光化学加工（Photochemical Machining, PCM），又称光化学蚀刻或化学铣削，是专为薄板金属精密成形设计的非接触加工技术。它利用光刻与化学腐蚀相结合，避免传统机械加工（如冲压、激光切割）带来的应力、毛刺与热影响区，特别适用于厚度 0.02~1.5mm 的片材，实现微米级公差与复杂几何结构。该技术源于 20 世纪 60 年代印刷电路板产业，已广泛应用于航空航天、电子、医疗器械等领域，支持从原型到批量生产的快速迭代。
PCM 工艺核心流程与参数控制
PCM 工艺分为七大步骤，每步参数直接影响微米精密度：
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材料准备与清洗：选用不锈钢（304/316）、铜、黄铜、铝合金、Inconel 等薄板，厚度 t=0.025~0.5mm 为最佳（>1mm 侧蚀加剧）。表面粗糙度 Ra<0.4μm，经碱性除油 + 酸洗，确保光阻附着力> 5N/cm。清单：去离子水冲洗 pH=7，干燥温度 80°C<5min，避免氧化。
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涂布光阻（Photoresist）：干膜或湿膜光阻（如负性胶，厚度 10
50μm），辊涂或旋涂均匀度 < 2μm。烘干温度 90110°C，时间 10~20min。参数：光阻厚度 = 材料 t 的 20%~50%，防侧蚀。 -
曝光（Exposure）：UV 光源（i-line, 365nm），剂量 200
800mJ/cm²，通过菲林掩模（分辨率 > 1000dpi）转移图形。对准精度 < 5μm，时间 530s。优化：真空贴合，减少衍射。 -
显影（Development）：碳酸钠溶液（20
30g/L, 30°C），喷淋压力 0.20.4MPa，时间 1~3min。显影后图形线宽公差 ±5μm。 -
蚀刻（Etching）：核心步骤，双面喷淋蚀刻液。铜用 FeCl3（40
50% wt, 50°C，蚀刻率 2040μm/min）；不锈钢用 H2SO4+HCl（蚀刻率 515μm/min，4555°C）；铝用 NaOH（蚀刻率 1030μm/min，60°C）。喷嘴压力 13bar，流量均匀 ±10%。侧蚀因子（undercut factor）控制在 0.8~1.2（即侧蚀深度 = 垂直蚀刻深度的 80%~120%），通过新鲜蚀刻液循环（过滤 + 再生）实现。公差公式：Δd = ±0.1t（t 为厚度），微米精密需 t<0.1mm。 -
脱膜与后处理：NaOH 脱胶（10%, 50°C），超声清洗 + 热风干燥。二次工艺：电镀 Ni/Au（厚度 1~5μm，提升耐蚀）、弯曲成形（半蚀刻折线，R_min=t）。
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检验：光学显微镜 + CMM，孔径 / 间距公差 ±0.01mm，表面 Ra 0.1~0.3μm。
蚀刻速率 η 随温度每升 10°C 增 1.5 倍，浓度每增 10% 增 20%，但 > 60°C 易过蚀。实际生产中，监控 pH 1~2、Fe2+/Fe3 + 比 > 3:1，避免钝化。
微米精密与复杂几何的优势证据
PCM 无机械力，零件应力 <1MPa（冲压> 100MPa），无毛刺（Ra<0.5μm vs 冲压 5~10μm）。Fathom Manufacturing 报道：“PCM 产生精确形状、无毛刺金属零件，支持超出硬工具能力的复杂零件。” 复杂几何如微滤网（孔径 50μm，密度 5000 孔 /cm²）、RF 屏蔽罩、弹簧片簧，实现 90° 锐角（激光热变型）与网格（线宽 20μm）。
参数清单落地：
- 掩模设计：CAD 补偿侧蚀（过切量 =η× 时间 × 因子），最小特征 t 的 110%，孔间距 > t。
- 设备阈值：蚀刻机喷淋速度 0.5~2m/min，温度波动 <±1°C，液循环率> 95%。
- 监控点：在线蚀刻率测试（重量法，每批 5 点），缺陷率 < 0.5%（显微镜 + AI）。
- 回滚策略：过蚀 > 20% 报废；优化：分段蚀刻（浅蚀 + 深蚀），产量 > 10k 件 / 天。
风险控制与优化
风险 1：侧蚀导致公差超 ±15% t—— 限 t<0.3mm，喷射蚀刻> 浸没（效率 5~10 倍）。风险 2：环境蚀刻液废置 —— 中和 + 膜分离，回收率 > 90%。优化：MES 数字化，实时 pH / 温度反馈，良率 > 98%。
PCM 在 sheet metal 精密领域的落地性强，低工具成本（菲林 < 100 元 / 版），原型 37 天，批量交期 810 天。适用于 5G 滤波器、电池极耳、微电机定子等，推动硬件系统微型化。
资料来源：Fathom Mfg (fathommfg.com/newcut)；PCM 工艺文献（百度学术等）。