PCB喷墨打印机的研发现状和发展趋势

陈庄，孙云

(重庆理工大学计算机科学与工程学院，重庆 400054)

PCB喷墨打印机的研发现状和发展趋势

陈庄，孙云

(重庆理工大学计算机科学与工程学院，重庆 400054)

印制电路板(printed circuit board，PCB)是当前电子产品不可或缺的一部分。传统的PCB生产制作流程在节能减排和制造精度上都存在着无法克服的问题。PCB喷墨打印技术在缩短生产周期、降低生产成本、提高生产精度、减少环境污染等方面具有诸多优势，逐渐成为PCB生产的主流。给出了PCB喷墨打印机的系统架构和功能架构，分析了其工艺流程和关键技术，提出了喷头和油墨是制约PCB喷墨打印机推广应用的关键因素，最后讨论了PCB喷墨打印机未来的发展前景。

印制电路板;喷墨打印技术;喷墨打印机

PCB(printed circuit board)即印制电路板，是各个电子零件组装时用的连接板，在当今电子产品生产中有着重要的作用。随着科技的进步，电子产品已经遍布各个领域，并且更新速度很快，对产品体积、集成度、功能等方面的要求也越来越高。而作为电子产品重要组成部分的印制电路板也在不断地完善和更新中。

传统的PCB制作方法主要有机械制版工艺法、热转印法和丝网印刷工艺法。目前，传统PCB生产方法已不能满足生产需要，许多新技术被应用于PCB制造中。其中，喷墨打印技术既可用于直接喷印抗蚀抗镀图形、印刷字符，也可直接喷印线路，在各种新技术中脱颖而出。实际上，数字喷墨打印技术［1］就是通过计算机来控制打印的一种技术。这种PCB制作技术无压力、无接触，在很大程度上缩短了生产周期，在实现节能减排的同时也降低了成本。PCB喷墨打印机是利用数字喷墨打印技术实现PCB制作的一种新型打印机。简单来说，它的工作流程是先利用计算机将存储的图文信息输入喷墨打印机，然后在计算机的控制下，打印机喷头向基板表面喷射专用油墨，最后在其表面直接成像，从而得到高精度的导电线路、阻焊与字符等。

1 PCB喷墨打印机的需求分析

PCB在当今的电子产品中占据着越来越重要的地位，它的制造品质不但直接影响电子产品的可靠性，而且影响系统产品的整体竞争力。目前，PCB制造企业大多采用传统铜箔蚀刻法(也称减成法)生产PCB，但该方法面临着两大问题［2］:节能减排和技术上的制造极限。PCB生产在节能减排方面的问题主要是指传统的PCB生产需要极大的用水量和用电量，并且会排放大量的废气、废水等污染物。特别是废水中含有大量对人体有害的重金属，污染环境。PCB生产技术上的问题主要是现在的电子器件越来越精细化，对PCB的精度要求也越来越高，当今的PCB生产方法已不能满足这些要求。另外，传统的减成法生产PCB的工序复杂冗长，成本高，且随着PCB产品的高密度化发展，加工工序的要求也更为精细化。因此，无论是从环境方面还是技术方面，传统的PCB生产已不能适应时代的发展，必须寻求新的PCB生产技术。

从图1可以看出:传统的PCB是通过蚀刻减成法制作的，其生产工序冗杂、资源消耗大、环境污染严重;而采用喷墨打印技术制造PCB时，生产工序大为减少，一般只要3道工序:基板布图、喷墨打印、热固化成型。喷墨打印技术的生产工序少、生产耗能小、生产成本低、环境污染小，优势明显。利用喷墨打印技术的PCB喷墨打印机完全符合我国倡导的“节能、减排、降耗、增效”的产业政策发展方向，必将成为PCB生产的主流。

图1 喷墨打印技术和传统的PCB减成法工艺路线

2 PCB喷墨打印机的研发

PCB喷墨打印机的原理是根据计算机中存储的CAD图形文件来控制打印机，将特定的油墨喷印到基板上，并通过UV灯固化，在印制电路板上形成图形、字符、线路等。它采用的微压电式喷墨技术是将大量微小的压电陶瓷安置在打印头喷嘴附近，利用压电陶瓷在有电压变化的情况下具有弯曲形变的特性，当带有图像信息的电压加到压电陶瓷上时，压电陶瓷的伸缩变形将会随着图像信息电压的变化而变化，使喷头中的墨水在常温常压的稳定状态下准确均匀地喷出，从而喷印出所需要的图形、字符和线路等［3］。

2.1 PCB喷墨打印机的体系结构

PCB喷墨打印机的体系结构如图2所示。大体上来说，它主要包括运动控制系统、喷墨打印系统、油墨固化系统、机器视觉系统、安全保障系统、电气系统和水冷系统等。

图2 PCB喷墨打印机的体系结构

具体来说，PCB喷墨打印机系统的总体架构为:

1)平台。包括用于放置固定PCB板，以及提供其他部件装配连接的空间。

2)运动控制系统。控制X、Y、Z运动轴的运动，主要包括PCB板放置平台、喷头等部分的运动。

3)安全保障系统。包括权限控制、激光限位和超声测距，能保障设备安全工作，避免发生危险。

4)喷墨打印系统。控制喷头准确无误地喷射所需要的图形、线路和字符等，具有较高的精度。

5)油墨固化系统。油墨喷印到板上后，需要立即固化，使之能及时凝固，呈现较好的打印效果。

6)水冷系统。硬件运作过程中会产生大量的热量，通过水的流动来为硬件降温，使之正常工作。

7)电气系统。包括供电回路、保护回路、信号回路等部分，以及制夹、喷头清洗等功能所需要的气压系统。用于保证设备正常运行，确保运行时的可靠性与安全性。

8)机器视觉系统。由视频采集卡与摄像头组成，用于完成CCD对位功能。其中摄像头与喷头安装在一起，方便操作。视频采集卡安装在计算机上，将摄像头采集到的视频传给计算机进行处理。

2.2 PCB喷墨打印机功能结构

由图3可以看出:PCB喷墨打印机的功能结构包括Gerber文件解析、图像修正、图像预览、硬件控制、安全控制和硬件校正等。

图3 PCB喷墨打印机的功能结构

1)Gerber文件解析。在PCB喷墨打印机中，首先要对Gerber文件进行解析。Gerber文件本质上是一种TXT文件，通过TXT文件读取方法能够获取其中的信息。然后解析其中的信息，即通过RS－274X标准将Gerber信息绘制为一张图像。

2)图像修正。利用对位系统得到的PCB板上的实际对位点的坐标值，通过与原Gerber文件中的对位点理想值的差值，计算图像的修正数据，主要包括图像的平移、旋转以及缩放，使得图像适应PCB板放置的实际情况。

3)图像预览。利用图像处理技术，将Gerber文件解析生成的数据按标准的BMP图像格式进行转换，以完成图像的预览、缩放、平移等功能，方便用户在喷印之前进行预览，从而发现图像有无缺陷，避免打印之后出现废板的情况。

4)硬件控制。主要是用于衔接软硬件的接口，通过软件来控制硬件控制板，进而驱动硬件正常工作。硬件控制板的开发是重点，主要包括:提供设备初始化的相关接口，完成设备初始化;提供打印相关功能接口，完成数据喷印的功能;提供接口以获取设备状态，判断设备状态是否正常，从而做出相应处理;提供接口以设置设备的状态参数，使设备能够工作在较好的状态;提供电气接口完成其他辅助性功能，如喷头的清洗、清喷，PCB板的装夹等。

5)安全控制。为整个打印机提供安全保障系统，主要包括:激光系统、超声系统、身份认证系统。激光系统中使用一束激光，在平台的一定高度上形成一道防线，当出现异物阻挡激光的时候，报警并停止伺服电机运动，以防止损坏喷头。超声系统使用超声来检测板是否发生形状畸变，从而及时终止打印;身份认证系统为不同用户赋予不同的系统使用权限，主要是参数设置面板，必须是被授权的系统管理员才可使用，普通用户不能使用参数设置面板。

2.3 PCB喷墨打印机的应用

PCB喷墨打印机在PCB生产中的应用主要在图形转移、埋嵌无源元件和直接形成导电线路方面［4］。PCB图形转移方面的应用主要是在抗蚀、抗镀、阻焊和字符等4个方面;埋嵌无源元件方面的应用是通过PCB板来提高电子产品的电气性能和降低它的故障率，从而生产出水平更高的电子产品;直接形成导电线路和连接的应用是指采用PCB喷墨打印机直接将导电油墨喷印到PCB在制板上得到导电线路和图形，即全印制电子电路的印刷。PCB喷墨打印机首先将在PCB板表面的字符喷印中得到应用，再向抗蚀抗镀、阻焊和表面安装技术发展，然后发展到全印制电子电路。

2.4 PCB喷墨打印机的工艺流程

1)设备初始化及系统测试。首先检查PCB喷墨打印机的工作状态，同时对PCB打印系统参数进行配置。另外，需要测试各个硬件是否正常工作，对喷头、摄像头等硬件进行误差修正。

2)Gerber文件解析。Gerber文件解析［5］即读入Gerber文件进行解析，相当于传统减成法中的图形转移。具体来说就是将包含所要打印的PCB图形信息的Gerber文件读入临时内存，将文件内容按信息的类别进行分类存储，存为各自的链表，主要有文件相关处理信息、光圈码链表、点信息链表、弧信息链表。然后由光栅化部分将内存的坐标数据点和弧转化为图像矩阵，最后将图像矩阵统一做相关处理，得到需要喷印的图像矩阵。

3)PCB板装夹、CCD对位和图像修正。将PCB板放上平台并进行固定，然后利用机器视觉技术获取对位点坐标，和对位孔比对之后，进行图像修正，直到对位完成。对位是整个工艺流程中非常重要的部分，它决定了打印质量的高低。在装夹的过程中，由于机械误差，PCB打印基板往往并不是在理想位置，总会存在一定的偏移量。为了实现智能打印(即根据打印板的实际位置打印)，在对位过程中加入CCD配准模块，消除制夹过程中的偏移误差，实现无差别打印。具体实现过程为:先采用CCD摄像头采集PCB打印板图像，再截取对位孔图像作为模板图片，通过配准模块中的函数计算出对位孔实际的偏移量，然后将得到的偏移量作为参数传递给打印修正模块进行图像修正，直到对位结束。整个对位系统如图5所示。

图4 PCB喷墨打印机的工艺流程

图5 PCB喷墨打印机对位系统

4)打印条件检测和喷墨打印。检测温度、电压等是否满足打印条件，喷头是否有被堵的喷孔，平台是否归位等。检测完毕之后，启动打印系统。打印系统从对位模块中取得光栅化的图像矩阵，转化为适应喷头的数据，并将图像喷印到PCB板上。喷印结束后进行喷头的清洗。

5)油墨固化。对喷印到板上的油墨进行及时固化。PCB喷墨打印机将油墨直接喷印到PCB基板上，然后经过UV灯的固化，最终得到需要的线路图形和字符图形。

2.5 喷头和油墨对PCB喷墨打印机的影响

2.5.1 喷头对PCB喷墨打印机的影响

PCB喷墨打印机使用的喷头是压电式喷头［6］。所谓的压电式就是喷头采用的是压电式喷墨技术，压电式喷头中的压电晶体会在外加电压下变形，当带有图像信息的电压加到喷头上时，喷头中存储液体的装置体积就会发生突然变化，油墨从固定的小孔中喷出。喷头中最核心的部分是喷嘴，喷头由几十个、几百个甚至几千个喷嘴组成，喷嘴的直径、厚度等都会影响墨滴的体积、喷射的速度和角度。由于目前对PCB的精度要求越来越高，为达到更好的打印效果，就要使墨滴的体积越小越好，这也要求喷嘴的直径越来越小。线路的尺寸和精细度同喷头喷射的墨滴尺寸相关，表1为分辨率和对应的墨滴尺寸。

表1 分辨率与墨滴尺寸的关系

2009 年日本产业技术综合研究所开发了超级喷头，能够喷射的墨滴小到1～2 PL。近年来，他们又开发出更为先进的超级喷墨印刷喷头，喷射的墨滴可以小到飞升(1FL=1×10－15L)，印刷的线宽小到1 μm以下。日本柯尼卡－美能达(KONICA MINOLTA)公司生产的KM512喷头拥有512个喷嘴，喷嘴结构采用双排错位排列，如图6所示。

图6 KM512俯视图

由于采用双排进墨管，且喷射油墨的流量压力很均匀，故喷印的精度更高。该喷头还可自动换气，防止喷嘴堵塞，保障打印过程中不会出现断墨的情况。另外，KM512喷头使用全钢制造，全封闭，防水，防老化，喷头的寿命长，避免了更换喷头带来的额外成本。KM512喷头的打印精度极高，速度也更快，42 PL的精度是720 dpi，14 PL的精度则一般是1 440 dpi。现已开发出的KM1024喷头打印速度更快，精度更高。

2.5.2 油墨对PCB喷墨打印机的影响

PCB喷墨打印机使用的油墨有导电油墨、阻焊油墨和字符油墨等。

对于直接采用喷墨打印机生产PCB所用的导电油墨，要求必须是纳米级金属(如金、银、铜等)颗粒的油墨才能保证在低温条件下烧结，并且达到金属导体的导电率。金、银、铜等纯金属微粒及其化合物或合金是目前制备纳米金属油墨的主要材料。其中，银拥有最高的电导率(6.3×107m/s)，成为最受欢迎的纳米金属油墨。在规模化纳米银油墨产品中，粒径大多是10～15 nm，烧结温度在130℃左右，但一般用于喷印导线的纳米油墨颗粒直径最大不超过2 nm，所以尺寸更小、烧结温度更低且导电性能接近蚀刻铜线的纳米金属油墨是今后研究的重点［7］。由于银纳米油墨的成本昂贵，目前正在研究纳米铜油墨，纳米铜的电阻率相对于银纳米油墨来说增大了12.5%，成本却仅为其1/100，是替代纳米银油墨的最佳选择。对于阻焊油墨来说，不仅要有良好的阻焊性能还要求对板有较好的附着性。而字符油墨对于颗粒大小有很高的要求，不能堵塞喷嘴。

油墨的黏度和触变性等性能都会影响喷嘴处油墨的状态、墨滴的发射速度和形状［8］。如果要实现规模化生产，油墨的性能必须稳定且适合喷头的结构。其中，油墨的黏度和触变性是喷印油墨的重要性能指标;油墨的黏度大小是喷墨打印是否流畅的关键因素。所以，在一定的操作条件下，使用油墨的类型就决定了黏度的范围，只有这样，才能获得精细的打印效果。在控制油墨的黏度而无法提高打印精度的情况下，就要依靠改变油墨的触变性来实现。研究发现，油墨中的固体含量和结构特性对油墨的触变性影响较大，因此油墨中固体含量要控制在一定的范围内。另外，加入触变剂也可改变油墨的触变性。总之，按照打印情况适当改变油墨的黏度和触变性才能获得更高质量的打印效果。

3 PCB喷墨打印机的发展趋势

由上述PCB喷墨打印机的研究现状来看，目前已经开发出基本成熟的PCB喷墨打印机系统，在减少材料消耗、缩短生产周期、降低成本和环境保护方面都有很大的优势，并且打印精度大为提高，打印线条均匀，避免了传统方法中落差位置有图形残缺不全的情况。综合来看，喷墨打印机在改善图形喷印质量和缩短生产流程方面都极具优势。然而，PCB喷墨打印机在全印制电路板的应用方面大多仍处于研发阶段，真正应用到PCB的只有PCB字符打印机。另外，处于研发阶段的研究成果几乎全部来自国外的学者和公司，我国在这方面的成果还很少。

油墨和喷头的研发是决定PCB喷墨打印机能否大规模应用的关键因素。因此，今后的研发重点应放在喷墨打印头和油墨上。目前，国内尚未开发出性能优良的喷印油墨，加之制作纳米油墨的成本较高，这些因素都严重阻碍了PCB喷墨打印机在PCB生产中的推广应用。喷头中喷嘴的数量和尺寸对喷印速度和精度也有很大的影响，如何通过改进喷头的设计来提高打印的分辨率也是未来的一个研究方向。另外，建立完善的培训和服务体系，加强PCB喷墨打印机的技术支持和售后服务以及质量保障，才能使其充分发挥效能。

总之，随着PCB喷墨打印机的持续开发和研究，它必将成为PCB生产行业的主流，给整个PCB制造业带来革命性的变革和进步。

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(责任编辑 杨黎丽)

Development Status and Trend of PCB Inkjet Printer

CHEN Zhuang，SUN Yun

(College of Computer Science and Technology，
Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

PCB has been the indispensable part in our electronic products，but traditional process of PCB production has the insurmountable problems in energy conservation and manufacturing precision.PCB inkjet printing technology has many advantages in shortening the production cycle，cutting down the cost of production，improving the accuracy of production and reducing environmental pollution and it has been the mainstream in PCB production.System architecture and functional architecture are provided.And process and key technology are analyzed in this paper.It proposes that nozzle and ink are the key factors restricting the development.Finally，the development prospects of PCB inkjet printer are discussed.

printed circuit board;inkjet printing technology;inkjet printer

TN6

A

1674－8425(2014)03－0081－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.015

2013－09－27

重庆市科技攻关项目(cstc2012gg－yyjs0346)

陈庄(1964—)，男，四川郫县人，教授，主要从事企业信息化管理、网络与信息安全嵌入式系统方面研究。

陈庄，孙云.PCB喷墨打印机的研发现状和发展趋势［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(3):81－86.

format:CHEN Zhuang，SUN Yun.Development Status and Trend of PCB Inkjet Printer［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):81－86.