柔性印刷電子噴墨技術(shù)全面解析

李勁+程濤

印刷電子噴墨技術(shù)是近年來(lái)興起的新技術(shù)，筆者近年來(lái)對(duì)柔性印刷電子噴墨技術(shù)做了大量的、有意義的研究和探索，在此詳細(xì)闡述該技術(shù)。

走近柔性印刷電子噴墨技術(shù)

柔性印刷電子噴墨技術(shù)是一種將導(dǎo)電線(xiàn)路打印在酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂等基材上的技術(shù)，也被稱(chēng)為全印制電子技術(shù)。這種技術(shù)適合制作柔性異形線(xiàn)路板、普通線(xiàn)路板、光伏電玻璃、PCB、LCD等。

“柔性”在這里有雙解，一是指柔性介質(zhì)；二是指與傳統(tǒng)的PCB相比，不需要大批量生產(chǎn)，可以利用噴墨技術(shù)特點(diǎn)按需進(jìn)行小批量生產(chǎn)。與常規(guī)印刷導(dǎo)電線(xiàn)路的工藝相比，利用柔性印刷電子噴墨技術(shù)制備導(dǎo)電線(xiàn)路的工藝方法具有制造速度快、環(huán)境友好、工藝簡(jiǎn)單、成本低以及功能多樣化等優(yōu)點(diǎn)。柔性印刷電子噴墨技術(shù)不僅可以使用導(dǎo)電墨水（如納米銀）制備線(xiàn)路板，亦可以利用特殊的半導(dǎo)體、碳、硅等各種介質(zhì)制備電阻、電容、電感、電池、晶體管乃至于集成電路，而這一切都可以通過(guò)打印的方式在一定的介質(zhì)上完成，大大提高了生產(chǎn)效率和降低了生產(chǎn)成本。

柔性印刷電子噴墨設(shè)備的構(gòu)成與工作原理

柔性印刷電子噴墨設(shè)備由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)（可選）等構(gòu)成，如圖1所示。具體來(lái)說(shuō)，柔性印刷電子噴墨系統(tǒng)包括1個(gè)或1組噴頭、噴頭控制板卡、數(shù)據(jù)處理運(yùn)動(dòng)控制卡、PC機(jī)、介質(zhì)放置平臺(tái)、墨路系統(tǒng)、噴頭架及噴頭架運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等裝置，如圖2所示。具體實(shí)現(xiàn)方式為：根據(jù)PC機(jī)中繪制的需要打印的電路圖，噴頭控制板卡控制1個(gè)或1組噴頭噴出特制的墨水，并通過(guò)噴頭架的運(yùn)動(dòng)，在介質(zhì)上印制精密電路。

1.主控系統(tǒng)

柔性印刷電子噴墨設(shè)備要實(shí)現(xiàn)高速、高分辨率等性能指標(biāo)，主控系統(tǒng)是關(guān)鍵。由于噴墨設(shè)備的噴頭較多，數(shù)據(jù)傳送速率較快，傳送量大，因此，主控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)是主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。圖3的虛線(xiàn)框內(nèi)是主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)通過(guò)IIC總線(xiàn)與外圍控制模塊相連，由嵌入式處理系統(tǒng)（MPC8548E）、USB接口電路、數(shù)據(jù)緩存、CPLD噴頭與外圍控制電路以及噴頭數(shù)據(jù)總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)組成。

當(dāng)計(jì)算機(jī)通過(guò)RIP程序啟動(dòng)噴印命令時(shí)，該命令首先通過(guò)USB接口電路的命令通道，由串口傳送到控制器MPC8548E中，MPC8548E的主控程序?qū)γ钸M(jìn)行分析，通過(guò)IIC總線(xiàn)將命令送到各控制模塊，完成對(duì)介質(zhì)厚度的監(jiān)測(cè)、噴頭上下位置的調(diào)整、控制噴頭小車(chē)的X和Y方向運(yùn)動(dòng)等。當(dāng)噴墨設(shè)備完成初始設(shè)置后，RIP傳送數(shù)據(jù)到MPC8548E，MPC8548E的主控程序根據(jù)所需打印的長(zhǎng)度，設(shè)置噴頭小車(chē)電機(jī)的行走距離及其可噴繪區(qū)域，USB接口電路啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，接收RIP的圖像點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)緩存進(jìn)行填充，當(dāng)數(shù)據(jù)緩存填充滿(mǎn)后，USB接口電路發(fā)送指令到MPC8548E，啟動(dòng)CPLD噴頭與外圍控制電路中的噴頭控制狀態(tài)系統(tǒng)和噴頭小車(chē)電機(jī)，當(dāng)噴頭小車(chē)行走穩(wěn)定后，發(fā)出噴墨脈沖及使能信號(hào)，噴頭控制狀態(tài)系統(tǒng)從數(shù)據(jù)緩存中讀取數(shù)據(jù)，寫(xiě)入到每個(gè)噴頭中，控制其進(jìn)行噴墨操作。

2.供墨系統(tǒng)

（1）供墨系統(tǒng)分析

供墨系統(tǒng)是噴墨設(shè)備不可或缺的重要組成部分，良好的供墨系統(tǒng)是噴墨設(shè)備實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量與高可靠性的重要保證。噴頭的屬性各異，其需要配合使用特定性能的墨水，并設(shè)置合理的墨流負(fù)壓。同時(shí)，墨水作為一種化學(xué)物質(zhì)，其特性會(huì)隨著噴墨設(shè)備的環(huán)境及工作狀態(tài)的變化而發(fā)生相應(yīng)改變。這就需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種獨(dú)立工作的機(jī)電一體化供墨系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)油墨特性及供墨流的控制，配合噴頭優(yōu)質(zhì)高效地完成打印任務(wù)。

墨水的黏度及表面張力對(duì)打印墨滴成型有很大影響。其中，墨水表面張力受環(huán)境溫度變化影響不大，而墨水黏度卻隨著溫度變化有較大的波動(dòng)，對(duì)打印工作有較大影響。因此，對(duì)于供墨系統(tǒng)而言，控制墨水黏度是主要任務(wù)之一。墨水黏度與溫度呈負(fù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，特定的溫度范圍決定了墨水的黏度范圍。對(duì)打印工作來(lái)說(shuō)，不同的噴頭對(duì)應(yīng)著不同的最佳墨水黏度，而墨水黏度又與溫度相關(guān)。因此，通過(guò)控制墨水溫度，能夠有效地控制墨水黏度。墨水溫度主要受季節(jié)和早晚溫差影響，特別是低溫墨水的高黏度對(duì)噴頭影響較大，易造成堵頭故障，不僅會(huì)造成打印中斷，而且清洗噴頭會(huì)造成大量時(shí)間和墨水的損失。

此外，供墨負(fù)壓不足會(huì)造成漏墨、白線(xiàn)等現(xiàn)象，而過(guò)大又會(huì)降低噴射速度甚至噴射不暢，造成墨點(diǎn)不飽滿(mǎn)，打印圖像邊線(xiàn)不完整，圖面殘破等。因此，控制供墨負(fù)壓也是供墨系統(tǒng)的主要任務(wù)之一。供墨負(fù)壓一般采用負(fù)壓泵供給和高差負(fù)壓供給兩種方法。其中，前者通過(guò)負(fù)壓泵的控制能夠提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的負(fù)壓，但是需要負(fù)壓傳感器、負(fù)壓泵等額外組件，會(huì)增加設(shè)備成本及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。

（2）供墨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

供墨系統(tǒng)由主墨盒、次級(jí)墨盒、墨泵、過(guò)濾器以及檢測(cè)反饋控制系統(tǒng)等組成，如圖4所示。小容量的次級(jí)墨盒儲(chǔ)存少量過(guò)濾后的墨水，并用指定壓力為噴頭提供墨流。隨著次級(jí)墨盒里的墨水被消耗，墨泵從主墨盒中抽取墨水，并通過(guò)過(guò)濾器補(bǔ)充次級(jí)墨盒里的墨水。檢測(cè)反饋控制系統(tǒng)包括次級(jí)墨盒內(nèi)的液壓傳感器與溫度傳感器，主墨盒內(nèi)的液位開(kāi)關(guān)以及系統(tǒng)控制面板等部件，其通過(guò)檢測(cè)反饋控制系統(tǒng)內(nèi)的傳感器，反饋墨水溫度及墨盒內(nèi)液位等信息給系統(tǒng)控制面板。系統(tǒng)控制面板根據(jù)設(shè)定的程序?qū)λ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，產(chǎn)生對(duì)加熱片及墨泵的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，以此控制供墨系統(tǒng)內(nèi)的墨水溫度、調(diào)節(jié)噴頭負(fù)壓以及保證墨盒內(nèi)墨水容量適宜當(dāng)前打印工作需求。

3.噴頭控制與輔助電路

CPLD噴頭與外圍控制電路包括以下模塊：寄存器組，用于存儲(chǔ)控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的命令以及外部I/O數(shù)據(jù)與狀態(tài)；譯碼器，完成對(duì)寄存器的地址編碼與片選；數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)器，完成包計(jì)數(shù)與點(diǎn)計(jì)數(shù)，當(dāng)噴頭每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送到噴頭后，包計(jì)數(shù)歸零，同時(shí)發(fā)送請(qǐng)求中斷；噴頭控制狀態(tài)系統(tǒng)，完成噴頭數(shù)據(jù)的傳送，控制噴頭噴墨；I/O端口，完成一些繼電器的控制、狀態(tài)檢測(cè)等。endprint

噴頭的每個(gè)噴嘴的腔室都被相互獨(dú)立的壓電陶瓷包裹，通過(guò)圖文數(shù)據(jù)激勵(lì)觸發(fā)脈沖電壓來(lái)控制噴頭是否噴墨，通過(guò)施加在壓電陶瓷上的脈沖電壓控制噴頭噴墨的量。在噴墨打印控制軟件界面上，可通過(guò)“圖片路徑”選擇需要打印的圖像，“噴頭/噴孔選擇”選擇需要打開(kāi)的噴嘴，“波形設(shè)置”設(shè)置噴頭的打印波形。計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)口通信把選擇的數(shù)據(jù)發(fā)送到CPLD噴頭與外圍控制電路中，然后被轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)發(fā)送到脈沖電源中，在需要打印時(shí)，觸發(fā)脈沖波形，噴嘴實(shí)現(xiàn)噴墨；在不需要打印時(shí)，不觸發(fā)脈沖波形，噴嘴不噴墨。

4.介質(zhì)烘干技術(shù)

作為介質(zhì)放置和輸送平臺(tái)，介質(zhì)放置平臺(tái)應(yīng)適合平板介質(zhì)和柔性介質(zhì)。為了使墨水充分干燥，保證其有效的導(dǎo)電率等關(guān)鍵指標(biāo)，通常采用對(duì)介質(zhì)底部基材進(jìn)行加熱的技術(shù)與方法，加熱溫度控制在100～160℃。為了保證基材恒溫加熱，應(yīng)采用溫控系統(tǒng)，以保證溫度合適。

柔性印刷電子噴墨技術(shù)使用的墨水

柔性印刷電子噴墨技術(shù)使用的是一種具有導(dǎo)電特性的特種墨水，其通常由導(dǎo)電銀等構(gòu)成。對(duì)于噴墨系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)選定噴頭之后，墨水為適應(yīng)噴頭，通常需要考慮導(dǎo)電率、黏度、最大顆粒、張力、穩(wěn)定性和pH值等參數(shù)。表1為不同與噴頭相對(duì)應(yīng)的墨水特性。由此可見(jiàn)，墨水指標(biāo)必須與噴頭性能相適應(yīng)，才能使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好。

對(duì)于柔性印刷電子噴墨技術(shù)而言，納米導(dǎo)電銀墨水是最基本的墨水。如果能夠配合研制出合適的硅、鍺、硒、砷化鎵等半導(dǎo)體組成的墨水，就可以在任意介質(zhì)上打印出電阻、電容、電感、半導(dǎo)體元器件、集成電路元器件。相信隨著材料科學(xué)的發(fā)展，這一天會(huì)離我們?cè)絹?lái)越近。

打印精度控制

柔性印刷電子噴墨技術(shù)的應(yīng)用對(duì)象往往是一些異形柔性小型電路，因此對(duì)打印精度要求較高，一般的噴墨打印機(jī)不能保證其打印精度要求。要達(dá)到這個(gè)要求，通?？梢圆扇∫韵路椒ā?img src="https://cimg.fx361.com/images/2018/02/15/yijs201407yijs20140733-3-l.jpg" style=""/>

1.選擇高精度噴頭

在選擇噴頭時(shí)，首先要考慮其墨道寬窄，以適合導(dǎo)電銀膠墨水、半導(dǎo)體類(lèi)墨水等；其次，要根據(jù)打印介質(zhì)、精度的要求，選擇適合的噴頭，以保證墨滴大小合適。

2.選擇合適的精細(xì)的墨水

墨水是由一些顆粒和液體組成的，顆粒的直徑和均勻性非常重要，其基本制作工藝為粉碎、研磨、攪拌等。墨水的研制與低成本的產(chǎn)業(yè)化始終是一個(gè)不可回避的問(wèn)題。

3.保證X方向的運(yùn)動(dòng)精度

采用金屬光柵尺、直線(xiàn)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塑料光柵尺和直線(xiàn)導(dǎo)軌，將會(huì)大大提到X方向的運(yùn)動(dòng)精度，使之由50～150μm提高到1～5μm。

4.保證機(jī)械平臺(tái)的精度

對(duì)于更高精度的要求，則需采用形變系數(shù)小的大理石平臺(tái)，可使精度提高5～10倍。endprint