丝网印刷及金属蚀刻技术

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。

这方面早有大量论著及成熟工艺，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)。

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、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，室不能有强光或直射的，一般用黄色灯光及黄色窗帘；
（2）室清洁程度要求较高，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，还要注意室温湿度及通风换气。

印好后要烘干，一般温度在60℃－100℃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
胡棣油墨厂
2
耐腐蚀油墨
I、II
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80－61
油墨厂
5
热固抗腐蚀油墨
DA－264B－380B－262C－290C 日祥贸易公司代理
6
光固耐腐蚀图形油墨
UE-9000B
日祥贸易公司
7
防腐墨
ER1-3
余杭星桥丝印油墨厂8
耐酸(碱)抗蚀油墨
RI-216B RI-220B
科旺特种油墨厂
9
UV硬化型抗蚀刻油墨UV-1000
雄震贸易代理
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
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
德利科技
2
水溶性光致抗蚀油墨DH001
市东华精细化工厂
3
液态感光抗蚀耐电镀油墨LPR-800G
科旺特种油墨厂
4
光成像液体抗蚀剂
JL-RS1000
佳隆泰科技有限发展公司5
网印型光成像抗蚀抗电镀油墨
LTD-P2108
力拓达科技有限责任公司
6
液态抗蚀刻油墨
77T-100T
普利斯登科技股份
7
显像型抗蚀刻油墨
PER-15 SC1502
太阳油墨股份
8
液态照相抗酸蚀油墨
99-240
新加坡友联油墨及用品
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%wt~70%wt
粘度：1PS~200
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：60~100mj/平方厘米
显影：1% Na2co3
蚀刻：Fecl3 Cucl2
脱膜：3%~5% 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：0.5~1.0% 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3~5%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“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，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
硬塑管下端有纹与一尼龙塞旋紧，塞的高度与直径相等。

尼龙塞四周有8~10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0.5~1.0mm/min;铜板0.5~1.0mm/min;不锈钢0.1~0.15mm/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。

目前国生产电解蚀刻机的单位已不少见，举例如表6
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 30~40g/
50℃
2、FeCl3 600g;HCL 20ml;H2O 1000ml 38~40°Be'
40~50℃
3、FeCl3 350g/l
40~60℃
4、FeCl3 38~42°Be'
40℃
5、FeCL3(25~45°Be') 1000ml;HCL 200ml
30~40℃
6、FeCl3(45Be') 100g;HNO3 100g;H2O 50g
30~35℃
7、CuCL2 30~35g/l
35℃
8、CuCL2 200g;NaCl 100g;HCL 100ml;H2O 900ml
9、CuCL2 150~450g;NH4Cl 饱和；H2O 100ml
30~40℃
10、CuCL 100g;NH4OH 670ml;NH4Cl 100g;H2O 330ml;PH=9.6~10
40~60℃、
11、CuCL 50g;H2SO4 250ml;H2O 630ml;ECS-03 6ml
30~40℃
12、H2O2(27%) 50ml/l;H2SO4 200ml/l;NH4CL 10~20g/l;H2O 750ml
50~55℃
13、H2O2 7~10%;H2SO4 15~18%;AgNO3 300PPM;非那西汀400PPM
≈45℃
14、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/l
40~45℃
16、(NH4)2S2O8 220~260g/l;HgCL2 6~8mg/l;H3PO4 50~100ml/l
17、(NH4)2S2O8 100g/l;氨水150ml/l;稳定剂(苯二甲酸等）0.01~0.5%
18、(NH4)2S2O8 8~16g/l
32~50℃
19、CrO3 22~30g/l
50℃
20、CrO3 240g/l;H2SO4 180g/l;NasO4 40g/l
50℃
表4 钢铁的蚀刻剂
序号
配方
使用温度
1、FeCL3 35~45Be?
20~40℃
2、FeCL3 34~38g/l
50℃
3、HNO3 100ml;45°Be' FeCL3 100ml;H2O 200ml
20~40℃
4、HNO3:HCL3:H2O=1:2:3 Vol
5、HNO3 10~15% Vol
50℃
6、HNO3 20%；H2SO4 5%;H3PO4 5%;Vol
60~70℃
7、HNO3 48%;H2SO4 5.5%;H3PO4 11%;醋酸 5.5%；Vol 40~50℃
8、草酸25g/l;H2O2 13g/l;H2SO4 1g/l
20~30℃
9、HNO3 30%;醋酸30%；H2O 40%；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 45~48°Be'
30~50℃
2、FeCL3 34~38g/l
65℃
3、FeCL3+HNO3
30~50℃
4、FeCL 30~42°Be' 100ml；H2O2 25ml;HF 25ml
30~50℃
5、FeCL3 40~45°Be' 100ml;HF 40ml;HCL 15ml
50℃
6、HCL 50%;HNO3 13%；H2O 余量；H3PO4 少量；HF 少量
7、HCL 20%；HNO3 20%；H2O 60%
8、HCL 50%；HNO3 5%；H3PO4 2.5%；Vol
65℃
9、HCL 100份；HgNO3 6.5份；H2O 100份
10、HNO3 5%；H2SO4 18% 62~64℃
表6 几种电解蚀刻机
载自特印网www.isgia.。