数字喷墨打印技术在PCB字符工艺中的应用

卢玉蛟 黄哲赟 李 宝

（江苏锐毕利实业有限公司，江苏 盐城 224056）

数字化文字喷印机的原理是根据从CAD或CAM得到的文件资料将特定的文字墨水喷印到电路板上，并通过紫外灯实现即时固化从而完成字符工艺的过程。这种字符喷印技术消除了网版制作的过程与设备，带来的是节省了场地与空间、明显减少材料消耗（特别是底片等）、缩短了产品生产周期、减少了环境污染、降低了成本。另外，数字化的文字喷印机具备CCD自动定位功能，可有效解决线路板涨缩问题。且喷印的方式可确保字符线条的连续，从而可解决丝印过程中落差位置常见的字符残缺不清。基于以上优点，数字化的文字喷印机对于改善PCB的字符品质和缩短生产流程都是极其有利的。它的发展壮大也必将成为PCB生产发展的方向之一。

1 数字喷墨打印技术

数字喷墨打印（Digital Inkjet Printing）技术，它是以加成法按照计算机预先设计好的数字模型于承载物上喷印形成所需要的二维或三维图形。目前，数字喷印的方法有两种：连续喷射式（Continuous Ink-Jetting,CIJ）[1]和按需喷射式（Drop-On-Demand, DOD）[2]，而较常用的为按需喷射式中的压电式喷射原理。

1.1 喷墨打印技术原理

现以压电式喷射原理为例来说明喷墨打印的原理。压电式喷头是在压电器件上施加电信号，使其产生变形并挤压喷头内的液体而将液体喷出。压电式喷头由压电陶瓷片，喷嘴和小容腔组成，在压电陶瓷片上未施加驱动信号时，小容腔内的液体压力足够低，液体因表面张力而保持在小容腔内；需要喷射时，在压电陶瓷片上施加一个脉冲电压，压电陶瓷立即发生微米级变形，在此作用下，小容腔的体积迅速缩小，产生朝向喷嘴的压力波，此压力波克服喷嘴中的压力损失和液体的表面张力，使喷嘴处开始形成一个液滴，并从喷嘴喷出。然后压电陶瓷片和容腔恢复原状，由于表面张力的作用，新的液体进入喷头的小容腔[3]。喷头工作原理见图1。

喷墨打印机喷出的液体小滴尺寸接近于玻璃管小孔的直径。目前，玻璃管小孔的直径可达到小于100 μm，主要是由玻璃管小孔的直径来决定，每秒钟可喷射4000小液滴，而每滴的体积可小到3皮升（pL，10-12L）。这种数字喷墨打印机只有在喷墨打印定量模式确定后，才会产生喷射小滴，而喷射位置、面积和厚度等将由CAD数据或存储数字所形成的数据化驱动或控制打印头和打印机，可以达到精确控制与重复生产的要求[4]。

1.2 文字墨水及紫外固化

在数字喷墨打印技术中，油墨材料的性能是至关重要的，不仅选用的油墨材料喷印性能要符合工艺标准，而且油墨材料必须与喷墨打印头结构相匹配，并保证在操作温度下和整个操作过程中稳定、经久耐用。应用于PCB工艺的文字喷印墨水需同时满足线路板行业的一系列IPC规范、信赖性要求和环保标准。因此，文字墨水的各项性能都必须达到最佳化。

1.2.1 油墨材料的黏度（Viscosity）和表面张力（Surface Tension）。

油墨的黏度和表面张力将会影响喷墨管口的堆积、墨滴形状、墨滴扩散状态等性能，当然改变喷射管的温度和电压也会影响这些参数。一般来说在墨水的喷射温度范围内，喷射墨水的黏度需控制在10 mPa•s ～ 40 mPa•s，液滴体积可达10 pL ～ 140pL，喷射液滴直径可小至30 μm。且喷射液滴的体积和喷头驱动电压之间呈线性关系，能通过调整驱动电压来改变液滴体积，见图2[3]。

图2 液滴体积和驱动电压的关系

喷墨打印出的墨滴形状、大小等可用墨滴观测仪（Drop Watcher Station）进行观察与测量。喷射出的墨滴不应有拖尾状或伴随卫星液滴，否则会降低喷印质量，导致喷印图形不规则。 液滴观测效果见图3：

1.2.2 优化喷墨打印工艺参数

喷印文字的分辨率是与喷射的墨滴大小和dpi（Drops per Inch）有关系的，只有喷射油墨的体积越小和dpi越大，喷墨打印的线路图形分辨力才越高。例如需要达到75 μm线宽、字符大小为0.5 mm的分辨力，必须采用小于6 pL的喷射墨滴和大于1200 dpi才可以；而要达到50 μm线宽、字符大小为0.5 mm以下，则必须采用小于3 pL的喷射墨滴和大于2400 dpi才可以。一般来说，可以通过墨滴大小和dpi的组合来优化喷印线路图形的分辨力[4]。

1.2.3 紫外光（Ultra-Violet，UV）固化系统

数字喷印的特点决定了其必须采用UV即时固化的固化方式，因此UV灯的选择就显得相当重要。目前常用的UV灯有汞灯和LED（Light Emitting Diode）灯两种。汞灯的功率较大（达3KW以上），寿命相对短（约1000小时），且工作时所产生的光谱范围宽，产生大量的热量都是墨水固化所不需要的，能量利用率低，因此汞灯在技术上存在较多弊端，其优点是成本相对较低。而LED灯为冷光源无热量产生，光谱范围窄，能量利用率高，且功率小（400W左右），寿命长（达2万小时以上），以上使其成为数字喷印机固化系统的优先选择方向。但其缺点是一次性成本投入较高。江苏锐毕利开发的Hi-print系列高速喷印机即采用LED固化系统，见图4所示。

以上说明，先进的数字喷墨打印机对于选择与其相匹配的UV固化系统非常重要。

1.2.4 文字墨水的基本喷印性能

歌词十：她立春/她立秋/她人比黄花瘦/霜白了头/先天下/后天下/黄金屋/颜如玉/百代忧愁/红砖墙/老牌楼/琉璃瓦/已看透/却不开口/沉默中/那情天/那泪海/爱和恨/转眼成空/它立春/它立秋/它荒芜/它重修 海棠依旧/先天下/后天下/黄金屋颜如玉/沽一杯酒/红砖墙/老牌楼/琉璃瓦/写着拆/却不开口

主要包括墨水溶剂的扩散性和落差位置的连续性。

（1）墨水溶剂的扩散（见图5和图6）

图5 墨水溶剂扩散严重

图6 墨水无溶剂扩散

在线路板行业中，通常文字设计距离焊盘最小可达200 μm以内，少数文字甚至直接设计在铜面上，溶剂扩散过大容易对铜面产生污染，影响后续的表面处理工艺甚至是组装厂焊接的可靠性。因此，喷印墨水的溶剂扩散性应作为基本性能加以考量。

（2）落差位置的连续性（见图7和图8）

图7 细线路上粘附性较差

图8 跨线位置的线条连续性好

因很多文字设计在线路上，为保证文字线条的连续性，需考虑墨水在线路等落差位置处的连续性，保证文字喷印在落差位置仍然清晰可辨识。

1.2.5 文字墨水的信赖性

PCB行业的各种信赖性测试项目及方法见表1。

1.3 数字喷墨打印设备的总要求

（1）具有较高的设备运动精度；

（2）具有可操作CAD/CAM数字资料的操作系统软件；

（3）对在制板具有固定和防止翘曲装置；

（4）具有精确的CCD定位装置；

（5）具有UV固化功能；

（6）具有自动加墨装置；

（7）具有打印头的清洗和维护设置；

（8）具有批量生产的能力。

1.4 数字喷墨打印机生产能力

喷墨打印机对于在制板（Panels）的生产率将取决于一系列因素，如喷墨打印速度、喷墨打印头数和分辨率dpi等。在保证喷印图形质量的前提下，提高喷印速度，增加喷墨打印头数量和分辨率都有利于提高生产率。目前市面上的数字喷印机生产效率仅可达到20面/h～40面/h，仅适用于小批量的样品制作。若要应用于规模化生产，喷印效率需达到100面/h以上。数字喷墨打印技术应用于挠性板（Flexible Printed Circuit，FPC）是最容易实现规模化生产的，特别是采用卷对卷式（Roll-to-Roll，Reel-to-Reel）自动化连续生产是最可取的方法。江苏锐毕利开发的Hi-print系列高速喷印机最小喷印线宽可控制在80 μm～120 μm之间，能基本满足线路板所有的文字工艺要求。目前江苏锐毕利正在开发的下一代高速喷印机型最小线宽可达到5 μm ～ 20 μm之间，届时将可大大提高文字喷印的制程能力。

2 数字喷墨打印技术应用于PCB文字工艺的优势

数字喷印技术应用于PCB文字工艺和传统工艺相比其优势主要体现在缩短流程，固有技术难点的有效克服和绿色环保。

2.1 生产流程的缩短

数字喷印技术和传统丝网印刷流程的对比如图9：

图9 数字喷印技术和传统丝网印刷流程对比

由图9可见，数字喷印技术可根据CAD或CAM资料直接喷印文字图形并即时固化，可有效节约网版制作和文字烘烤流程，明显提高生产效率。

2.2 有效克服传统丝印固有的技术难点

2.2.1 不规则的尺寸涨缩问题

不规则的尺寸涨缩问题一直以来都是PCB制造行业的技术难点，这种困扰在传统的丝网印刷中表现得尤为明显，特别是高精度的高密度电路板（HDI），很容易因线路板不规则的尺寸涨缩导致文字图形偏移。而数字喷印机则具有精确的CCD自动对位功能，可根据线路板不同的尺寸变化自动调整文字图形大小，使需喷印的数字图形尺寸和在制板实际尺寸相吻合，因而可有效解决涨缩带来的困扰。

2.2.2 落差位置的文字残缺不清问题

因丝网印刷本身的特点使得在高低落差位置油墨难以印得下去，导致文字线条不能保持连续性，容易出现模糊不清的现象（见图10）。而数字化的文字喷印机可保持墨水喷印的连续性，因而可以轻易得克服以上问题（见图11）。

图10 落差位置的丝印效果

图11 落差位置的数字喷印效果

2.3 绿色环保

因数字喷印技术无需制作网版，所以可避免网版在制作和清洗过程中产生大量的有机废液。江苏锐毕利开发的文字墨水可同时满足ROHS、Reach（欧盟关于化学品注册、评估、授权与限制的一项法规）和无卤素等要求，更加符合绿色环保理念。

3 结论

数字化的文字喷印机具有生产周期短、喷印质量高和绿色环保的优点，所以采用具有前端技术的压电式墨滴打印头的喷墨打印机和最新开发的UV型文字墨水，完全可以满足PCB行业文字工艺的生产，今后甚至可扩大到内层线路抗蚀刻图形和阻焊层的喷印。但若要完全满足整个PCB影像制程的需求，仍要进一步提高数字喷印的精细化性能。从总的发展方向来看，数字喷墨打印技术将会成为PCB工业生产新的生力军，对于PCB生产技术的革新产生重要的影响。

[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]王运赣, 张祥林. 微滴喷射自由成形[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2009:35-36．

[4]林金堵. 应用于PCB蚀刻线路的数字喷墨打印技术[J]. 印制电路信息, 2008(3):8-14．