フォトケミカル加工：歴史、プロセス、用途をステップバイステップで徹底解説

フォトケミカル加工の概要

フォトケミカル加工は製造分野で主要な役割を果たしています。このプロセスはケミカル加工の高分解能版と言えます。簡単に言えば、ケミカル加工プロセスにおけるマスキング材をフォトレジスト材料に置き換えることで、ケミカル加工がフォトケミカル加工へと変わります。

フォトレジスト材料は紫外線露光に用いられ、ケミカルエッチング前にシートメタル部品上に複雑な形状を生成します。このプロセスは「フォトケミカルミリング」や「フォトエッチング」とも呼ばれます。この工法で製造される部品は応力フリーでクラックフリーです。シャープな寸法公差が実現できるため、試作用途で広く使用されています。

フォトケミカル加工の歴史

フォトケミカル加工の発展は1782年、ジョン・セネビエが特定の樹脂がテルピネオールへの溶解性を失い、日光下で硬化することを発見したことに始まります。実験は1940年まで続き、ついにケミカルプロセスとフォトレジスト（紫外線下での金属硬化現象）を合成した「フォトケミカル」という名の加工プロセスが確立されました。1960年代以降、商業ベースで実用化されています。

定義

フォトケミカル加工とは、ワークピースをフォトレジスト材料を用いて紫外線に露光させ、その後エッチング法で金属を除去することで、シートメタル部品上に所望の形状を製造するプロセスです。

フォトケミカル加工の作動原理

作動原理はケミカル加工プロセスから派生しています。ワークピースの清浄表面にフォトレジストフィルムをコーティングします。このフィルムは紫外線に感光し、エッチャントに対して耐性があります。次に、製造すべき設計の写真をフィルムに印刷します。印刷は透明と黒の2色調。フォトフィルムを誤差なくワークピースに精密搭載。紫外線露光によりフォトレジストが作業表面を硬質部と軟質部に分化させます。

一般的に、フィルムの透明領域を通って光が当たった部分が硬化し、黒領域は軟らかいままです。その後、ワークピースを現像機に通して軟質レジストを除去。この軟質レジスト除去により、加工すべき領域と加工しない領域が分化。露出した金属領域がエッチング対象領域となります。残った硬質レジストがマスキング材として機能。シートメタルをエッチング装置に通し、両面にエッチャントを噴霧。レジスト材料のない金属領域は化学試薬との反応で溶解除去されます。エッチング完了後、レジスト剥離剤スプレーでレジストを除去。結果としてフォトフィルムに設計・印刷された通りの完成品が得られます。

フォトケミカル加工のステップバイステップ工程

1. 設計・印刷

CADソフトでコンポーネントを設計。生成されたアートワークは使用するフォトレジストに応じて黒またはクリアの設計構造を持ちます。これを標準サイズのフォトフィルムに印刷。クリア領域または黒領域のいずれかが製品イメージとなります。一般的にアートワークは2枚のフィルムシートに二重印刷されます。

2. シート切断

設計完了・印刷後、設計仕様に適合する金属を選定。シートメタルロールからシートを切断。切断サイズは印刷済みフォトフィルムと同サイズ。フォトケミカルプロセス用シートメタル厚は0.013〜2.032mm。材質：アルミニウム、真鍮、銅、ニッケル、銀、鋼、ステンレス鋼、亜鉛、チタン等。

3. シート洗浄

シート表面の酸化物、油、グリス等の汚染物質を除去。全自動機で高圧水ジェット、アルコール溶液、希塩酸を使用。洗浄不良はレジスト密着不良、最終寸法不正確、エッチング時のアンダーカット、酸化の原因となります。洗浄後、熱風ブロワーで乾燥。

4. シートメタルへのレジスト塗布

完全乾燥後、レジスト材料をコーティング。レジスト材料は紫外線感光性でエッチャント耐性を持ちます。実用上、フォトレジストはポジティブフォトレジストとネガティブフォトレジストに分類。フォトフィルム印刷データがクリアか黒かにより選定。

• ポジティブフォトレジスト：紫外線露光時に露光部分が軟化。現像プロセスで軟質レジストが溶解。非露光レジストは硬質のまま。
• ネガティブフォトレジスト：紫外線露光部分が硬化。残りのレジスト部分が現像用に軟質のまま。

5. フォトフィルムのフォトレジスト上への搭載

レジストコーティング完了後、印刷済みフォトフィルムをレジスト材料上に両面から慎重かつ精密に搭載。両フィルムのアライメント精度を確保。

6. 紫外線露光

シートを紫外線に通す。フィルム印刷のクリア領域は紫外線をレジスト層に透過、黒領域は遮断。感光性レジスト材料は紫外線に反応し、使用レジストタイプに応じて硬質化。これによりレジストが硬質部と軟質部に分化。

7. 現像プロセス

シートを現像装置に通し、液体現像液を両面に噴霧。現像液が軟質レジストを溶解、硬質レジストは現像処理を生き残りシートメタル上に残存。このプロセス終了時、シート表面にはエッチング後も残すべき金属上にレジストが残り、それ以外はエッチング対象の露出金属となります。

8. エッチング

シートをエッチング装置に通し、化学試薬を両面に噴霧。レジストで覆われた領域はエッチャントと金属の反応を遮断、露出領域はエッチャントと反応し化学的性質変化で金属が溶解。これにより設計形状がシート上に製造されます。全工程はローラーコンベアでシートメタルを機械端から端へ搬送する全自動密閉機で実施。

エッチャント選定時の考慮要素：

1. 要求表面仕上げ品質
2. 基材タイプ
3. 使用レジストタイプ
4. エッチング深さ
5. コストと入手性

基材に応じたエッチャント例：

シート材質	エッチャント
鉄系合金（炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼等）	塩化第二鉄
非鉄合金（ベリリウム銅、真鍮等）	塩化第二銅
チタン、亜鉛及其合金	銅系専用エッチャント
銀及其合金	硝酸第二鉄
金及其合金	ヨウ素系エッチャント

9. レジスト被膜除去

シートをレジスト剥離装置に通し、レジスト剥離液噴霧でエッチャントからシートを守っていたレジストを除去。剥離液がワークから全レジスト材料を溶解。現像プロセスに類似但、軟質レジスト溶解に使用した現像液より高濃度。

10. 洗浄・乾燥

レジスト除去後、シートを加圧冷水で洗浄、熱風ブロワーで乾燥。単一シート上に複数同一コンポーネントを製造する用途が多いため、手で軽く押して各エッジを分離。完成品が得られます。

イエロールーム

「レジストコーティング」から「現像」終了までの一連作業はイエロールームで実施。黄色蛍光灯（YFT）を使用し、フォトレジストが短波長光に不要露光しないよう防止。

PCMで使用されるユニット・設備

フォトケミカル加工処理に必要な基本システム：製図ユニット、シートメタル切断機械、図面レイアウト・付属品、CADプラットフォーム・現像システム、写真印刷機・付属品、洗浄システム、数値制御紫外線照射装置、エッチング装置、自動洗浄ユニット、マスク除去装置またはレジスト剥離装置、乾燥ユニット。

フォトケミカル加工の用途・応用

主な用途：

1. 手術用ツール、微小部品の製造
2. 金属ガスケット・シールの製造
3. 微細スクリーン、微細メッシュ、電気接点、EMI・RFIシールド缶の製造
4. 薄型部品の彫刻
5. 燃料電池部品、圧力膜、ヒートシンク、フレキシブルヒーティングエレメントの製造

フォトケミカル加工のメリット

主なメリット：

1. 機械システムでは不可能なコンポーネントを容易に製造可能
2. 全表面からリアルタイムで材料除去
3. バリフリー表面が得られる
4. 応力フリー・クラックフリーなコンポーネント
5. 任意材料の微小部品を容易に加工
6. 極薄金属加工可能
7. 迅速かつ低コスト
8. 極めて複雑な輪郭を精密なディテールで製造可能

フォトケミカル加工のデメリット

主なデメリット：

1. 初期セットアップコストが高い
2. 少量生産には不向き
3. プロセスに伴うヒュームが作業者の健康被害を引き起こす可能性
4. アンダーカッティングにより深い切削が困難
5. シートメタル厚は2.032mmに制限