Photochemisches Ätzen (PCM): Geschichte, Prozessschritte & Anwendungen

Das photochemische Ätzen (Photochemical Machining, PCM) – auch Photochemisches Fräsen oder Photoetching genannt – ist der hochauflösende Ableger des chemischen Ätzens. Es fertigt spannungs- und rissfreie Präzisionsteile aus Blech mit scharfen Toleranzen, ideal für Prototypen und Kleinserien.

Einführung

PCM ersetzt beim chemischen Ätzen das konventionelle Maskant durch einen Photolack (Photoresist), der durch UV-Belichtung strukturiert wird. So entstehen komplexe Geometrien auf Metallblechen (0,013–2,03 mm Dicke).

Historische Entwicklung

• 1782: John Senebier entdeckt Lichtverhärtung von Harzen
• 1940er: Kombination Chemisches Ätzen + Photoresist → PCM
• 1960er: Kommerzielle Nutzung beginnt (Luftfahrt, Elektronik)

Definition

PCM fertigt geometrisch definierte Strukturen auf Metallblechen durch UV-Belichtung eines Photolacks und anschließendes chemisches Ätzen der freiliegenden Bereiche.

Funktionsprinzip

1. Reines Blech → Photolackbeschichtung (beidseitig)
2. Fotomaske (CAD-Design, auf Film belichtet) wird präzise aufgelegt
3. UV-Belichtung: Transparente Bereiche → Lack härtet (Negativlack) / erweicht (Positivlack)
4. Entwicklung: Entfernt weichen Lack → freies Metall = Ätzgebiet
5. Ätzen: Reagenz sprüht beidseitig → löst freies Metall
6. Lackabzug (Stripping) → fertiges Teil

Prozessschritte im Detail

1. Design & Druck

CAD-Design → Fotofilm (Standardgröße). Meist zwei Filme (Vorder-/Rückseite). Schwarz/Weiß-Umsetzung je Lacktyp.

2. Blechzuschnitt

Materialwahl (Al, Cu, Messing, Ni, Ag, Stahl, VA, Zn, Ti) passend zum Design. Zuschnitt auf Filmaße. Dicke: 0,013–2,032 mm.

3. Reinigung

Entfernen von Oxiden, Ölen, Fetten (Hochdruckwasser, Alkohol, verd. HCl). Kritisch für Lackhaftung, Maßhaltigkeit, Unterschnittvermeidung. Trocknung Heißluft.

4. Photolackauftrag

Beidseitige Beschichtung (Walze, Sprüh, Tauchen). Zwei Lacktypen:

• Positivlack: Belichtet → löslich (Entwicklung entfernt belichtete Bereiche)
• Negativlack: Belichtet → vernetzt/gehärtet (Entwicklung entfernt unbeleichtete Bereiche)

Wahl passend zum Filmlayout (Negativ/Positiv).

5. Maskenaufbringung

Fotofilme beidseitig präzise auf den Lack laminieren (Vakuumrahmen). Exakte Ausrichtung kritisch.

6. UV-Belichtung

Transparente Filmbereiche lassen UV durch → Lack reagiert. Schwarz blockt. Ergebnis: Differenzierung in harten (Maskant) und weichen Lack.

7. Entwicklung

Entwicklerlösung sprüht beidseitig → löst weichen Lack. Harter Lack bleibt als Ätzmaske. Freies Metall = Ätzgebiet.

8. Ätzen

Durchlaufanlage mit Walzenförderer. Ätzreagenz (sprühend, beidseitig) löst freies Metall. Maskierter Bereich bleibt erhalten.

Ätzmittelauswahl nach Grundwerkstoff:

Werkstoff	Ätzmittel
Ferrolegierungen (Stähle, VA)	Eisen(III)-chlorid (FeCl₃)
NE-Legierungen (Cu, Messing, BeCu)	Kupfer(II)-chlorid (CuCl₂)
Ti, Zn & Legierungen	Kupferbasierte proprietäre Ätzmittel
Ag & Legierungen	Eisen(III)-nitrat
Au & Legierungen	Iodbasierte Ätzmittel

Auswahlkriterien: Oberflächenqualität, Grundwerkstoff, Lacktyp, Ätztiefe, Kosten/Verfügbarkeit.

9. Lackabzug (Stripping)

Stripping-Lösung (konzentrierter als Entwickler) löst Restlack vollständig ab.

10. Endreinigung & Trocknung

Kaltwasserhochdruck, Heißluft. Bei Mehrteillenutzen: Teile per Hand ausbrechen.

Gelber Raum (Yellow Room)

Schritte 4–7 (Beschichten bis Entwicklung) unter Gelblicht (YFT-Röhren, λ > 500 nm) → verhindert unerwünschte Vorbelichtung des Photolacks.

Anlagenausstattung

CAD/CAM, Fotobebilderung, Zuschnitte, Reinigungsanlagen, Beschichtungsmaschinen, UV-Belichter (CNC-gesteuert), Durchlaufätzanlagen, Stripping, Wasch/Trocknen, Qualitätsmessung.

Anwendungen

• Chirurgische Instrumente, Mikrobauteile
• Metallische Dichtungen, Dichtringe
• Feinsiebe, Meshes, elektrische Kontakte, EMI/RFI-Schirmgehäuse
• Gravur feinster Bauteile
• Brennstoffzellenkomponenten, Druckmembranen, Kühlkörper, flexible Heizelemente

Vorteile

• Geometrien unmöglich für mechanische Fertigung
• Gleichzeitiger Materialabtrag aller Flächen
• Gratfrei, spannungsfrei, rissfrei
• Miniaturbauteile aus jedem Metall
• Extrem dünne Bleche bearbeitbar
• Schnell & kostengünstig (Werkzeug = Film)
• Komplexeste Konturen mit hoher Detailschärfe

Nachteile

• Hohe Rüstkosten (Filme, Lacke, Ätzmittel)
• Unwirtschaftlich bei sehr kleinen Losgrößen
• Dämpfe/Gase → Arbeitsschutz nötig
• Tiefe Schnitte begrenzt (Unterschnitt/Undercut)
• Blechdicke max. 2,032 mm