数字喷墨打印技术给PCB产业带来的机遇与应用.doc

数字喷墨打印技术给PCB产业带来的机遇与应用李卫明王恒义（广东东硕科技有限公司，广州广东510288）摘要数字喷墨技术已经应用于PCB，并为PCB产业带来新的机遇。文章综述了数字喷墨技术在PCB制造中的应用，包括其主要设备、主要材料和现存的问题。关键词数字喷墨技术；印制电路板；印制电子中图分类号：TN41文献标识码：A文章编号：1009-0096（2010）2-0053-08数字喷墨打印技术近几年已开始应用于PCB行业，并且被认为是PCB行业发展史上的一个新机遇。数字喷墨打印技术本质上是通过计算机辅助来控制印刷技术的一种产物，是一种无接触、无压力、无印版的印刷技术。大概的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专用墨滴，最后在承印物表面直接成像，得到最终的印刷产品。数字喷墨打印技术已经不再是一个梦想而是一个事实，该技术应用的领域非常的广泛，如已经应用于电子标签（RFID）、PCB、挠性显示器、太阳能电池、智能卡片等各类印制电子产品中。在2007年，Nanoident公司在奥地利开了世界上第一个印制半导体工厂，开始生产光传感器；同年，G24i公司在英国的一个新工厂里开始生产染色光感太阳能电池（DyeSensitizedSolarCell）。近几年，有些工厂已开始生产不同型号的印制和薄膜的光电产品，它们分别设立在美国、英国、东欧和日本。英国也开始对聚合显示印制卷式电泳显示器（PolymerVisionPrintingRollableElectrophoreticDisplays）进行生产，并建立了现代化的可印制电子技术中心（PETEC：PrintableElectronicsTechnologyCentre），该中心是个国家级的开发机构，有3000m2的空间，包括高技术洁净房、实验室、研究室和办公室，专门从事印制电子产品开发和商品化。数字喷墨打印技术许多工作已经在欧洲、美国和日本展开。在许多方面欧洲已处于领先地位，例如第一家印制电子厂就在那里出现。它是唯一一个有有机电子贸易协会和有关印制照明（PrintedLighting）主要国家计划的地区。英国的剑桥和德国的德累斯顿是特别活跃的地区，还要德国的法兰克福、奥地利的林茨（奥地利北部城市）和瑞典的南部都是其重要发展地区。另外，在美国的旧金山（美国加利福尼亚西部港市）地区和马萨诸塞州海岸费城（美国宾西法尼亚州东南部港市）地区与日本的东京、大阪（日本本州岛西南岸港市）地区都在积极的研究印制电子（PrintedElectronics）。韩国和台湾也都在追上这个步伐。在东亚，许多大型的公司也在研究。不过在欧洲和美国无论大公司还是小公司都在从事该领域的研究工作。在印制工业（PrintingIndustry）的有力支持下，所有地区的电子和化学塑料工业会有大量的发展。全球已经有非常大量的专利是关于数字喷墨打印技术的。在2006年和2007年这段时间，有大量的关于印制电子各方面的专利出现，它们来自索尼（Sony）、Toshiba日本东芝公司、Matsushita松下、Mitsubishi三菱、Canon日本佳能公司、Ricoh理光、AsahiKasei、Pioneer、Samsung三星、Philips飞利浦和其它大型公司。2006年之前的预测和所有的分析都认为要达到大量生产至少需要5年，即2011年。有些专家预测认为印制显示器（PrintedDisplays）和电子标签RFID（RadioFrequencyIdentification）会发展得最快，但也有其他专家认为柔性太阳能电池（FlexibleSolarCells）发展势头最强劲。基于NanoMarkets公司的GlenAllen分析，预测在2007年数字喷墨打印技术相关产品的收入会有354百万美元，到2011年会有121亿美元（图1）。综上所述，数字喷墨技术已经开始形成一个新的产业，并且会带来一个新的时代。我国开展数字喷墨技术已经是迫在眉睫，再继续等待，只会错失良机。在2008年3月17日，中国印制电路行业协会在上海成立了“全印制电子分会”。该分会的成立，意味着中国PCB工业开始密切的关注、研究和推广应用“全印制电子技术”（FullPrintedElectronics），更标志着中国PCB工业在发展道路上走上了新的起点。各企业应该联合攻关、联合创新，才能赶上这个发展的趋势，才能不迷失在这个发展的大潮中。下面将详细介绍数字喷墨技术在PCB产业中的应用。1全印制电子电路1.1数字喷墨打印技术在PCB工业中的应用概述“全印制电子技术”是指采用快速、高效和灵活的数字喷墨打印技术（DigitalPrintingInkjetTechnology）在基板上面形成导电线路和图形，或形成整个印制电路板的过程。也就是说全印制电子电路是指整个印制电路板的形成过程全部是用喷墨打印技术来完成的。即该技术能无掩膜、非接触地将有机、无机功能材料直接印制于PCB表面，从而能形成高精度的导电线路、导电图形、阻焊与字符、焊料互连等，再加上能连续打印就能大大提高产品的生产效率。采用“数字喷墨打印技术”的“全印制电子”来开发与生产PCB产品与传统工艺相比，有三个极大的优点，见表1所示。因此“数字喷墨打印技术”会在PCB工业中迅速得到推广和应用，并在不久的将来将成为PCB产品生产的主流。“数字喷墨打印技术”在PCB工业中的应用主要表现在4个方面，见表2所示。“数字喷墨打印技术”在PCB产业的应用过程也遵循一切事物发展规律，从小到大、从弱到强、从局部到整体、从低级到高级。因此“数字喷墨打1.2全印制电子电路制作工艺虽然利用喷墨印刷技术开发生产PCB产品还没有进入全面大规模工业化生产，但它可以极大地简化PCB的生产过程和缩短生产周期。不用掩模，十分灵活，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，采用喷墨印刷技术需要5道左右工序，见图2所示。1.2.1CAD/CAM布线首先将CAD/CAM或其他数据格式的数据，即需要形成线路或图形的信息输入喷墨打印机，是非接触式的，简单的图形转移。而传统的图形转移要经过多个工序，过程复杂，产生废水。各种图形转移方法所需的工序比较，见表3所示。1.2.2钻孔钻孔工艺与目前使用的钻孔工艺基本一致，如机械钻孔、激光钻孔等。按照实际的情况来选择钻孔的方法。1.2.3前处理为了使基材表面能满足下道工序的要求，如清洁度、粗糙度等的要求，往往在进入下道工序之前进行前处理，要根据实际的需要选择酸、碱、去氧化或超粗化等的处理。1.2.4喷墨印制与固化这里把喷墨印制工序与固化工序放在一起的原因是固化工序的选择要根据喷墨打印工序过程中采用的油墨种类来决定，通常有非导电性油墨、导电性油墨和其它油墨三种。下面将详细介绍不同油墨的喷墨打印工序。（1）非导电性油墨非导电性油墨主要有两类：抗蚀/抗镀墨水，用于取代传统干膜与湿膜；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。数字喷墨打印机直接把抗蚀剂（抗蚀刻油墨）喷印到内层（或外层）在制板上，便可得到耐酸性或耐碱性的抗蚀刻图形，经过UV光固化后，便可进行蚀刻和去膜，从而得到内层等要求的线路图形。同样也可以进行抗电镀图形的印刷，其操作过程与抗蚀刻油墨印刷基本相同。采用数字喷墨打印技术与工艺来获得抗蚀刻/抗电镀图形，既减少了照相底片的制作过程，又避免了曝光和显影的过程，其带来的好处是节省了场地与空间，明显地降低了材料消耗（特别是底片和设备等），缩短了产品生产周期，减少了环境污染，降低了成本。更重要的是明显地提高了图形的位置度和层间对位度（特别是消除了底片的尺寸变化和曝光对位等带来的尺寸偏差）。数字喷墨打印机直接把阻焊剂（阻焊性油墨）或字符油墨直接喷印到PCB在制板上，分别经过UV光固化后，便得到最终需要的阻焊剂图形和字符图形。用数字喷墨打印技术与工艺来获得阻焊和字符图形，可明显提高PCB产品的阻焊和字符图形的位置精确度，能很好地改善PCB板质量和提高产品合格率。阻焊喷镀通常被认为是喷墨印刷最简单的应用，因为PCB的覆盖率非常高。（2）导电性油墨采用喷墨印制法制造PCB导线和导电图形的主要工艺，如图3所示，即对绝缘基板先进行表面处理，然后通过打印头将纳米金属油墨喷印在基板表面上，再低温烧结固化成型，便形成金属布线的电路板。多层线路板采用喷墨印制的工艺流程是采用超级喷墨打印机把金属纳米油墨喷印到无铜箔的基板上形成平面的线路层，然后在这层平面上喷印连接凸块，即层间的导通柱或电阻也是采用喷墨制成，用于层间连接，然后采用喷墨打印，形成层间的绝缘层，即绝缘材质也可以用喷墨打印形成，然后再在绝缘层上形成第二层的导电线路，依此类推，便可形成所需层数的多层电路板，即全印制电子的印制电路板。1.3主要设备与传统PCB所需的昂贵设备不同，喷墨印制技术的主要设备只是一台喷墨打印机。喷墨印刷系统主要由喷头、承印物和必要的传动控制系统构成。喷头和承印物之间处于非接触的状态。喷头射出的微小墨滴直接附着于承印物上，形成图文。当然不是普通办公用的喷墨打印机能满足全印制电子的要求，喷墨打印机对喷嘴和承印物本身也是有较高的要求。如在日本和美国市场已经推出的并用于PCB生产规模化的喷墨印刷设备，其主要性能和要求包括以下几个方面。（1）喷墨头（嘴），由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。分辨率与对应的墨滴尺寸见表4。（2）生产效率，要求喷墨打印机生产PCB的效率能够满足PCB规模化生产要求，如500mm600mm，（20in24in）的在制板应在20s60s之间完成，即在单位时间内可形成PCB在制板的数量，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CicroCrafk.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，其印刷的分辨率为300dpi600dpi，喷射墨滴量最小为30pL，形成的线宽在80m150m之间，只能满足一般PCB线路密度的要求。因此必须要开发更小的喷射墨滴量，达到更高的喷印分辨率，才能获得更小的线宽。如果印刷的分辨率为1200dpi2400dpi，喷射墨滴量最小为3pL6pL，则线宽可达到5m20m。目前，已经在推出“超级”喷墨打印机，可以量产12m20m、甚至达到3m5m线宽的水平，那么喷墨打印技术很快就可用于PCB产品规模化生产了。1.4全印制电子电路的主要材料用于全印制电子电路的主要材料包括油墨（导电、非导电、其他油墨）和承载物（基材，绝缘介质）。关键材料油墨。用于喷墨打印的油墨不同于常规的油墨（特别是黏度和触变性）。对于全部采用“数字喷墨打印技术”直接生产PCB所用的导电油墨，必须是纳米级金属（如银、金、铜等）颗粒的油墨才能保证在低温条件下进行烧结，并达到金属导体的导电率。用于印制电路板喷印的油墨中，非导电性油墨最重要的性能是黏度和触变性，而导电油墨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。1.4.1导电油墨纳米粒子一般是指颗粒尺寸是在1nm100nm范围内的超微粒子，纳米粒子的制备方法很多，总体上分为两大类：物理法和化学法。而以物料的状态来分，可分为固相法、气相法、液相法三大类。目前金属纳米油墨主要用液相法，包括沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、溶剂热合成法、溶液蒸发和热分解法、电化学法、模板合成法、表面活性剂法、微波合成法、超声波合成法、光化学合成法、还有粉末包覆法、原位生成法、掺杂法等方法。纳米金属油墨须满足喷墨成型工艺所需的物理、化学性能要求才能被用于全印制电子电路的制备中，具体要求见表5。目前制备纳米金属油墨的主要材料是金、银、铜、钯、铂、镍等任一种纯金属微粒及其化物或合金。其中，由于银因具有最高的电导率（6.3107s/m）和热导率（450W/m?K），因此成为最受关注的纳米金属油墨。其主要的制备工艺有两种：（1）金属有机/无机化合物还原成纳米粒子；（2）以纳米金属悬浮液制备纳米银油墨。合成时，表面一般都包覆稳定剂，如PVP（聚乙烯吡咯烷酮）等，以控制粒子尺寸，并防止粒子团聚与沉降。已规模生产的喷墨纳米银油墨产品中，粒径大多在10nm15nm左右，烧结温度在130200之间，电阻率约为2.3?cm4?cm。目前市场上平均粒径达到10nm以下的油墨只有4种，见表6。但烧结温度在100左右的仅有3种，分别为NanoMas公司的NTS05IJ40型纳米银油墨、Cabot公司的CCI-300纳米银超导电油墨和拜耳公司的BayInk?纳米银油墨。据有关研究报道，用于印制导线与导电图形的纳米油墨最佳粒径约为2nm，所以需要进一步开发颗粒尺寸更小、烧结温度更低、导电性能接近蚀刻铜线的纳米金属油墨，以使其能在多种塑料挠性基板上直接喷墨制线。此外，银纳米油墨的成本还是比较昂贵的，因此许多机构也正研究纳米铜油墨的制备及改性。由于铜的体积电阻率只增大了12.5%，但成本却仅为银的1/100，具有较大的发展前景。如现有大日本印刷公司与Micro电子公司合作，成功开发出在基板上印制精细铜线路图形。所用导电油墨是加入5nm50nm的铜粒子，材料成本仅是银粒子的1/10，用喷印方法成图形。该油墨固化是暴露在高能的表面波等离子体中，发生还原反应达到固化，环境温度低于150，时间少于1min，因此低价的PET基材也适合。预计2011年实用化。此外，基板种类对导电油墨的性能也有很大影响，油墨一旦印刷到不匹配的基板上，会表现出截然不同的导电性能。因此还需要研发出一系列适用于不同印制工艺和基板种类的油墨。如美国的EpoxiesEtc公司公布了一种网印、喷印工艺皆适用的新型油墨，可沉积聚酰亚胺薄膜、聚酯薄膜、玻璃和陶瓷等多种基板。1.4.2非导电油墨（1）抗蚀/抗镀喷墨油墨使用喷墨方法将抗蚀/抗镀喷墨油墨直接喷在覆铜板的特殊位置上形成电路图形,而取代了传统的图形转移和光成像的方法，然后再进行刻蚀、去膜等处理得到PCB成品。喷墨技术的使用不仅提高了布线密度，大大降低了成本，减少了大量的废水处理，是环境友好的。最常用的UV固化型的喷墨油墨，其组成包括至少两种丙烯酸酯：（1）含有羧基；（2）环氧丙烯酸酯单体或二聚物，以及其它丙烯酸树脂，如提高粘附力的丙烯酸树脂、降低黏度的丙烯酸树脂、交联型丙烯酸树脂、耐化学药品的丙烯酸树脂以及能够快速固化的丙烯酸树脂等。同时还包括光引发剂、有机载体和其它添加剂。如导电剂、表面活性剂、光敏剂和光稳定剂。其中环氧丙烯酸酯单体和二聚物对金属基材有良好的粘附力，并且应该选用低黏度、不挥发的低分子量环氧树脂。因此抗蚀/抗镀喷墨油墨要求有好的粘度和电阻率，并且刻蚀后能形成完好的铜导线。此外，HOPPERALANJOHN等人，在2004年和2006年先后发表了3篇关于抗蚀剂喷墨油墨的专利。提出抗蚀刻喷墨油墨的组成包括30%90%的不含羧基的丙烯酸酯单体，1%30%的含羧基的丙烯酸酯单体，020%的聚合物或预聚物，020%的引发剂，05%的着色剂和05%的表面活性剂，油墨在40时黏度小于0.03Pas（30cps）。抗蚀/抗镀喷墨油墨的使用大大消除了传统抗蚀干膜的使用，污染废水少，简化了生产过程，并节省了大量成本。（2）阻焊/绝缘喷墨油墨阻焊油墨与抗蚀刻油墨相比，性能要求更高。因为阻焊油墨喷涂后不在移除，永久性使用，因此需要对PCB板具有优越的粘附力，同时应具有很好的阻焊性能。PCB用阻焊喷墨油墨性能应满足IPCSM-840C标准，阻燃等级为UL94V-0。KAKINUMAMASAHISA等人报道了一种可光固化和热固化的阻焊喷墨油墨，其组成是含有丙烯酰基和热固化基团的单体，分子量小于700的低聚物及光活性稀释剂和光引发剂。油墨粘度在25时小于150mPas。通过喷墨打印机将阻焊图形喷在PCB板上，固化方式分2步，先光照再加热，所制得的阻焊膜具有良好的耐热性、耐化学性、硬度、电绝缘性等。1.4.3其它油墨除了以上提到的油墨外，还有用于喷印埋置元件用的油墨，要根据元件的种类和要求，针对其性能，如电容性、电感性、电阻性等，来选用不同的喷印油墨。1.4.4承印物（介质）承印物就是接收油墨的载体，要根据不同的油墨需要选择匹配的载体，对于传统的板材供应商，需要应对各种各样的喷墨油墨来研制出相应的刚性和柔性板材。如喷墨印刷已被广泛应用于各种形状和各种材料的表面印刷，无论是有孔还是无孔、平面或曲面、织物或带筋骨形表面，如塑料、布、纸张、皮毛、陶瓷、玻璃或金属等。同时喷墨印刷适用于各种速度的印刷，无论匀速、变速或间断运行，而且适合于连续不停顿的生产线的作业。承印物可以是间断的也可以是连续的，要看实际生产的需要。1.5全印制电子电路现存的难点和问题点全印制电子电路的制作目前还没有形成普遍的大规模工业化生产，原因是在技术上和成本上依然存在着一些难点和问题点，归纳了一下，主要有以下一些难点和问题。1.5.1油墨的流动性喷墨印刷技术的关键因素是油墨的流动性，这也一直是喷墨印刷工艺面临的主要挑战。喷嘴被颗粒物堵塞造成可靠性差的主要问题。喷嘴堵塞的原因不仅包括大颗粒，而且也包括小颗粒聚集而成的大颗粒。理想的油墨应该具有足够的流动性并能够顺利通过喷嘴，同时干燥速度要缓慢，不能在喷墨打印机中变干。但又不能太慢，不能在承印物上流延、扩展或者渗透。因此要控制油墨的流动性，油墨本身必须具备合适的表面张力、粘度、固化性等物理性质。1.5.2墨滴的形成根据形成墨滴的脉冲压力方式不同，主要分为压电晶体振荡、热气泡、静电吸引等几种方法，目前常用的主要是压电晶体振荡和热气泡两种。墨滴的产生过程在喷墨技术中占有非常重要的地位，要求所产生的墨滴尺寸稳定，能够准确地控制。墨滴的大小与喷嘴尺寸有密切关系，直接影响喷墨印刷系统的一级分辨力（即由喷头器件的物理尺寸决定的分辨力）。1.5.3油墨电阻英国研究人员指出，油墨电阻比传统电路板的铜丝大，无法高效地传输强电流。此外，目前还不能用油墨制出与硅芯片同样密集的电路，一些智能产品的