ケミカルマシニングのプロセス、応用、メリットを解説

ケミカルマシニングとは？

ケミカルマシニングは、フォトケミカルプロセスにより、予め定義された領域から金属を清浄に除去し、金属の完全性や特性を変えることなく加工する方法です。このプロセスは主に、焼けや応力のない複雑な設計の小型薄肉金属部品の製造に使用されます。

ケミカルマシニングは、フォトケミカルプロセスにより、予め定義された領域から金属を清浄に除去し、金属の完全性や特性を変えることなく加工する方法です。このプロセスは主に、焼けや応力のない複雑な設計の小型薄肉金属部品の製造に使用されます。

プロセスは、金属から汚れや油分を洗浄することから始まります。フォトレジストを塗布し焼き付けて均一な塗布を確保。アートワークを準備した金属シート上に配置し、紫外線露光を行って所望の解像度とエッチング仕様を得ます。

アートワークを取り除き、レジストを現像または除去します。この時点で、金属はエッチング準備完了。部品に不可欠でない材料を溶解する化学溶液にシートを浸漬してエッチングします。エッチング完了後、レジストを除去し、金属部品を洗浄、検査、梱包します。

ケミカルマシニングプロセス

ケミカルマシニングの様々なプロセスは以下の通りです：

1. 洗浄

洗浄プロセスでは、ワークから油、グリース、ほこり、その他物質を除去し、後工程を適切に完了できるようにします。

マスキング材料がワークに適切に密着するためには洗浄が必要です。マスキング不良の場合、迷走エッチングが発生します。

ワーク材料と必要な加工深度に応じて、気相洗浄、アルカリエッチングなど様々な洗浄プロセスやマスカントが実施されます。多孔質ワーク材料の洗浄は困難です。

主に機械的方法と化学的方法の2つの洗浄方法があります。化学的方法は機械的方法より損傷が少ないため広く使用されています。

マスクが厚く薄く化学洗浄された場合、マスクの薄く洗浄された部分が精製されます。洗浄プロセスの加熱は有益です。

2. マスキング

マスキングはマスキング材料（マスク）を使用して行います。これらのマスクは不活性で、加工で使用される化学薬品と反応しません。使用するマスクは容易に剥離できるタイプであるべきです。

このマスキングプロセスでは、加工しないワーク部分をマスクで覆い、加工部分のみを加工用化学薬品に露出させます。ただし、マスキング実施時にはワーク全体がマスクされます。

マスクは以下の3方法で適用されます：

• 切断・剥離法
• スクリーン法
• フォトレジスト法

3. scribe（スクライビング／パターン露出）

マスキングプロセス後、加工対象のワーク領域からマスクを除去し、その部分で化学反応が起こるようにします。スクライブプロセス後、加工対象領域のみがケミカルマシニングに露出します。

4. エッチング

ワークを濾過後、ワークと化学反応する薬品を含む容器に浸漬します。

ワークを薬品内に浸すと、マスクされた領域は化学反応を起こさず、マスクされていない領域が薬品と反応し、ワークのマスクされていない領域の材料が溶解し始めます。

エッチングプロセスは通常、高温で実施されます。ガス泡がプロセス中にトラップされないよう注意し、非均一加工を防止します。

5. デマスキング

エッチングプロセス後、加工されていないワーク領域からマスクを除去し、加工された領域から酸化層も除去します。

6. 洗浄（最終洗浄）

デマスキング後、ワークを真水で十分にすすぎ、表面からあらゆる物質を完全に除去します。

これらのステップとは別に、オプションでエッチャントの加熱・冷却ステップがあります：容器内の温度を加熱・冷却ロッドで維持します。

ケミカルマシニングプロセスの種類

このプロセスは、フライス加工、ブランク加工、彫刻など幅広い操作に適用できます。様々なケミカルマシニングプロセスは以下のように分類されます：

• ケミカルミリング
• ケミカルブランク
• ケミカルエングレービング

特殊目的のため、反応性ガス（例：塩素ジェット）を加工領域で使用することでもケミカルマシニングが可能です。これはガス状ケミカルマシニングまたは高温塩素加工と呼ばれ、金属部品のデバグに使用できます。

1. ケミカルミリング

ケミカルミリング（工業用エッチング）は、温度調整されたエッチング薬品浴を用いて材料を除去し、所望の形状の物体を作る減法製造プロセスです。

ケミカルエッチングの別名には、フォトエッチング、ケミカルエッチング、フォトケミカルエッチング、フォトケミカルマシニングがあります。主に金属に使用されますが、その他材料も重要性を増しています。ルネサンス期に彫刻の代替として開発された甲冑装飾と印刷エッチングプロセスに起源を持ちます。

プロセスの本質は、エッチャントと呼ばれる腐食性化学薬品で切削領域を浸すこと。エッチャントは切削対象領域の材料と反応し、固体材料を溶解。マスクアントと呼ばれる不活性物質が、レジストとして材料の特定領域を保護します。

応用

エッチングはプリント基板と半導体製造業界で応用されています。航空宇宙産業では、大型航空機部品、ミサイル皮膚パネル、機体用押出部品から浅い層の材料除去に使用されます。

エッチングは集積回路とMEMS（マイクロ電気機械システム）の製造に広く使用されます。標準的な液体ベース技術に加え、半導体業界ではプラズマエッチングも一般的に使用されます。

2. ケミカルブランク

ケミカルブランク、フォトメイキング、フォトバイブレーション、フォトエッチングはケミカルミリングのバリエーションです。このプロセスでは、化学作用により多くの領域から材料が完全に除去されます。

主にシートと箔に使用されます。ほぼすべての金属がこのプロセスで加工可能ですが、2mm以上の材料薄肉化には推奨されません。

ワークは洗浄、還元、酸またはアルカリで選択処理。洗浄した金属を乾燥させ、フォトレジスト材料をディップ、ワールコーティング、スプレーで塗布。乾燥・硬化させます。写真材料を用いてフォトレジスト材料に耐久性のある画像を生成。

このタイプのマスクは特定周波数の光（一般に紫外線）に感度があり、室内光には感度がありません。この表面をネガ（所望設計の写真版）を通して光に露光します（製版と同様）。露光後、像を現像。予期せぬ部分が現像プロセスで剥離し、裸の金属が露出します。

金属を機械にセットし、化学薬品をスプレーまたはスラリーに浸漬。エッチング液はフッ化水素酸（チタン用）やその他多数の薬品。1〜15分後、不要な金属が溶解し、完成部分がアッシュ除去の準備完了。

3. ケミカルエングレービング

プリント基板、その他彫刻操作、複雑な設計の切断は、フォトレジストマスクアントを用いてケミカルブランク加工できます。

• 極薄金属（0.005mm）も良好に加工可能。
• ±0.015mmオーダーの高精度を維持可能。
• 自動化写真技術を用いて高生産率を達成可能。

ケミカルマシニングの応用

• 金属除去深度が数ミクロン単位で重要であり、公差が厳しい用途に多数適用。
• プロセスで得られる表面仕上げは0.5〜2ミクロンの範囲。
• 鍛造品、鋳造品、押出品、成形圧延材など、形成済みや不規則形状部品の一部分または全表面から金属を除去可能。
• ケミカルマシニングの主要用途の一つは、バリフリーで複雑なスタンピング部品の製造。

ケミカルマシニングの利点と欠点

• 利点：ワークが歪まない、バリが発生しない、最も加工困難な材料にも容易に適用可能。
• 欠点：プロセスが遅いため、通常大量生産や2mm以上の厚み加工には不向き。
• 小型部品は1枚のプレートで10〜100個同時に製造可能で、生産速度を向上。