數(shù)字噴墨打印技術(shù)在PCB字符工藝中的應(yīng)用

盧玉蛟 黃哲赟 李 寶

（江蘇銳畢利實業(yè)有限公司，江蘇 鹽城 224056）

數(shù)字化文字噴印機的原理是根據(jù)從CAD或CAM得到的文件資料將特定的文字墨水噴印到電路板上，并通過紫外燈實現(xiàn)即時固化從而完成字符工藝的過程。這種字符噴印技術(shù)消除了網(wǎng)版制作的過程與設(shè)備，帶來的是節(jié)省了場地與空間、明顯減少材料消耗（特別是底片等）、縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期、減少了環(huán)境污染、降低了成本。另外，數(shù)字化的文字噴印機具備CCD自動定位功能，可有效解決線路板漲縮問題。且噴印的方式可確保字符線條的連續(xù)，從而可解決絲印過程中落差位置常見的字符殘缺不清?；谝陨蟽?yōu)點，數(shù)字化的文字噴印機對于改善PCB的字符品質(zhì)和縮短生產(chǎn)流程都是極其有利的。它的發(fā)展壯大也必將成為PCB生產(chǎn)發(fā)展的方向之一。

1 數(shù)字噴墨打印技術(shù)

數(shù)字噴墨打?。―igital Inkjet Printing）技術(shù)，它是以加成法按照計算機預(yù)先設(shè)計好的數(shù)字模型于承載物上噴印形成所需要的二維或三維圖形。目前，數(shù)字噴印的方法有兩種：連續(xù)噴射式（Continuous Ink-Jetting,CIJ）[1]和按需噴射式（Drop-On-Demand, DOD）[2]，而較常用的為按需噴射式中的壓電式噴射原理。

1.1 噴墨打印技術(shù)原理

現(xiàn)以壓電式噴射原理為例來說明噴墨打印的原理。壓電式噴頭是在壓電器件上施加電信號，使其產(chǎn)生變形并擠壓噴頭內(nèi)的液體而將液體噴出。壓電式噴頭由壓電陶瓷片，噴嘴和小容腔組成，在壓電陶瓷片上未施加驅(qū)動信號時，小容腔內(nèi)的液體壓力足夠低，液體因表面張力而保持在小容腔內(nèi)；需要噴射時，在壓電陶瓷片上施加一個脈沖電壓，壓電陶瓷立即發(fā)生微米級變形，在此作用下，小容腔的體積迅速縮小，產(chǎn)生朝向噴嘴的壓力波，此壓力波克服噴嘴中的壓力損失和液體的表面張力，使噴嘴處開始形成一個液滴，并從噴嘴噴出。然后壓電陶瓷片和容腔恢復(fù)原狀，由于表面張力的作用，新的液體進入噴頭的小容腔[3]。噴頭工作原理見圖1。

噴墨打印機噴出的液體小滴尺寸接近于玻璃管小孔的直徑。目前，玻璃管小孔的直徑可達到小于100 μm，主要是由玻璃管小孔的直徑來決定，每秒鐘可噴射4000小液滴，而每滴的體積可小到3皮升（pL，10-12L）。這種數(shù)字噴墨打印機只有在噴墨打印定量模式確定后，才會產(chǎn)生噴射小滴，而噴射位置、面積和厚度等將由CAD數(shù)據(jù)或存儲數(shù)字所形成的數(shù)據(jù)化驅(qū)動或控制打印頭和打印機，可以達到精確控制與重復(fù)生產(chǎn)的要求[4]。

1.2 文字墨水及紫外固化

在數(shù)字噴墨打印技術(shù)中，油墨材料的性能是至關(guān)重要的，不僅選用的油墨材料噴印性能要符合工藝標準，而且油墨材料必須與噴墨打印頭結(jié)構(gòu)相匹配，并保證在操作溫度下和整個操作過程中穩(wěn)定、經(jīng)久耐用。應(yīng)用于PCB工藝的文字噴印墨水需同時滿足線路板行業(yè)的一系列IPC規(guī)范、信賴性要求和環(huán)保標準。因此，文字墨水的各項性能都必須達到最佳化。

1.2.1 油墨材料的黏度（Viscosity）和表面張力（Surface Tension）。

油墨的黏度和表面張力將會影響噴墨管口的堆積、墨滴形狀、墨滴擴散狀態(tài)等性能，當(dāng)然改變噴射管的溫度和電壓也會影響這些參數(shù)。一般來說在墨水的噴射溫度范圍內(nèi)，噴射墨水的黏度需控制在10 mPa?s ～ 40 mPa?s，液滴體積可達10 pL ～ 140pL，噴射液滴直徑可小至30 μm。且噴射液滴的體積和噴頭驅(qū)動電壓之間呈線性關(guān)系，能通過調(diào)整驅(qū)動電壓來改變液滴體積，見圖2[3]。

圖2 液滴體積和驅(qū)動電壓的關(guān)系

噴墨打印出的墨滴形狀、大小等可用墨滴觀測儀（Drop Watcher Station）進行觀察與測量。噴射出的墨滴不應(yīng)有拖尾狀或伴隨衛(wèi)星液滴，否則會降低噴印質(zhì)量，導(dǎo)致噴印圖形不規(guī)則。 液滴觀測效果見圖3：

1.2.2 優(yōu)化噴墨打印工藝參數(shù)

噴印文字的分辨率是與噴射的墨滴大小和dpi（Drops per Inch）有關(guān)系的，只有噴射油墨的體積越小和dpi越大，噴墨打印的線路圖形分辨力才越高。例如需要達到75 μm線寬、字符大小為0.5 mm的分辨力，必須采用小于6 pL的噴射墨滴和大于1200 dpi才可以；而要達到50 μm線寬、字符大小為0.5 mm以下，則必須采用小于3 pL的噴射墨滴和大于2400 dpi才可以。一般來說，可以通過墨滴大小和dpi的組合來優(yōu)化噴印線路圖形的分辨力[4]。

1.2.3 紫外光（Ultra-Violet，UV）固化系統(tǒng)

數(shù)字噴印的特點決定了其必須采用UV即時固化的固化方式，因此UV燈的選擇就顯得相當(dāng)重要。目前常用的UV燈有汞燈和LED（Light Emitting Diode）燈兩種。汞燈的功率較大（達3KW以上），壽命相對短（約1000小時），且工作時所產(chǎn)生的光譜范圍寬，產(chǎn)生大量的熱量都是墨水固化所不需要的，能量利用率低，因此汞燈在技術(shù)上存在較多弊端，其優(yōu)點是成本相對較低。而LED燈為冷光源無熱量產(chǎn)生，光譜范圍窄，能量利用率高，且功率小（400W左右），壽命長（達2萬小時以上），以上使其成為數(shù)字噴印機固化系統(tǒng)的優(yōu)先選擇方向。但其缺點是一次性成本投入較高。江蘇銳畢利開發(fā)的Hi-print系列高速噴印機即采用LED固化系統(tǒng)，見圖4所示。

以上說明，先進的數(shù)字噴墨打印機對于選擇與其相匹配的UV固化系統(tǒng)非常重要。

1.2.4 文字墨水的基本噴印性能

歌詞十：她立春/她立秋/她人比黃花瘦/霜白了頭/先天下/后天下/黃金屋/顏如玉/百代憂愁/紅磚墻/老牌樓/琉璃瓦/已看透/卻不開口/沉默中/那情天/那淚海/愛和恨/轉(zhuǎn)眼成空/它立春/它立秋/它荒蕪/它重修 海棠依舊/先天下/后天下/黃金屋顏如玉/沽一杯酒/紅磚墻/老牌樓/琉璃瓦/寫著拆/卻不開口

主要包括墨水溶劑的擴散性和落差位置的連續(xù)性。

（1）墨水溶劑的擴散（見圖5和圖6）

圖5 墨水溶劑擴散嚴重

圖6 墨水無溶劑擴散

在線路板行業(yè)中，通常文字設(shè)計距離焊盤最小可達200 μm以內(nèi)，少數(shù)文字甚至直接設(shè)計在銅面上，溶劑擴散過大容易對銅面產(chǎn)生污染，影響后續(xù)的表面處理工藝甚至是組裝廠焊接的可靠性。因此，噴印墨水的溶劑擴散性應(yīng)作為基本性能加以考量。

（2）落差位置的連續(xù)性（見圖7和圖8）

圖7 細線路上粘附性較差

圖8 跨線位置的線條連續(xù)性好

因很多文字設(shè)計在線路上，為保證文字線條的連續(xù)性，需考慮墨水在線路等落差位置處的連續(xù)性，保證文字噴印在落差位置仍然清晰可辨識。

1.2.5 文字墨水的信賴性

PCB行業(yè)的各種信賴性測試項目及方法見表1。

1.3 數(shù)字噴墨打印設(shè)備的總要求

（1）具有較高的設(shè)備運動精度；

（2）具有可操作CAD/CAM數(shù)字資料的操作系統(tǒng)軟件；

（3）對在制板具有固定和防止翹曲裝置；

（4）具有精確的CCD定位裝置；

（5）具有UV固化功能；

（6）具有自動加墨裝置；

（7）具有打印頭的清洗和維護設(shè)置；

（8）具有批量生產(chǎn)的能力。

1.4 數(shù)字噴墨打印機生產(chǎn)能力

噴墨打印機對于在制板（Panels）的生產(chǎn)率將取決于一系列因素，如噴墨打印速度、噴墨打印頭數(shù)和分辨率dpi等。在保證噴印圖形質(zhì)量的前提下，提高噴印速度，增加噴墨打印頭數(shù)量和分辨率都有利于提高生產(chǎn)率。目前市面上的數(shù)字噴印機生產(chǎn)效率僅可達到20面/h～40面/h，僅適用于小批量的樣品制作。若要應(yīng)用于規(guī)模化生產(chǎn)，噴印效率需達到100面/h以上。數(shù)字噴墨打印技術(shù)應(yīng)用于撓性板（Flexible Printed Circuit，F(xiàn)PC）是最容易實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的，特別是采用卷對卷式（Roll-to-Roll，Reel-to-Reel）自動化連續(xù)生產(chǎn)是最可取的方法。江蘇銳畢利開發(fā)的Hi-print系列高速噴印機最小噴印線寬可控制在80 μm～120 μm之間，能基本滿足線路板所有的文字工藝要求。目前江蘇銳畢利正在開發(fā)的下一代高速噴印機型最小線寬可達到5 μm ～ 20 μm之間，屆時將可大大提高文字噴印的制程能力。

2 數(shù)字噴墨打印技術(shù)應(yīng)用于PCB文字工藝的優(yōu)勢

數(shù)字噴印技術(shù)應(yīng)用于PCB文字工藝和傳統(tǒng)工藝相比其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在縮短流程，固有技術(shù)難點的有效克服和綠色環(huán)保。

2.1 生產(chǎn)流程的縮短

數(shù)字噴印技術(shù)和傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷流程的對比如圖9：

圖9 數(shù)字噴印技術(shù)和傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷流程對比

由圖9可見，數(shù)字噴印技術(shù)可根據(jù)CAD或CAM資料直接噴印文字圖形并即時固化，可有效節(jié)約網(wǎng)版制作和文字烘烤流程，明顯提高生產(chǎn)效率。

2.2 有效克服傳統(tǒng)絲印固有的技術(shù)難點

2.2.1 不規(guī)則的尺寸漲縮問題

不規(guī)則的尺寸漲縮問題一直以來都是PCB制造行業(yè)的技術(shù)難點，這種困擾在傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷中表現(xiàn)得尤為明顯，特別是高精度的高密度電路板（HDI），很容易因線路板不規(guī)則的尺寸漲縮導(dǎo)致文字圖形偏移。而數(shù)字噴印機則具有精確的CCD自動對位功能，可根據(jù)線路板不同的尺寸變化自動調(diào)整文字圖形大小，使需噴印的數(shù)字圖形尺寸和在制板實際尺寸相吻合，因而可有效解決漲縮帶來的困擾。

2.2.2 落差位置的文字殘缺不清問題

因絲網(wǎng)印刷本身的特點使得在高低落差位置油墨難以印得下去，導(dǎo)致文字線條不能保持連續(xù)性，容易出現(xiàn)模糊不清的現(xiàn)象（見圖10）。而數(shù)字化的文字噴印機可保持墨水噴印的連續(xù)性，因而可以輕易得克服以上問題（見圖11）。

圖10 落差位置的絲印效果

圖11 落差位置的數(shù)字噴印效果

2.3 綠色環(huán)保

因數(shù)字噴印技術(shù)無需制作網(wǎng)版，所以可避免網(wǎng)版在制作和清洗過程中產(chǎn)生大量的有機廢液。江蘇銳畢利開發(fā)的文字墨水可同時滿足ROHS、Reach（歐盟關(guān)于化學(xué)品注冊、評估、授權(quán)與限制的一項法規(guī)）和無鹵素等要求，更加符合綠色環(huán)保理念。

3 結(jié)論

數(shù)字化的文字噴印機具有生產(chǎn)周期短、噴印質(zhì)量高和綠色環(huán)保的優(yōu)點，所以采用具有前端技術(shù)的壓電式墨滴打印頭的噴墨打印機和最新開發(fā)的UV型文字墨水，完全可以滿足PCB行業(yè)文字工藝的生產(chǎn)，今后甚至可擴大到內(nèi)層線路抗蝕刻圖形和阻焊層的噴印。但若要完全滿足整個PCB影像制程的需求，仍要進一步提高數(shù)字噴印的精細化性能。從總的發(fā)展方向來看，數(shù)字噴墨打印技術(shù)將會成為PCB工業(yè)生產(chǎn)新的生力軍，對于PCB生產(chǎn)技術(shù)的革新產(chǎn)生重要的影響。

[1]Richard S. Fluid droplet recorder. US 3596725,1971-07-27.

[2]Radio Corporation of American. Jet sprayer actuated by supersonic waves. US 2512743, 1946-04-01．

[3]王運贛, 張祥林. 微滴噴射自由成形[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2009:35-36．

[4]林金堵. 應(yīng)用于PCB蝕刻線路的數(shù)字噴墨打印技術(shù)[J]. 印制電路信息, 2008(3):8-14．