數(shù)字噴墨打印技術(shù)給PCB業(yè)帶來的機遇與應(yīng)用-標(biāo)準(zhǔn)化文件發(fā)布號：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KIIPAGEPAGE10數(shù)字噴墨打印技術(shù)給PCB產(chǎn)業(yè)帶來的機遇與應(yīng)用李衛(wèi)明王恒義（廣東東碩科技有限公司，廣州廣東510288）PCBPCBPCB制造中的應(yīng)用，包括其主要設(shè)備、主要材料和現(xiàn)存的問題。關(guān)鍵詞數(shù)字噴墨技術(shù)；印制電路板；印制電子中圖分類號：TN41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-0096（2010）2-0053-08PCBPCB術(shù)本質(zhì)上是通過計算機輔助來控制印刷技術(shù)的一種產(chǎn)物，是一種無接觸、無壓力、無印版的印刷技術(shù)。大概的工作過程是先將計算機存儲的圖文信息輸入噴墨印刷機，再通過特殊的裝置，在計算機的控制下，由噴嘴向承印物表面噴射實，該技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域非常的廣泛，如已經(jīng)應(yīng)用于電子標(biāo)簽（RFID）、PCB2007年，Nanoident公司在奧地利開了世界上第一個印制半導(dǎo)體工廠，開始生產(chǎn)光傳感器；同年，G24i公司在英國的一個新工廠里開始生產(chǎn)染色光感太陽能電池（DyeSensitizedSolarCell）（PolymerVisionPrintingRollableElectrophoreticDisplays）進(jìn)行生產(chǎn)，并建立了現(xiàn)代化的可印制電子技術(shù)中心（PETECPrintableElectronicsTechnologyCentre），3000m2的空間，包括高技術(shù)潔凈房、實驗室、研究室和辦公室，專門從事印制電子產(chǎn)品開發(fā)和商品化。數(shù)字噴墨打印技術(shù)許多工作已經(jīng)在歐洲、美國和日本展開。在許多方面歐洲已處于領(lǐng)先地位，例如第一家印制電子廠就在那里出現(xiàn)。它是唯一一個有有機電子貿(mào)易協(xié)會和有關(guān)印制照明（PrintedLighting）（奧地利北部城市）和瑞典的南部都是其重要發(fā)展地區(qū)。另外，在美國的舊金ft（美國加利福尼亞西部港市）地區(qū)和馬薩諸塞州海岸費城（美國賓西法尼亞州東南部港市）地區(qū)與日本的東京、大阪（日本本州島西南岸港市）地區(qū)都在積極的研究印制電子（PrintedElectronics）。韓國和臺灣也都在追上這個步伐。在東亞，許多大型的公司也在研究。不過在歐洲和美國無論大公司還是小公司都在從事該領(lǐng)域的研究工作。在印制工業(yè)（PrintingIndustry）的有力支持下，所有地區(qū)的電子和化學(xué)塑料工業(yè)會有大量的發(fā)展。全球已經(jīng)有非常大量的專利是關(guān)于數(shù)字噴墨打印技術(shù)的。在2006年和2007年這段時間，有大量的關(guān)于印制電子各方面的專利出現(xiàn)，它們來自索尼（Sony）、Toshiba日本東芝公司、Matsushita松下、Mitsubishi三菱、Canon日本佳能公司、Ricoh理光、AsahiKasei、Pioneer、Samsung三星、Philips飛利浦和其它大型公司。2006年之前的預(yù)測和所有的分析都認(rèn)為要達(dá)到大量生產(chǎn)至少需要5年，即2011年。有些專家預(yù)測認(rèn)為印制顯示器（PrintedDisplays）RFID（RadioFrequencyIdentification）SolarCells）NanoMarketsGlenAllen2007年數(shù)字噴墨打印3542011121億美元（1）。2008317日，中國印制電路行業(yè)協(xié)會在上海成立了“全印制電子分會”PCB“全印制電子技術(shù)”（FullPrintedElectronics），PCB工業(yè)在發(fā)展道路上走上了新的起點。各企業(yè)應(yīng)該聯(lián)合攻關(guān)、聯(lián)合創(chuàng)PCB產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。全印制電子電路PCB工業(yè)中的應(yīng)用概述“全印制電子技術(shù)”是指采用快速、高效和靈活的數(shù)字噴墨打印技術(shù)（DigitalPrintingInkjetTechnology）在基板上面形成導(dǎo)電線路和圖形，或形成整個印制電路板的過程。也就是說全印制電子電路是指整個印制電路板的形成過程全部是用噴墨打印技術(shù)來完成的。即該技術(shù)能無掩膜、非接觸地將有機、無機功能材料直接印制于PCB表面，從而能形成高精度的導(dǎo)電線路、導(dǎo)電圖形、阻焊與字符、焊料互連等，再加上能連續(xù)打印就能大大提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。采用“數(shù)字噴墨打印技術(shù)”的“全印制電子”來開發(fā)與生產(chǎn)PCB產(chǎn)品與傳統(tǒng)工藝相比，有三個極大的優(yōu)點，見表1所示。因此“數(shù)字噴墨打印技術(shù)”會在PCB工業(yè)中迅速得到推廣和應(yīng)用，并在不久的將來將成為PCB產(chǎn)品生產(chǎn)的主流?！皵?shù)字噴墨打印技術(shù)”在PCB工業(yè)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在4個方面，見表2所示?！皵?shù)字噴墨打印技術(shù)”在PCB產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用過程也遵循一切事物發(fā)展規(guī)律，從小到大、從弱到強、從局部到整體、從低級到高級。因此“數(shù)字噴墨打全印制電子電路制作工藝雖然利用噴墨印刷技術(shù)開發(fā)生產(chǎn)PCB產(chǎn)品還沒有進(jìn)入全面大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，但它可以極大地簡化PCB的生產(chǎn)過程和縮短生產(chǎn)周期。不用掩模，十分靈活，生產(chǎn)過程幾乎無“三廢”，線條精細(xì)，可適用于剛性板和撓性基體，采用噴墨印刷技術(shù)需要5道左右工序，見圖2所示。CAD/CAM布線首先將CAD/CAM或其他數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)，即需要形成線路或圖形的信息輸入噴墨打印機，是非接觸式的，簡單的圖形轉(zhuǎn)移。而傳統(tǒng)的圖形轉(zhuǎn)移要經(jīng)過多個工序，過程復(fù)雜，產(chǎn)生廢水。各種圖形轉(zhuǎn)移方法所需的工序比較，見表3所示。鉆孔鉆孔工藝與目前使用的鉆孔工藝基本一致，如機械鉆孔、激光鉆孔等。按照實際的情況來選擇鉆孔的方法。前處理為了使基材表面能滿足下道工序的要求，如清潔度、粗糙度等的要求，往往在進(jìn)入下道工序之前進(jìn)行前處理，要根據(jù)實際的需要選擇酸、堿、去氧化或超粗化等的處理。化或超粗化等的處噴墨印制與固化這里把噴墨印制工序與固化工序放在一起的原因是固化工序的選擇要根據(jù)噴墨打印工序過程中采用的油墨種類來決定，通常有非導(dǎo)電性油墨、導(dǎo)電性油墨和其它油墨三種。下面將詳細(xì)介紹不同油墨的噴墨打印工序。非導(dǎo)電性油墨非導(dǎo)電性油墨主要有兩類：①抗蝕/抗鍍墨水，用于取代傳統(tǒng)干膜與濕膜；②阻焊、字符（含介質(zhì)層）等墨水，取代常規(guī)的阻焊、字符（介質(zhì)層/絕緣層）等油墨。數(shù)字噴墨打印機直接把抗蝕劑（抗蝕刻油墨）（或外層）UV光固化后，便可進(jìn)行蝕刻和去膜，從而得到內(nèi)層等要求的線路圖形。同樣也可以進(jìn)行抗電鍍圖形的印刷，其操作過程與抗蝕刻油墨印刷基本相同。采用數(shù)字噴墨打印技術(shù)與工藝來獲得抗蝕刻/抗電鍍圖形，既減少了照相底片的制作過程，又避免了曝光和顯影的過程，其帶來的好處是節(jié)省了場地與空間，明顯地降低了材料消耗（特別是底片和設(shè)備等），縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，減少了環(huán)境污染，降低了成本。更重要的是明顯地提高了圖形的位置度和層間對位度（特別是消除了底片的尺寸變化和曝光對位等帶來的尺寸偏差）。數(shù)字噴墨打印機直接把阻焊劑（阻焊性油墨）或字符油墨直接噴印到PCB在制板上，分別經(jīng)過UV光固化后，便得到最終需要的阻焊劑圖形和字符圖形。用數(shù)字噴墨打印技術(shù)與工藝來獲得阻焊和字符圖形，可明顯提高PCB產(chǎn)品的阻焊和字符圖形的位置精確度，能很好地改善PCB板質(zhì)量和提高產(chǎn)品合格率。阻焊噴鍍通常被認(rèn)為是噴墨印刷最簡單的應(yīng)用，因為PCB的覆蓋率非常高。導(dǎo)電性油墨采用噴墨印制法制造PCB導(dǎo)線和導(dǎo)電圖形的主要工藝，如圖3所示，即對絕緣基板先進(jìn)行表面處理，然后通過打印頭將納米金屬油墨噴印在基板表面上，再低溫?zé)Y(jié)固化成型，便形成金屬布線的電路板。多層線路板采用噴墨印制的工藝流程是采用超級噴墨打印機把金屬納米油墨噴印到無銅箔的基板上形成平面的線路層，然后在這層平面上噴印連接凸塊，即層間的導(dǎo)通柱或電阻也是采用噴墨制成，用于層間連接，然后采用噴墨打印，形成層間的絕緣層，即絕緣材質(zhì)也可以用噴墨打印形成，然后再在絕緣層上形成第二層的導(dǎo)電線路，依此類推，便可形成所需層數(shù)的多層電路板，即全印制電子的印制電路板。主要設(shè)備與傳統(tǒng)PCB所需的昂貴設(shè)備不同，噴墨印制技術(shù)的主要設(shè)備只是一臺噴墨打印機。噴墨印刷系統(tǒng)主要由噴頭、承印物和必要的傳動控制系統(tǒng)構(gòu)成。噴頭和承印物之間處于非接觸的狀態(tài)。噴頭射出的微小墨滴直接附著于承印物上，形成圖文。當(dāng)然不是普通辦公用的噴墨打印機能滿足全印制電子的要求，噴墨打印機對噴嘴和承印物本身也是有較高的要求。如在日本和美國市場已經(jīng)推出的并用于PCB生產(chǎn)規(guī)?；膰娔∷⒃O(shè)備，其主要性能和要求包括以下幾個方面。噴墨頭（嘴），4。PCBPCB規(guī)?；a(chǎn)要求，如500mm×600mm（20in×24in）20s~60sPCB在制板的數(shù)量，它關(guān)CicroCrafk.k.MJ6151系列和美國的PrintarGreenjetTM系列等產(chǎn)品。MJ6151300dpi~600dpi30pL80μm~150μmPCB線路密度的要求。因此必須要開發(fā)更小的噴射墨滴量，達(dá)到更高的噴印分辨率，才能獲得更小的線寬。如果印刷的分辨率為1200dpi~2400dpi，噴射墨滴量最小為3pL~6pL，則線寬可達(dá)到5μm~20μm。目前，已經(jīng)在推出“超級”噴墨打印機，可以量產(chǎn)12μm~20μm、甚至達(dá)到3μm~5μm線寬的水平，那么噴墨打印技術(shù)很快就可用于PCB產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)了。全印制電子電路的主要材料用于全印制電子電路的主要材料包括油墨（導(dǎo)電、非導(dǎo)電、其他油墨）和承載物（基材，絕緣介質(zhì)）。關(guān)鍵材料——油墨。用于噴墨打印的油墨不同于常規(guī)的油墨（特別是黏度和觸變性）。對于全部采用“數(shù)字噴墨打印技術(shù)”直接生產(chǎn)PCB所用的導(dǎo)電油墨，必須是納米級金屬（如銀、金、銅等）顆粒的油墨才能保證在低溫條件下進(jìn)行燒結(jié)，并達(dá)到金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電率。用于印制電路板噴印的油墨中，非導(dǎo)電性油墨最重要的性能是黏度和觸變性，而導(dǎo)電油墨的最關(guān)鍵性能是其中的金屬顆粒（如銀、金、銅等）要達(dá)到納米級。導(dǎo)電油墨納米粒子一般是指顆粒尺寸是在1nm~100nm范圍內(nèi)的超微粒子，納米粒子的制備方法很多，總體上分為兩大類：物理法和化學(xué)法。而以物料的狀態(tài)來分，可分為固相法、氣相法、液相法三大類。目前金屬納米油墨主要用液相法，包括沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳液法、溶劑熱合成法、溶液蒸發(fā)和熱分解法、電化學(xué)法、模板合成法、表面活性劑法、微波合成法、超聲波合成法、光化學(xué)合成法、還有粉末包覆法、原位生成法、摻雜法等方法。納米金屬油墨須滿足噴墨成型工藝所需的物理、化學(xué)性能要求才能被用于全印制電子電路的制備中，具體要求見表5。因具有最高的電導(dǎo)率（6.3×107s/m）（450W/m?K），無機化合物還原成納米粒子；（2）以納米金屬懸浮液制備納米銀油墨。合成時，表面一PVP（聚乙烯吡咯烷酮）10nm~15nm130℃~2002.3μΩcm~4μΩcm。目前10nm以下的油墨只有4種，見表6。1003NanoMasNTS05IJ40型納米銀油墨、CabotCCI-300納米BayInk?納米銀油墨。據(jù)有關(guān)研究報道，用于印制導(dǎo)線與導(dǎo)電圖形的納米油墨最佳粒徑約為2nm，所以需要進(jìn)一步開發(fā)顆粒尺寸更小、燒結(jié)溫度更低、導(dǎo)電性能接近蝕刻銅線的納米金屬油墨，以使其能在多種塑料撓性基板上直接噴墨制線。此外，銀納米油墨的成本還是比較昂貴的，因此許多機構(gòu)也正研究納米銅油墨的制備及改性。由于銅的體積電阻率只增大了12.5%，但成本卻僅為銀的1/100，具有較大的發(fā)展前景。如現(xiàn)有大日本印刷公司與Micro電子公司合作，成功開5nm~50nm1/10，用噴1501minPET2011年實用化。此外，基板種類對導(dǎo)電油墨的性能也有很大影響，油墨一旦印刷到不匹配的基板上，會表現(xiàn)出截然不同的導(dǎo)電性能。因此還需要研發(fā)出一系列適用于不同印制工藝和基板種類的油墨。如美國的EpoxiesEtc公司公布了一種網(wǎng)印、噴印工藝皆適用的新型油墨，可沉積聚酰亞胺薄膜、聚酯薄膜、玻璃和陶瓷等多種基板。非導(dǎo)電油墨（1）抗蝕/抗鍍噴墨油墨使用噴墨方法將抗蝕/抗鍍噴墨油墨直接噴在覆銅板的特殊位置上形成電路圖形,而取代了PCB成品。噴墨技術(shù)的使用不僅提高了布線密UV固化型的噴墨油墨，其組成包括至少兩種丙烯酸酯：含有羧基；聯(lián)型丙烯酸樹脂、耐化學(xué)藥品的丙烯酸樹脂以及能夠快速固化的丙烯酸樹脂等。同時還包括光引發(fā)劑、有機載體和其它添加劑。如導(dǎo)電劑、表面活性劑、光敏劑和光穩(wěn)定劑。其中環(huán)氧丙烯酸酯單體和二聚物對金屬基材有良好的粘附力，并且應(yīng)該選用低黏度、不揮發(fā)的低分子量環(huán)氧樹脂。因此抗蝕/抗鍍噴墨油墨要求有好的粘度和電阻率，并且刻蝕后能形成完好的銅導(dǎo)線。此外，HOPPERALANJOHN20042006330%~90%1%~30%0~20%的聚合物或預(yù)聚物，0~20%0~5%0~5%400.03Pa·s（30cps）/抗鍍噴墨油墨的使用大大消除了傳統(tǒng)抗蝕干膜的使用，污染廢水少，簡化了生產(chǎn)過程，并節(jié)省了大量成本。（2）阻焊/絕緣噴墨油墨PCB板具有優(yōu)越的粘附力，同時應(yīng)具有很好的阻焊性能。PCBIPCSM-840CUL94V-0。KAKINUMAMASAHISA等人報道了一種可光固化和熱固化的阻焊噴墨油墨，其組成是含有丙烯?；蜔峁袒鶊F的70025150mP·asPCB2步，先光照再加熱，所制得的阻焊膜具有良好的耐熱性、耐化學(xué)性、硬度、電絕緣性等。其它油墨除了以上提到的油墨外，還有用于噴印埋置元件用的油墨，要根據(jù)元件的種類和要求，針對其性能，如電容性、電感性、電阻性等，來選用不同的噴印油墨。承印物（介質(zhì)）承印物就是接收油墨的載體，要根據(jù)不同的油墨需要選擇匹配的載體，對于傳統(tǒng)的板材供應(yīng)商，需要應(yīng)對各種各樣的噴墨油墨來研制出相應(yīng)的剛性和柔性板材。如噴墨印刷已被廣泛應(yīng)用于各種形狀和各種材料的表面印刷，無論是有孔還是無孔、平面或曲面、織物或帶筋骨形表面，如塑料、布、紙張、皮毛、陶瓷、玻璃或金屬等。同時噴墨印刷適用于各種速度的印刷，無論勻速、變速或間斷運行，而且適合于連續(xù)不停頓的生產(chǎn)線的作業(yè)。承印物可以是間斷的也可以是連續(xù)的，要看實際生產(chǎn)的需要。全印制電子電路現(xiàn)存的難點和問題點全印制電子電路的制作目前還沒有形成普遍的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，原因是在技術(shù)上和成本上依然存在著一些難點和問題點，歸納了一下，主要有以下一些難點和問題。油墨的流動性噴墨印刷技術(shù)的關(guān)鍵因素是油墨的流動性，這也一直是噴墨印刷工藝面臨的主要挑戰(zhàn)。噴嘴被顆粒物堵塞造成可靠延、擴展或者滲透。因此要控制油墨的流動性，油墨本身必須具備合適的表面張力、粘度、固化性等物理性質(zhì)。墨滴的形成根據(jù)形成墨滴的脈沖壓力方式不同，主要分為壓電晶體振蕩、熱氣泡、靜電吸引等幾種方法，目前常用的主要是壓電晶體振蕩和熱氣泡兩種。墨滴的產(chǎn)生過程在噴墨技術(shù)中占有非常重要的地位，要求所產(chǎn)生的墨滴尺寸穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確地控制。墨滴的大小與噴嘴尺寸有密切關(guān)系，直接影響噴墨印刷系統(tǒng)的一級分辨力（即由噴頭器件的物理尺寸決定