PCB阻焊劑低壓噴涂均勻性提升研究

王均臣 許校彬 朱愛軍 張子超

（淮安特創(chuàng)科技有限公司，江蘇 淮安 223499）

0 引言

隨著電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，印制電路板（printed circuit board，PCB）行業(yè)作為電子產(chǎn)品的核心組成部分，扮演著至關重要的角色。為了滿足不同PCB 產(chǎn)品的要求，越來越多的PCB 廠商在阻焊劑涂布制程中采用低壓噴涂和網(wǎng)版印刷的組合配置。

低壓噴涂和網(wǎng)版印刷作為常用的PCB 制程方法，在實際應用中各自具備一系列的優(yōu)點和缺點。低壓噴涂可以避免阻焊油墨進入孔內(nèi)，有效地消除假性露銅和跳印的問題，并具備較大的產(chǎn)能，適用于大批量生產(chǎn)。然而低壓噴涂設備成本高、保養(yǎng)時間長，且油墨均勻性僅能達到一定程度，線面阻焊油墨厚度常規(guī)在10～50 μm，在某些特定的應用場景下可能存在一定的限制（注：本文所述“油墨厚度”是指已固化的阻焊層厚度）。

相較而言，網(wǎng)版印刷在PCB 制程中具備更多的優(yōu)勢。網(wǎng)版印刷可以實現(xiàn)較高的油墨均勻性，達到甚至超過87%的水平。對于不同的銅厚、線路和面，網(wǎng)版印刷可以將線面阻焊油墨厚度控制在較為精確的范圍內(nèi)，通常為10～30 μm。此外，網(wǎng)版印刷還可根據(jù)需求選擇不同的網(wǎng)目，如90 目、110 目及150 目，以滿足不同銅厚的要求。但網(wǎng)版印刷也存在一定的挑戰(zhàn)和限制，油墨堵孔是常見的問題之一，易產(chǎn)生假性露銅，特別是在線路油墨拐角處，油墨厚度可能偏薄（≤5 μm）。一些特殊需求的PCB 客戶，尤其是汽車板客戶要求較高，如不允許油墨進入孔內(nèi)，線面油墨厚度要求在10～30 μm范圍內(nèi)等。

針對網(wǎng)版印刷的限制和挑戰(zhàn)，許多PCB 廠商針對噴涂機提出了改進和優(yōu)化，以降低油墨厚度并提高油墨的均勻性，同時滿足大批量生產(chǎn)的需求。本文旨在研究低壓噴涂機的參數(shù)，并找到滿足線面阻焊油墨厚度要求的參數(shù)，為PCB 廠商提供改善生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的參考。

1 試驗部分

1.1 低壓噴涂和網(wǎng)版印刷的結(jié)構(gòu)原理

（1）低壓噴涂。低壓噴涂是一種將油墨通過噴嘴以低壓力形式均勻噴灑在PCB 表面的技術。其結(jié)構(gòu)主要包括噴涂裝置、輸送系統(tǒng)、油墨供給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。噴涂裝置通過噴嘴將油墨均勻噴灑在PCB 表面，輸送系統(tǒng)控制PCB 的傳送速度，油墨供給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的油墨供應，而控制系統(tǒng)則用于調(diào)節(jié)噴涂參數(shù)和監(jiān)控噴涂過程的穩(wěn)定性，如圖1（a）所示。

圖1 低壓噴涂和網(wǎng)版印刷結(jié)構(gòu)原理

（2）網(wǎng)版印刷。網(wǎng)版印刷是一種通過絲網(wǎng)版將油墨傳遞到PCB 表面的技術。其結(jié)構(gòu)主要包括網(wǎng)版印刷機、絲網(wǎng)、油墨刮刀和PCB 傳送系統(tǒng)。在網(wǎng)版印刷過程中，油墨通過絲網(wǎng)的孔洞傳遞到PCB 表面，同時刮刀將多余的油墨刮除，確保油墨只留在PCB 所需區(qū)域。網(wǎng)版印刷機控制網(wǎng)版和PCB 的相對位置和運動速度，從而實現(xiàn)油墨的均勻印刷，如圖1（b）所示。

1.2 低壓噴涂油墨性能分析

低壓噴涂技術在PCB 生產(chǎn)工藝中對油墨的要求十分關鍵，主要涉及油墨黏度、成分以及調(diào)配等3 個方面。低壓噴涂所使用的油墨屬于溶劑揮發(fā)型熱固性油墨，通常包含丙二醇甲醚、二甲苯、二丙酮醇、苯等溶劑成分，且對PCB沒有腐蝕性。在低壓噴涂工藝中，油墨的溶度參數(shù)應與覆銅板材料（主要是環(huán)氧樹脂）的溶度參數(shù)區(qū)域邊緣相吻合，以獲得最佳的油墨性能。

在油墨選擇和調(diào)配方面，需要注意以下幾點：

（1）溶劑成分。低壓噴涂油墨所使用的溶劑成分應該與覆銅板材料具有良好的相容性，并且不對PCB 產(chǎn)生腐蝕作用。常見的溶劑成分包括丙二醇甲醚、二甲苯、二丙酮醇和苯等。

（2）粒度和黏度。低壓噴涂油墨的粒度應該足夠細，黏度則應保持較低的水平，這將有助于均勻噴涂油墨和形成光滑的油墨膜。此外，油墨的黏度含量應適中，以確保良好的遮蓋力和油墨的附著性。

（3）表面張力。低壓噴涂油墨的表面張力應小于覆銅板材料的表面張力，以確保油墨能夠均勻地覆蓋整個PCB 表面，并且不會出現(xiàn)潤濕不良或表面張力不平衡的問題。

1.3 低壓噴涂的相關參數(shù)和常規(guī)控制

低壓噴涂的參數(shù)控制范圍見表1。

表1 低壓噴涂的參數(shù)控制范圍

1.4 核心參數(shù)分析

在低壓噴涂技術中，噴幅氣壓和噴涂輸送速度（線速）是決定噴涂厚度的最大影響因素。噴幅氣壓的增加會導致噴涂厚度增加，而線速的增加則會使噴涂厚度減小。這是因為噴幅氣壓的增加會增加油墨噴射的沖擊力，使油墨形成較厚的噴涂層。而線速的增加會導致油墨在噴涂過程中的停留時間減少，從而使噴涂層較薄。噴幅氣壓、線速與油墨厚度的關系見表2。

表2 噴幅氣壓、線速與油墨厚度的關系分析

另一方面，霧化氣壓對噴涂厚度的影響較小。霧化氣壓主要影響油墨在噴槍內(nèi)的霧化程度，即油墨顆粒的細小程度。然而，霧化氣壓對于噴涂厚度的影響相對較小，這是因為油墨的噴涂厚度更多地受噴幅氣壓和線速的控制。

綜上所述，噴涂厚度與線速之間存在著明顯的關系。在低壓噴涂工藝中，通過調(diào)節(jié)噴幅氣壓和線速，可以實現(xiàn)對噴涂厚度的精確控制。此外，霧化氣壓對噴涂厚度的影響相對較小，不同程度的調(diào)整對噴涂厚度的影響有限。

根據(jù)以上參數(shù)控制范圍的設定，可以初步推斷當前的噴涂工藝可能難以滿足線面阻焊油墨厚度在10～30 μm的要求。

1.5 試驗步驟

（1）保養(yǎng)低壓噴涂機并確保其正常工作，確保試驗采集的有效性。

（2）準備一批標準尺寸相近的PCB 樣品，確保其表面清潔無污染，產(chǎn)品信息見表3。

表3 測試板信息

（3）通過2 個關系核心參數(shù)，設計不同的參數(shù)組合。

（4）對每組參數(shù)進行試驗噴涂，保持其他條件不變，如噴涂輸送速度固定，噴幅氣壓以0.25×105Pa為一個單位遞增的油墨厚度線性關系。

（5）使用光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡等工具測量和分析每個樣品的油墨厚度。

（6）記錄每組參數(shù)下的油墨厚度數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計和比較分析。

2 試驗結(jié)果

2.1 不同噴幅壓力和線速的油墨厚度

為了在相同油墨厚度的前提下，優(yōu)化低壓噴涂工藝，需要考慮噴幅壓力和線速2 個關鍵因素。根據(jù)試驗步驟和原則設定相應參數(shù)，得到試驗結(jié)果如下。

（1）固定噴幅壓力為2.5×105Pa，線速與油墨厚度的測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 噴幅壓力2.5×105 Pa時，線速與油墨厚度趨勢

（2）固定線速為3.5 m/min，噴幅壓力和油墨厚度的測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 線速3.5m/min時，噴幅壓力和油墨厚度趨勢

根據(jù)研究和試驗結(jié)果可知，為了滿足線路面油墨厚度在10～30 μm 范圍內(nèi)的要求，可以將線速控制在2.5～3.5 m/min，同時將噴幅壓力保持在1×105～2.5×105Pa。

通過持續(xù)的研究和優(yōu)化這些參數(shù)范圍，可以實現(xiàn)更好的噴涂均勻性和較薄的油墨厚度，從而滿足PCB 行業(yè)對于高品質(zhì)和精細加工的要求。在這個參數(shù)范圍內(nèi)，較快的線速可以幫助控制油墨的噴涂量和分布，使其均勻地覆蓋在PCB 表面，避免過度堆積。而較小的噴幅壓力則有助于減少油墨的沖擊力和飛濺，進一步提高噴涂的均勻性。

（3）固定噴幅壓力為1×105Pa，線速與油墨厚度的線性測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 噴幅壓力1×105 Pa時，線速與油墨厚度的趨勢

根據(jù)以上結(jié)果可知，當噴幅壓力為1×105Pa、線速為1.5～3.5 m/min 時，油墨厚度在7.82～24.3 μm 范圍內(nèi)變化。結(jié)果表明，要實現(xiàn)線面阻焊油墨厚度在所需的10～30 μm 范圍內(nèi)，需將噴幅壓力的最小值控制在1.2×105Pa。

（4）固定噴幅壓力為1.2×105Pa，線速與油墨厚度的線性測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 噴幅壓力為1.2×105 Pa時，線速與油墨厚度趨勢

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可知，為了滿足線面阻焊最小油墨厚度為10 μm 的要求，參數(shù)設定：噴幅壓力為1.2×105Pa，線速為2.5～3.5 m/min。根據(jù)這些參數(shù)設定，可以預計線面阻焊油墨厚度范圍在11.5～25.7 μm，從而滿足了線路面油墨厚度為10～30 μm的要求。

2.2 試驗數(shù)據(jù)匯總

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)，當調(diào)整參數(shù)線速（2.5～3.5 m/min）以及噴幅壓力（1.2×105～2.5×105Pa）時，對應的油墨厚度數(shù)據(jù)見表4。由表4 可知，當噴幅壓力為2.5×105Pa、線速為2.5 m/min 時，油墨厚度達到29.8 μm，這意味著存在超過30 μm 的油墨厚度的風險。為了降低這種風險并確保油墨厚度在所需的范圍內(nèi)，建議將參數(shù)調(diào)整為線速2.8～3.5 m/min，噴幅壓力1.2×105～2.5×105Pa，從而控制油墨厚度，保持噴涂的穩(wěn)定性和效率。

表4 實驗數(shù)據(jù)匯總

3 大批量驗證

通過實際生產(chǎn)800 片以上的生產(chǎn)板，線速設定為2.8～3.5 m/min，噴幅壓力設定為1.2×105～2.5×105Pa，結(jié)果不僅能夠滿足10～30 μm 的線面阻焊油墨厚度目標，還可以保證均勻性在86%以上。批量生產(chǎn)板切片數(shù)據(jù)見表5，測試板結(jié)果切片如圖6所示。

表5 批量測試油厚結(jié)果

圖6 結(jié)果切片

4 結(jié)語

綜合以上參數(shù)和實際生產(chǎn)結(jié)果，表明已經(jīng)成功地將低壓噴涂參數(shù)標準化并應用于實際生產(chǎn)中，以控制油墨厚度。這種控制不僅能夠滿足客戶的上件要求，預防信賴性問題的產(chǎn)生，還可以精確地控制油墨的噴涂量和厚度，避免油墨的過度浪費。這樣不僅降低了油墨的使用量和成本，還有助于減少廢品和不良品的產(chǎn)生，提高生產(chǎn)效率和資源利用率；實現(xiàn)了86%以上的油墨均勻性，保證了PCB 的一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性；線面阻焊油墨厚度都控制在10～30 μm。精確的油墨厚度控制，使PCB 的電性能和信賴性得到了有效保證，并實現(xiàn)了低壓噴涂與絲印工藝的一致性。