미세 가공은 금속 등을 미세하게 가공하기 위해 널리 사용되고 있습니다.
본 기사에서는, 미세 가공의 종류, 사용되는 분야, 설계의 포인트, 공정에 대해 알기 쉽게 해설합니다.
목차
미세 가공이란?
미세 가공은 금속을 임의의 형상으로 가공하는 방법의 일종이다. 미크론 단위로 가공이 가능하기 때문에 다양한 전자 부품, 반도체 부품, 산업용 부품의 제조에서 활약하고 있습니다.
미세 가공에서는 가공 전의 금속에 제품 패턴을 전사하고 남은 부분만을 마스킹합니다. 그 후, 마스킹되지 않은 부분의 금속을 미세 가공용 액이나 미세 가공용 가스로 부식 용해해, 임의의 형상으로 가공합니다.
이 제품 패턴을 복사하기 위해서는, 미리 원판의 작성이 필요합니다. 이 원판을 사용하면 같은 형상의 대량 생산이 가능하기 때문에 미세 가공은 비용과 양산성이 뛰어난 가공 방법입니다.
금속을 부식 용해하는 방법에는 용액으로 용해하는 습식 미세 가공과 플라즈마 등을 사용하는 건식 미세 가공이 있습니다.
습식 미세 가공
습식 미세 가공은 산이나 알칼리 등으로 이루어지는 미세 가공용 액에 의한 부식 작용을 이용한 방법입니다. 건식 미세 가공보다 약액이나 장치의 비용이 낮고, 부식 부분 이외에의 데미지가 적은 것이 특징입니다.
건식 미세 가공
건식 미세 가공은 진공 장치 내에서 반응성 기체나 이온, 라디칼을 금속 표면에 부딪혀 불필요한 부분을 제거하는 방법입니다.
건식 미세 가공은 특히 반도체 분야에서 보다 미세한 가공이 요구되는 경우에 적합합니다. 한편, 장비와 가스는 매우 비싸고 장비 관리에는 높은 기술이 필요합니다.
반도체 제조 분야에서는 향후 점점 미세한 가공이 요구되고 있기 때문에, 건식 미세 가공은 주목을 받고 있습니다.
미세 가공이 사용되는 분야
미세 가공은 높은 정밀도의 가공이 가능하기 때문에 다양한 분야에서 사용되고 있습니다.
금속 가공 분야
미세 가공은 철이나 구리, 스테인레스, 니켈, 알루미늄 등 다양한 금속의 가공이 가능합니다.
프레스 가공이나 레이저 가공에서는 어려운 복잡한 형상에서도 미세 가공이라면 높은 정밀도로 실현할 수 있습니다. 형상마다 금형을 만들 필요가 없기 때문에, 단납기나 대량 생산에도 적합합니다.
버나 변형 등의 불량도 발생하기 어렵고, 각종 필터나 지그, 밀봉 캡, 설비용 스페이서 등의 제품의 제조에 사용되고 있습니다.
반도체 제조 분야
미세 가공은 반도체 제조 분야에서 빼놓을 수 없는 가공 방법입니다.
반도체의 IC칩 회로 패턴 제조에서는 기판에 회로를 형성하여 불필요한 부분을 제거합니다. 이 공정에서는 미크론 단위의 정밀도가 요구되므로 미세 가공이 적합합니다.
그 밖에도 반도체 제조의 후공정에서 사용되는 리드 프레임의 제조에도 미세 가공이 이용됩니다. 리드 프레임은 IC 칩을 지지하고 외부 단자와의 전기적 접속을 제공하는 금속 프레임으로, 부분적으로 미세 가공이나 하프 미세 가공된 구리 등이 주로 사용됩니다.
유리 가공 분야
미세 가공은 디자인성이 높은 유리의 제작에도 사용됩니다.
미세 가공용 액으로는 불산(불화수소산) 등이 사용되며, 분사 방법에 따라 불투명감이나 매끄러움 등을 표현할 수 있습니다.
의료 분야
높은 안전성이 요구되는 의료 분야에서도 미세 가공은 빠뜨릴 수 없습니다.
예를 들어 보청기에서 사용되는 필터는 물을 통과시키지 않는 미크론 단위의 최소 드릴링이 필요합니다. 미세 가공은 높은 정밀도의 드릴링이 가능하므로 이 필터의 제조에 적합합니다.
그 밖에도 카테테르나 두개판 등 다양한 제품에 미세 가공이 응용됩니다.
미세 가공의 설계 포인트
미세 가공에는 원리적으로 다양한 제약이 있으며, 이 제약의 이해는 미세 가공의 설계 포인트가 된다.
미세 가공 정밀도
미세 가공의 가공 정밀도는 사용하는 금속의 종류나 판 두께에 의해 좌우됩니다. 재료가 두꺼워지면 그만큼 금속을 부식 용해해야 하며 가공 시간이 걸리고 정밀도가 저하됩니다.
습식 미세 가공의 가공 치수 정밀도는 일반적으로 판 두께의 ±10% 정도이며, 재료의 두께가 0.3mm이면 +/-0.03mm의 치수 공차라고 생각됩니다.
더욱 고정밀도를 요구하는 경우는, 건식 미세 가공을 검토하는 편이 좋을 것입니다.
홀 직경과 판 두께의 관계
미세 가공하고 싶은 부분의 폭(홀 직경)은 판 두께의 1.1~1.5배 이상의 치수가 필요합니다. 홀 직경이 지나치게 작으면 충분히 미세 가공용 액이 진행되지 않기 때문에 금속을 관통할 수 없습니다.
또한, 미세 가공하지 않는 부분의 폭(잔여 폭)도 너무 작으면 내구성에 문제가 있습니다. 일반적인 남은 폭의 최소 치수는 판 두께의 50~100%입니다.
미세 가공의 아르 설계
미세 가공은 부식 용해에 의해 금속을 가공하는 기술이기 때문에, 깎인 금속 단면의 모서리는 U자와 같은 둥근을 띠게 됩니다. 둥근 정도는 금속의 판 두께에 따라 다릅니다만, 일반적으로는 내각은 판 두께의 80%, 외각은 판 두께의 50% 이하가 기준입니다.
미세 가공 공정
1 원판 만들기
미세 가공을 하기 전에, 작성하고 싶은 형상의 원판을 작성합니다. 원판에는 차광부와 비차광부가 표현되어 도면을 바탕으로 CAD로 작성됩니다. 원판은 제품의 치수 품질에 영향을 미치므로 높은 정밀도가 필요합니다.
원판에는 미세 가공 원판, 마스크, 마스크 패턴 등 다양한 호칭이 있습니다.
2 금속판을 탈지 세정한다
먼저 금속의 앞뒤를 탈지 세척합니다. 다음 공정에서 금속과 레지스트의 밀착 강도를 높이기 위해 알칼리 세정액 등으로 금속 표면에 붙은 유분이나 이물질을 제거하기 때문입니다.
3 금속판에 레지스트를 도포한다
다음은 금속의 표리 전면에 레지스트의 라미네이트, 혹은 레지스트액의 도포입니다. 레지스트는 감광성을 가지는 물질로, 빛을 비추면 경화합니다.
이 레지스트로 마스킹된 부분은 미세 가공이 되지 않기 때문에, 결국 제품으로서 남는 부분이 됩니다.
4 금속판을 노광하고 원판을 전사한다
레지스트 위에 1의 원판을 씌워 빛(자외선)을 조사합니다. 원판의 비차광부에 해당하는 레지스트만이 노광되어 원판의 형상이 전사됩니다. 한편, 원판의 차광부에 해당하는 레지스트는 감광하지 않습니다.
5 금속판을 현상 처리한다
금속판을 현상하여 4로 감광하지 않은 레지스트만을 제거합니다. 레지스트가 제거되면 금속면이 노출되고 필요한 부분만이 레지스트로 마스킹된 상태가 됩니다.
6 금속판을 미세 가공(부식 용해)한다
이 금속 앞뒤에 금속을 부식 용해시키는 미세 가공용 액이나 미세 가공용 가스를 불어 넣습니다. 레지스트로 마스킹되지 않은 부분만이 미세 가공(부식 용해)되어 필요한 형상만이 남습니다.
7 금속판에서 불필요한 레지스트 제거
미세 가공 후, 금속의 앞뒤에 남아있는 레지스트의 제거입니다. 제거 후 세정 건조를 실시합니다.
8 제품 검사 수행
외관 검사나 치수 검사 등을 실시해, 품질에 문제가 없는지를 체크해 완성입니다.
정리
미세 가공은 광범위한 분야에서 이용되고 있다. 특히 우리의 일상생활에 빠뜨릴 수 없는 반도체 제조에 있어서 빠뜨릴 수 없는 기술로 앞으로도 점점 주목이 높아질 것입니다.
