喷墨印刷技术在印刷电路板中的应用

　　近些年来，印刷技术一直处于技术革命的前沿，喷墨技术技术就是计算机辅助控制印刷技术的产物。它是一种无接触、无压力、无印版的印刷技术活动，其工作过程是先将计算机存储的图文信息输入喷墨印刷机，再通过特殊的装置，在计算机的控制下，由喷嘴向承印物表面喷射雾状墨滴，根据电荷效应在承印物表面直接成像承印材料，得到最终的印刷品。质量控制

　　在20世纪90年代初期，就有人预见到该技术会在PCB生产中得到推广应用，并且将可能成为主导PCB生产的技术。喷墨印刷技术的优点已经逐步被人们所认识和理解，由于喷墨印刷机可以直接采用常规的数据格式（如Gerber），CAD/CAM的数据可以通过喷墨头形成所需要的抗蚀线路和图形、直接形成导电图形与线路以及埋嵌无源元件等，避免了传统的图形转移等一系列的设备和工艺过程装订，不仅“非接触式”形成了线路和图形，而且明显提高了位置精度。因此，喷墨印刷技术在PCB工业中的应用前景是美好的，市场潜力是巨大的。

　　传统PCB制造技术

　　传统PCB配线的制造过程非常复杂，需要经过微影过程、使金属附着于基板的过程和将金属加工而形成配线的蚀刻制造过程商业轮转在中国，最后才在基板上出现所要的配线，且目前的微影技术已达到线宽的极限，无法再提高封装密度。而使用喷墨印刷技术来喷射金属粒子便可克服此问题，且不需要使用微影过程和蚀刻过程就可以形成配线，从而简化制造步骤。使用传统的制造技术设备维护与保养，当配线形状改变时必须改变微影制造过程所使用的光罩，这样不仅会增加光罩制作的时间和成本，连印刷电路板的种类或生产线都需要改变。相比之下，使用喷墨印刷技术，无须进行生产线的改变和元件的准备其他包装，只要将CAD资料直接输入喷墨打印装置，即可达到改变配线的目的。收购

　　还有目前使用丝网印刷来制作印刷电路板，其工艺流程包括制阻焊膜底片→冲底片定位孔→清洗印制版→配制油墨→双面印刷→预烘→曝光→显影→热固，这个过程是非常复杂的。随着电路板线宽减小，对丝网印刷机的要求逐渐提高唐山玉印，印前准备时间也逐渐延长，这就造成了成本的增加;随着电路板厚度的减小，印刷压力也必须随之调整，压力过大电路板会损坏，过小则印刷质量不能符合要求。而且丝网印刷所造成的污染较大经营管理，也无形中提高了制造成本。组合印刷

　　喷墨印刷技术

　　随着对喷墨印刷技术的持续研究与开发，喷墨印刷技术已经取得很大的突破与进展。特别是自2005年以来，喷墨印刷机、喷墨打印头和墨水等方面的重大突破与进展，如日本产业技术综合研究所开发的能够喷射小到1～2pL的墨滴的超级喷墨印刷技术（Super-Inkjet Technology）的设备，还有适宜于规模化生产的UV固化喷印墨水打样，特别是研制出的含银纳米级油墨（或称OM/Ag，有机金属/银络合物），为用于生产精细到10～20μm的线宽/间距的PCB产品提供了条件。近年又开发出更高级的超级喷墨印刷技术，其喷射出的墨滴可以小到飞升（1fL=1×10-15L），即喷射出的墨滴尺寸可小到1μm以下电子商务，从而可形成线宽小于3μm的线路。这些成果吸引了PCB制造商，为PCB企业生产精细化产品、实现节能减排提供了选择的机会和新的出路。

　　1.喷墨印刷原理

　　现以按需式压电材料引起墨水体积改变而形成喷墨墨滴为例来说明喷墨印刷的原理。利用电压脉冲驱动压电陶瓷元件（简称PZT）使之产生变形，挤压墨水腔内的墨水。当产生瞬间的压力足以克服流体的表面张力时，墨水由喷嘴口喷射出，在墨滴喷出的过程中经营管理，由于移除电压时所造成的压电陶瓷元件反方向的应力会使墨滴串产生颈缩现象，从而导致墨滴脱离喷嘴口。知识产权

　　压电式喷墨头因不需要将喷液汽化，所以可用来喷射任何配制好的液体或金属熔液，也可喷射分散在水中的各种各样的溶剂、水溶液、熔化的焊料与聚酯、有机金属和纳米金属颗粒的溶液（墨水）。这种设备可在室温至340℃的温度范围内进行操作。喷出的液滴可小到几个pL，每秒可喷出几千个小液滴。这种数字喷墨打印机只有在喷墨打印定量模式确定后上光，才会产生喷射墨滴，而喷射位置、面积和厚度等将由CAD数据或存储数字所形成的数据化驱动来对印刷机和打印头进行控制，以达到精确控制液滴大小和重复生产的要求。

　　2.喷墨印刷设备

　　目前供水/润版，喷墨印刷设备不仅仅局限于办公用喷墨打印机方面，已经进入了专业化的阶段。如在日本和美国市场推出的用于满足PCB生产规模化要求的喷墨印刷设备。在喷墨印刷机中的主要性能和要求包括以下几个方面。

　　（1）喷墨头（嘴），它喷射出的墨滴大小和分辨率直接影响到线路的尺寸与精细度。

　　（2）生产效率，即在单位时间内可形成“在制板”数量，它关系到是否能进行规模化生产和成本问题。目前市场化的产品有日本CicroCraft k.k.的MJ6151系列和美国的Printar公司的GreenjetTM系列等产品。MJ6151系列喷墨印刷机装订，其印刷的分辨率为300～600dpi，喷射墨滴量最小为30pL，形成的线宽在80～150μm之间，只能满足一般PCB线路密度的要求。因此必须开发更小的喷射墨滴量，更高的喷印分辨率胶印机，才能获得更小的线宽。如果印刷的分辨率为1200～2400dpi，喷射墨滴量最小为3～6pL，则线宽可达到5～20μm，如图1所示为更细线宽的喷印图形的放大图。对于“金属纳米级油墨”来说，必须开发出具有能够喷射更小“墨滴”（如小于1pL）的喷射头的喷墨打印机耗材，才能满足直接形成5μm以下的线宽的要求。

　　图1 喷印线路图形的放大图

　　（3）喷墨印刷墨水。目前在PCB中，喷墨印刷墨水主要有三大类：①抗蚀/抗镀墨水，用于取代传统干膜与湿膜;②阻焊、字符（含介质层）等墨水，取代常规的阻焊、字符（介质层/绝缘层）等油墨;③直接喷印形成导电图形/线路的金属颗粒墨水（其中纳米级金属颗粒墨水方能完成满足低温烧结要求的优质导电的精细图形和导线）。在这三大类用于印刷电路板喷印的墨水中，第一类和第二类墨水最重要的性能是黏度和触变性连线加工，而第三类墨水的最关键性能是其中的金属颗粒（如银、金、铜等）要达到纳米级。

　　喷墨印刷技术在PCB工业中的应用

　　伴随着“专用”（产业化）的和“超级喷墨”技术的出现，喷射用的打印头和专用墨水，特别是纳米级墨水的改进和突破，现在利用这些高端技术，如超级喷印机和纳米银颗粒油墨等打样，已经可以得到精细的3～5μm的线宽/间距。这些技术、工艺和应用条件的不断成熟和普及，为喷墨印刷技术在PCB领域中的推广应用提供了基础和保证。喷墨印刷技术在PCB工业中的应用主要体现在以下几个方面。供水/润版

　　第一，采用喷墨印刷技术直接形成抗蚀、抗镀图形，阻焊图形与字符。采用这种工艺技术可以减少传统图形转移工艺60%以上的生产过程,节省60%左右的抗蚀、抗镀、阻焊油墨、干膜，减少60%以上有机废水的处理与排放,并可提高产品的合格率设备维护与保养，缩短生产周期,降低图形转移的成本。表1所示为各种图形转移方法所需的工序比较。

　　第二，全部采用喷墨印刷技术直接生产PCB产品，即在基板上喷印导电图形、低温烧结、喷印介质层、喷印填导通孔、低温烧结、喷印导电图形等，以重复形成满足要求的积层板。由于可以喷墨印刷各种无机、有机材料，因此各种电子功能结构材料可以通过印刷集成于电路板之中。除了电极以外还可印刷制作晶体管、电感、电容、电阻、电池等功能组件。从而使印制电子电路发展成为一种全印制电子加工过程、一种崭新的加工工艺上海电气，用于显示器、信号板、传感器、光电池等方面。覆膜

　　第三，采用喷墨印刷技术直接形成埋嵌元　件板和系统封装基板等，从而大大简化生产和封装过程，以达到高密度化，提高电气性能和可靠性。

　　表1 各种图形转移方法所需的工序比较

　　虽然利用喷墨印刷技术开发生产PCB产品还没有进入大规模工业化生产，但是它可以极大地简化PCB的生产过程和缩短生产周期。采用喷墨印刷技术只需要5道左右工序：CAD布图-钻孔-前处理-喷墨印制-固化;不必使用昂贵的生产设备和节省成本裁员，能够达到节能减排的目的，特别是减少了废水的处理量，改善了环境污染，实现了绿色生产;而且这种方式不用掩模，十分灵活设计，生产过程几乎无“三废”，线条精细，可适用于刚性板和挠性基体，可以实现生产方式的高度自动化，多喷头并行动作耗材，从而提高生产能力;可用于三维封装，可实现有源和无源等功能件的集成;同时由于金属纳米材料的低熔点，使得金属线条固化温度有望低至200～300℃。正是这些优点，喷墨印刷技术会在PCB工业中迅速得到推广和应用,并将成为PCB产品生产的主流，给PCB工业带来革命性的变革与进步。

来源：科印传媒《数码印刷》