征在于，所述步骤(2)中，对所述金属制品的上表面和下表面进行蚀刻的蚀刻液喷淋压力为1.4psi，喷淋时间为
1.2min。
7.如权利要求1或5或6所述的用于金属制品的双面蚀刻方法，其特征在于，所述步骤(2)中，对所述金属制品的上表面和下表面进行蚀刻的蚀刻液的温度为35～45℃。
8.一种采用如上任一所述方法进行双面蚀刻加工的金属制品。

一种用于金属制品的双面蚀刻方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种在金属制品表面进行蚀刻的方法，尤其是一种在金属制品的上下表面进行双面蚀刻的方法。\n背景技术\n[0002] 在精密机械加工中通常需要加工出大深径比微小尺寸的凹坑、圆孔等结构，会存在加工困难、尺寸偏差较大等缺点，难以符合加工要求。传统的机械加工中因为机械应力的存在，会造成微小结构的成形精度变差，孔径的形貌特征较差，目前高精度加工中采用的微细电解方法设备复杂，加工成本高，加工效率较低，不适合大规模生产的需求。而蚀刻加工方案以其高精度，高效率，低成本的优点广泛用于微电子机械系统制造、PCB板印刷、金属精细加工等领域。\n[0003] 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对加工材料进行去除，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。在对不锈钢表面进行图案掩膜，对不需要加工的区域进行保护，加工的部位不做处理，即未掩膜区域与蚀刻液进行化学反应，形成相应的微观结构。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种用于在金属制品表面加工出高精度、大深径比微小尺寸通孔的双面蚀刻方法；另外，本发明的另一个目的在于提供一种采用如上所述方法双面蚀刻加工出的金属制品。\n[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于金属制品的双面蚀刻方法，包括以下步骤：\n[0006] （1）在金属制品的上表面和下表面进行掩膜处理，所述上表面和下表面的掩膜层图案对应一致；\n[0007] （2）先将掩膜后的金属制品上表面或下表面置于蚀刻机进行喷淋蚀刻，然后将金属制品翻转，将金属制品的下表面或上表面置于蚀刻机进行喷淋蚀刻，完成对金属制品的双面蚀刻；所述双面蚀刻中的蚀刻液包含以下质量比的组分：三氯化铁20～40%、盐酸3～\n5%、硝酸1～2%、氢氟酸0.3～0.5%、双氧水0.2～0.4%、氯化钠0.1～0.3%、余量为水；\n[0008] （3）对双面蚀刻后的金属制品进行脱膜处理，除去掩膜层，并进行清洗、抛光后处理。\n[0009] 作为本发明所述用于金属制品的双面蚀刻方法的优选实施方式，在进行步骤（1）的掩膜处理前先对金属制品进行表面抛光处理，处理后的金属制品表面的粗糙度≤1.6Ra。\n所述金属制品在进行掩膜处理前，先进行表面抛光等前处理，使得处理后的金属制品表面的粗糙度≤1.6Ra，可以满足掩膜层对金属制品表面的粘附要求，更好的方便后续掩膜处理。\n[0010] 作为本发明所述用于金属制品的双面蚀刻方法的优选实施方式，所述步骤（1）的掩膜处理中，所述金属制品上表面和下表面的掩膜层图案均为阵列分布的圆形孔状结构。\n当所述金属制品的上表面和下表面的掩膜层图案均为阵列分布的圆形孔状结构时，圆孔处为金属制品表面的裸露区域，无掩膜层覆盖，其他地方被覆盖保护，在后续蚀刻过程中，裸露的圆孔处被蚀刻去除，而在金属制品的表面形成圆孔形凹坑。由于所述金属制品上表面和下表面的掩膜层图案相同且对应一致，因此在后续分别对金属制品的上表面和下表面进行双面蚀刻时，所述金属制品上表面和下表面裸露的圆形区域对应，在双面蚀刻加工后，可在所述金属制品上形成圆形通孔。当然，所述掩膜层图案并不限于阵列分布的圆形孔状结构，也可为阵列分布的方形、五角形、多边形等孔状结构，根据在金属制品上需要形成的通孔的形状，确定所述掩膜层图案的形状。\n[0011] 作为本发明所述用于金属制品的双面蚀刻方法的优选实施方式，在金属制品的上表面和下表面进行掩膜处理具体包括以下过程：在金属制品的上表面和下表面涂覆感光材料，在所述上表面和下表面的感光材料上贴附图案完全对应相同的菲林，所述菲林上的图案为阵列分布的圆形，然后进行曝光处理，曝光后将菲林去掉，并清洗除去所述金属制品上表面和下表面的未固化感光材料，所述金属制品上表面和下表面上固化的感光材料即为掩膜层。掩膜的关键是使金属制品上下表面的掩膜层图案完全对应相同，这样才能保证在金属制品上双面蚀刻加工出的通孔的精度。为此，先在所述金属制品的上表面和下表面均匀涂覆感光材料，然后设计圆形尺寸、图案间距完全一致的整张菲林作为曝光材料，以整张菲林中间线为分界线，将菲林折叠对称分开，按照同样的方式和位置将菲林贴附在所述金属制品上下表面的感光材料上，以保证所述金属制品上下表面上菲林图案上圆形的圆心对准。然后进行曝光处理，所述菲林上圆形图案部分是黑色的，不透光，而其他地方是透明的，能透光，因此曝光过程中，光线透过菲林上透明的地方，与金属制品上表面和下表面的感光材料反应，使得与所述菲林透明地方相对应的感光材料固化固定在所述金属制品的上表面和下表面，形成掩膜层，而所述金属制品上表面和下表面与菲林的圆形图案部分对应的感光材料未固化。曝光处理后，将菲林从所述金属制品的上表面和下表面去除，并清洗所述金属制品上表面和下表面上未固化的感光材料，即在所述金属制品的上表面和下表面形成完全对应相同的阵列分布的圆形孔状结构掩膜层。\n[0012] 上述所述感光材料为感光蓝油、感光绿油、光刻胶等感光材料。\n[0013] 作为本发明所述用于金属制品的双面蚀刻方法的优选实施方式，所述菲林上的圆形图案直径比需在所述金属制品上加工出的圆孔直径小0.15～0.2mm。所述菲林上圆形图案的直径要小于所述金属制品上需加工出的圆孔直径，因为在蚀刻反应过程中，蚀刻液优先发生在金属制品上未掩膜的裸露圆孔区域，随着蚀刻在向垂直方向进行的同时也会向侧向发生，即向金属制品表面形成的圆孔周边掩膜覆盖区域发生微量侧蚀，因此只有所述菲林上圆形图案的直径要小于所述金属制品上需加工出的圆形直径，即所述掩膜层圆孔的直径小于所述金属制品上需加工出的圆形直径，才可精确的在所述金属制品上加工出设计的直径大小的圆孔。为了提高在金属制品上蚀刻加工的圆孔的精度和减小圆孔进出口的侧蚀，对掩膜层图案的圆形孔状结构尺寸有特定的要求，一般地，所述菲林上圆形图案直径比需要在所述金属制品上加工出的圆孔直径小0.15～0.2mm，例如当需要在金属制品上加工出直径为1mm的圆形通孔时，在掩膜处理过程中，所述菲林上设计的圆形图案的直径可为\n0.8～0.85mm；当然，所述尺寸并不是绝对的，如果蚀刻过程中蚀刻液对金属制品的侧蚀较大，可适当减小菲林上圆形图案的直径，例如可在原先尺寸的基础上，再将菲林上圆形图案的直径缩小0.03～0.08mm。实际操作工程中，可根据侧蚀量的大小及其他条件，合理确定所述菲林上圆形图案直径与所述金属制品上需加工出的圆孔直径的差值。\n[0014] 作为本发明所述用于金属制品的双面蚀刻方法的优选实施方式，所述掩膜层的厚度为30～50μm。一般地，所述掩膜层的厚度为30～50μm即可，所述掩膜层在后续的蚀刻过程中可耐蚀刻液的腐蚀，实际操作过程中，所述掩膜层的厚度可在上述的范围合理选择，当然也可进行适当的调整略高于或低于上述厚度范围。\n[0015] 作为本发明所述用于金属制品的双面蚀刻方法的优选实施方式，所述步骤（2）中，对所述金属制品的上表面和下表面进行蚀刻的蚀刻液喷淋压力为1.0～1.8psi，喷淋时间为1～1.5min。作为本发明所述用于金属制品的双面蚀刻方法的更优选实施方式，所述步骤（2）中，对所述金属制品的上表面和下表面进行蚀刻的蚀刻液喷淋压力为1.4psi，喷淋时间为1.2min。为了保证蚀刻精度，蚀刻时间要短，选择的蚀刻液的喷淋压力要尽量大，发明人经过研究发现，当所述蚀刻液喷淋压力为1.0～1.8psi、喷淋时间为1～1.5min时，蚀刻精度较好；而当蚀刻液喷淋压力为1.4psi、喷淋时间为1.2min时，蚀刻精度更好。\n[0016] 作为本发明所述用于金属制品的双面蚀刻方法的优选实施方式，所述步骤（2）中，对所述金属制品的上表面和下表面进行蚀刻的蚀刻液的温度为35～45℃。本申请发明人经过大量研究发现，当所述蚀刻液的温度为35～45℃时，此时蚀刻液的活性较高，反应速率较快，蚀刻效率较高。\n[0017] 另外，本发明还提供了一种采用如上所述方法进行双面蚀刻加工的金属制品。采用上述所述方法进行双面蚀刻加工的金属制品，所述金属制品上可形成尺寸精度较好的微小通孔结构，侧蚀量小，能够满足精密结构的要求。\n[0018] 本发明所述的金属制品可为不锈钢、模具钢等金属制品。\n[0019] 本发明所述方法先在金属制品的上表面和下表面进行掩膜处理，所述上表面和下表面上掩膜图案对应一致，以使得后续双面蚀刻时，所述上表面和下表面上希望被去除的部分和被保护的部分完全对应一致，可精确的在所述金属制品上蚀刻形成通孔。在对掩膜后的金属制品进行双面蚀刻时，先将掩膜后的金属制品的一面置于蚀刻机进行喷淋蚀刻，蚀刻完成后将金属制品翻转，将金属制品的另一面置于蚀刻机进行喷淋蚀刻，实现对金属制品的双面蚀刻加工。蚀刻完成后，将金属制品上表面和下表面的掩膜层去除，并根据需要进行清洗、抛光等后处理即可。本发明所述用于金属制品的双面蚀刻方法，可在金属制品上加工出尺寸精度较好的微小通孔结果，侧蚀量小，加工效率高，适合大规模生产加工的需求。\n附图说明\n[0020] 图1为采用本发明所述方法进行双面蚀刻加工后的金属制品的结构示意图。\n[0021] 图2为采用本发明所述方法进行双面蚀刻加工过程中掩膜层以及加工所形成的通孔的剖面结构示意图。\n[0022] 图中，10为金属制品、20为通孔、30为掩膜层、R1为在金属制品上加工出的圆孔直径、R2为掩膜层上的圆孔直径。\n具体实施方式\n[0023] 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。\n[0024] 本发明用于金属制品的双面蚀刻方法的一种实施例，包括以下步骤：\n[0025] （1）在金属制品的上表面和下表面进行掩膜处理，所述上表面和下表面的掩膜层图案对应一致；\n[0026] （2）先将掩膜后的金属制品上表面或下表面置于蚀刻机进行喷淋蚀刻，然后将金属制品翻转，将金属制品的下表面或上表面置于蚀刻机进行喷淋蚀刻，完成对金属制品的双面蚀刻；所述双面蚀刻中的蚀刻液包含以下质量比的组分：三氯化铁20～40%、盐酸3～\n5%、硝酸1～2%、氢氟酸0.3～0.5%、双氧水0.2～0.4%、氯化钠0.1～0.3%、余量为水；\n[0027] （3）对双面蚀刻后的金属制品进行脱膜处理，除去掩膜层，并进行清洗、抛光后处理。\n[0028] 上述所述方法先在金属制品的上表面和下表面进行掩膜处理，所述上表面和下表面上掩膜图案对应一致，以使得后续双面蚀刻时，所述上表面和下表面上希望被去除的部分和被保护的部分完全对应一致，可精确的在所述金属制品上蚀刻形成通孔。在对掩膜后的金属制品进行双面蚀刻时，先将掩膜后的金属制品的一面置于蚀刻机进行喷淋蚀刻，蚀刻完成后将金属制品翻转，将金属制品的另一面置于蚀刻机进行喷淋蚀刻，实现对金属制品的双面蚀刻加工。蚀刻完成后，将金属制品上表面和下表面的掩膜层去除，并根据需要进行清洗、抛光等后处理即可。\n[0029] 在对金属制品进行双面蚀刻过程中，采用的蚀刻液包含以下质量比的组分：三氯化铁20～40%、盐酸3～5%、硝酸1～2%、氢氟酸0.3～0.5%、双氧水0.2～0.4%、氯化钠\n0.1～0.3%、余量为水。所述蚀刻液可采用以下方法制备而成：先将三氯化铁溶于水中，等溶液的温度冷却后，再加入盐酸、硝酸、氢氟酸、双氧水和氯化钠，将溶液混合均匀，即得上述所述蚀刻液。所述蚀刻液的制备过程中，因为三氯化铁粉末溶解时会释放出大量的热，导致溶液温度升高，因此要等溶液的温度冷却后，再加入盐酸、硝酸、氢氟酸、双氧水和氯化\n3+\n钠。三氯化铁溶液中的Fe 会与不锈钢成分中的Fe发生化学反应，进行蚀刻溶解；酸中的+\nH和氯化钠会对不锈钢表面含Cr等的复杂氧化物和氢氧化物造成破坏，从而促进蚀刻反-\n应的顺利进行；氯化钠和盐酸中的Cl是一种络合剂，与所蚀刻金属成分中难溶的的Ni、Cr等离子结合，生成可溶性盐，增强了蚀刻液对金属的蚀除能力，提高了反应速率，同时使得-\n整个蚀刻体系具有蚀刻速率稳定、蚀刻均匀的特点；添加氯化钠可以补充Cl的消耗；氢氟酸可以溶解不锈钢中难溶的Ti、Ni、Cr，提高蚀刻性能和蚀刻效率；硝酸可以将蚀刻反应的\n2+ 3+ 3+\nFe 氧化重新生成Fe ，补充溶液中Fe 的消耗，促使蚀刻反应速率保持稳定，同时硝酸会溶解将蚀刻反应生成的氧化产物，避免氧化物质在加工表面的沉积，提高加工表面的光洁度，起到抛光的作用，双氧水会将蚀刻反应过程中加工面形成的钝化膜及时溶解，促进蚀刻反应的发生，维持蚀刻速率的稳定。本申请发明人经过大量研究得出，当所述蚀刻液采用以上所述成分及含量的组合时，具有侧蚀量小、蚀刻速率快等优点。\n[0030] 较佳地，在进行步骤（1）的掩膜处理前先对金属制品进行表面抛光处理，处理后的金属制品表面的粗糙度≤1.6Ra。所述金属制品在进行掩膜处理前，先进行表面抛光等前处理，使得处理后的金属制品表面的粗糙度≤1.6Ra，可以满足掩膜层对金属制品表面的粘附要求，更好的方便后续掩膜处理。\n[0031] 较佳地，所述步骤（1）的掩膜处理中，所述金属制品上表面和下表面的掩膜层图案均为阵列分布的圆形孔状结构。当所述金属制品的上表面和下表面的掩膜层图案均为阵列分布的圆形孔状结构时，圆孔处为金属制品表面的裸露区域，无掩膜层覆盖，其他地方被覆盖保护，在后续蚀刻过程中，裸露的圆孔处被蚀刻去除，而在金属制品的表面形成圆孔形凹坑。由于所述金属制品上表面和下表面的掩膜层图案相同且对应一致，因此在后续分别对金属制品的上表面和下表面进行双面蚀刻时，所述金属制品上表面和下表面裸露的圆形区域对应，在双面蚀刻加工后，可在所述金属制品上形成圆形通孔，如附图1所示。当然，所述掩膜层图案并不限于阵列分布的圆形孔状结构，也可为阵列分布的方形、五角形、多边形等孔状结构，根据在金属制品上需要形成的通孔的形状，确定所述掩膜层图案的形状。\n[0032] 较佳地，在金属制品的上表面和下表面进行掩膜处理具体包括以下过程：在金属制品的上表面和下表面涂覆感光材料，在所述上表面和下表面的感光材料上贴附图案完全对应相同的菲林，所述菲林上的图案为阵列分布的圆形，然后进行曝光处理，曝光后将菲林去掉，并清洗除去所述金属制品上表面和下表面的未固化感光材料，所述金属制品上表面和下表面上固化的感光材料即为掩膜层。掩膜的关键是使金属制品上下表面的掩膜层图案完全对应相同，这样才能保证在金属制品上双面蚀刻加工出的通孔的精度。为此，先在所述金属制品的上表面和下表面均匀涂覆感光材料，然后设计圆形尺寸、图案间距完全一致的整张菲林作为曝光材料，以整张菲林中间线为分界线，将菲林折叠对称分开，按照同样的方式和位置将菲林贴附在所述金属制品上下表面的感光材料上，以保证所述金属制品上下表面上菲林图案上圆形的圆心对准。然后进行曝光处理，所述菲林上圆形图案部分是黑色的，不透光，而其他地方是透明的，能透光，因此曝光过程中，光线透过菲林上透明的地方，与金属制品上表面和下表面的感光材料反应，使得与所述菲林透明地方相对应的感光材料固化固定在所述金属制品的上表面和下表面，形成掩膜层，而所述金属制品上表面和下表面与菲林的圆形图案部分对应的感光材料未固化。曝光处理后，将菲林从所述金属制品的上表面和下表面去除，并清洗所述金属制品上表面和下表面上未固化的感光材料，即在所述金属制品的上表面和下表面形成完全对应相同的阵列分布的圆形孔状结构掩膜层。\n[0033] 上述所述感光材料为感光蓝油、感光绿油、光刻胶等感光材料。\n[0034] 较佳地，所述菲林上的圆形图案直径比需在所述金属制品上加工出的圆孔直径小\n0.15～0.2mm。所述菲林上圆形图案的直径要小于所述金属制品上需加工出的圆孔直径，因为在蚀刻反应过程中，蚀刻液优先发生在金属制品上未掩膜的裸露圆孔区域，随着蚀刻在向垂直方向进行的同时也会向侧向发生，即向金属制品表面形成的圆孔周边掩膜覆盖区域发生微量侧蚀，因此只有所述菲林上圆形图案的直径要小于所述金属制品上需加工出的圆形直径，即所述掩膜层30圆孔的直径R2小于所述金属制品10上需加工出的圆孔直径R1（如附图2所示），才可精确的在所述金属制品上加工出设计的直径大小的圆孔。由附图2可看出，由于侧蚀作用，在所述金属制品10上加工出的圆孔直径R1大于所述掩膜层30的圆孔直径R2。为了提高在金属制品上蚀刻加工的圆孔的精度和减小圆孔进出口的侧蚀，对掩膜层图案的圆形孔状结构尺寸有特定的要求，一般地，所述菲林上圆形图案直径比需要在所述金属制品上加工出的圆孔直径小0.15～0.2mm，例如当需要在金属制品上加工出直径为1mm的圆形通孔时，在掩膜处理过程中，所述菲林上设计的圆形图案的直径可为0.8～\n0.85mm；当然，所述尺寸并不是绝对的，如果蚀刻过程中蚀刻液对金属制品的侧蚀较大，可适当减小菲林上圆形图案的直径，例如可在原先尺寸的基础上，再将菲林上圆形图案的直径缩小0.03～0.08mm。实际操作工程中，可根据侧蚀量的大小及其他条件，合理确定所述菲林上圆形图案直径与所述金属制品上需加工出的圆孔直径的差值。\n[0035] 较佳地，所述掩膜层的厚度为30～50μm。一般地，所述掩膜层的厚度为30～\n50μm即可，所述掩膜层在后续的蚀刻过程中可耐蚀刻液的腐蚀，实际操作过程中，所述掩膜层的厚度可在上述的范围合理选择，当然也可进行适当的调整略高于或低于上述厚度范围。\n[0036] 较佳地，所述步骤（2）中，对所述金属制品的上表面和下表面进行蚀刻的蚀刻液喷淋压力为1.0～1.8psi，喷淋时间为1～1.5min。作为本发明所述用于金属制品的双面蚀刻方法的更优选实施方式，所述步骤（2）中，对所述金属制品的上表面和下表面进行蚀刻的蚀刻液喷淋压力为1.4psi，喷淋时间为1.2min。为了保证蚀刻精度，蚀刻时间要短，选择的蚀刻液的喷淋压力要尽量大，发明人经过研究发现，当所述蚀刻液喷淋压力为1.0～\n1.8psi、喷淋时间为1～1.5min时，蚀刻精度较好；而当蚀刻液喷淋压力为1.4psi、喷淋时间为1.2min时，蚀刻精度更好。\n[0037] 较佳地，所述步骤（2）中，对所述金属制品的上表面和下表面进行蚀刻的蚀刻液的温度为35～45℃。本申请发明人经过大量研究发现，当所述蚀刻液的温度为35～45℃时，此时蚀刻液的活性较高，反应速率较快，蚀刻效率较高。\n[0038] 采用如上所述方法进行双面蚀刻加工的金属制品如附图1所示，由附图1可看出，采用上述所述方法进行双面蚀刻加工的金属制品10，所述金属制品10上可形成尺寸精度较好的微小圆形通孔20结构，侧蚀量小，能够满足精密结构的要求。\n[0039] 上述所述的金属制品可为不锈钢、模具钢等金属制品。\n[0040] 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。