浅析用于PCB蚀刻线路的数字喷墨打印技术

　　采用数字(直接从CAM或CAD得到)喷墨打印机直接把蚀刻抗蚀剂打印到内层“在制板”(Panels)上，经过UV光固化后，便可进行蚀刻而得到内层的线路图形。从而，既消除了照像底片的制作过程与设备，又避免了曝光和显影的过程与设备，其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。
　　同时，更重要的是明显提高了图形的位置度和层间对位度(特别是消除了底J午的尺寸变化和曝光对位等带来的尺寸偏差)，对于多层PCB板改善质量和提高产品合格率，也是极其有利的。它将与激光直接成像(LDI)一样，可以缩短PCB生产流程(周期，特别是表现在图形转移工序上)和提高产品质量方面，是PCB工业技术的重要改革与进步，而目．比激光直接成像(LDI)技术优越，避免显影过程与设备，生产成本更低。
　　因此，数字喷墨打印技术已经预示着：它是目前以及今后PCB工业生产工艺的发展方向，不仅可以在PCB的图形转移技术中应用，还可以在嵌入无源元件等得到应用，甚至在层间连接(填孔等)也得到了应用。人们正在试验和评估这一新工艺技术的前景，甚至提出“全印制化PCB”(全部采用数字喷墨打印形成的PCB)的设想与实施计划，也就是说，不仅图形转移是采用数字喷墨打印技术来形成的，而且其它所有的PCB导电图形(如导通孔等)都是采用数字喷墨打印技术来完成的。我相信数字喷墨打印技术是会发展壮大起来的，并将成为PCB 工业的生产发展与进步的方向之一。
　　1　数字喷墨打印技术的优越性
　　众所周知，在我国以照像底片为基础的图形转移技术已有50多年的历史，尽管它还有很长的生命力，但是，在目前及今后的PCB高密度化的线宽／间距将变得更小、更密，孔径越来越小，在保持尺寸相对误差下，尺寸的绝对误差更严格。以照像底片为基础的图形转移技术，不仅成本高、工序多、周期长，而且形成的图形位置度尺寸偏差大，往往满足不了高密度化产品的要求。而数字喷墨打印技术具有如F的优越性：
　　(1)生产：[序(过程)明显减少
　　数字喷墨打印技术将使PCB的图形转移工序明显的减少。
　　从表l中可清楚地看出，采用数字喷墨打印的图形转移技术，其加工工序最少，所用设备最少，耗用材料最少，生产周期最短，当然，环境污染和成本也最低。
　　(2)产品质量和合格率明显提高
　　由于数字喷墨打印技术使PCB的图形转移工序明显减少，因此，消除了减少加工工序所产生的偏差和缺陷，使产品质量和合格率明显提高。
　　①任何产品的生产，其产品质量和合格率都是以产品生产工序为函数的，生产工序越多，所生产的产品质量和合格率将越低。因为任一工序生产的产品质量和合格率总是≤100％的，最终产品的质量和合格率是所
　　有生产工序所产出的产品的质量或合格率的乘积或综合结果来表明的。所以产品的生产工序(过程)越少，所生产的产品质量或合格率也就越高。
　　②每个生产工序都会存在着缺陷和稳定性问题。如仅在图形转移中：常规方法的工序中，存在着照像底片尺寸稳定性、针孔等缺陷问题；曝光过程存在着定位偏差、曝光不均匀和温度与房间洁净度等问题；显影过
　　程的均匀性等会带来的缺陷，这些缺陷与问题等都会带来产品质量或合格率的降低，这是十分清楚而易于理解的，故不予展述。
　　2　数字喷墨打印技术
　　数字喷墨打印(Digital Ink-jet Printing)技术，它是以数据驱动方法而喷射出油墨小滴于在制板上形成所需要的图形。目前，油墨喷射有两种方法：(1)利用直接或间接耦合压电材料来改变油墨体积而喷射出油墨小滴；(2)采用电阻元件加热方法来改变油墨体积而喷射出油墨小滴。
　　2．1  喷墨打印技术原理
　　现以耦合压电材料引起油墨体积改变而形成喷墨打印图形为例来说明喷墨打印的原理。环形压电发射器PZT(Piezoelectric Tromsducer)包覆于具有小孔(0rifice)的玻璃(大多采用石英玻璃)管上，它适宜于传输湿式(液体)材料，这种结构可用来传输牛顿粘度为20厘泊(CPcentipoise)左右的任何液体。因此，这个装置可用来喷射任何配制好的液体或金属盒内的金属熔液，也可以喷射分散在水中的各种溶剂、水溶液、熔化的焊料与聚脂、有机金属和纳米金属颗粒的溶液。这种设备可在室温至340℃的温度范围内进行操作。喷墨打印机喷出的液体小滴(DOD，Drop-On．Demands)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100m，主要是由玻璃管小孔的直径来决定，每秒钟可喷射4000小滴，而每滴的体积量可小到3皮升(1pL=l×10-12L)。这种数字喷墨打E『J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。
　　为了提高生产率，大多采用多重(管)喷墨打印技术，它是由单通道(管)的喷射管以任意个数『m灵活组合成整排或多苇(排)的喷墨分配器来进行喷墨打印的，如图2所示。
　　2．2数字喷墨打印设备
　　用干PCB生产的数字喷墨打印设备必须满足PCB整体(在这里是指“在制板”的整个图形转移过程)的要求。
　　MicroCraft的MJ6151系列喷墨打印机，其喷印的分辨率为300dpi。600dpi，喷射墨滴量最小为30pL，线宽处在80μm～150μm之间，只能满足一般线路密度的要求。必须开发更小的喷射墨滴量，更高的喷印的分辨率，才能获得更小的线宽，如喷印的分辨率为1200dpi～2400dpi，喷射墨滴量最小为3pL～6pL，则线宽可达到5μm～20μm之间。
　　(1)对数字喷墨打印设备的总要求
　　这些要求有：①具有实用于刚性板和挠性板的能力：②具有图形转移的软件；③对基(在制)板具有固定装置；④具有精确的X-Y移动装置；⑤打印头具有精确定(对)位和高度调整；⑥具有使板的正反面对准；⑦具有紫外线(UV)固化功能；⑧具有自动加墨装置；⑨具有批量(规模)的生产能力；⑩具有打印头的清洗和维护的设置。
　　(2)喷墨打印头
　　从数字喷墨打印机的精确定位和图形转移软件的角度看，最重要的是喷印图形的位置精确度和喷印的图形的质量。对于生产PCB来说，压电喷射(打印)头喷射的小滴(D O D)应具有最小角度偏差(移)的生产精确性和可重复的液滴量。现代的技术使打印头喷射的小滴体积量应小到3pL。
　　如图3所示的数字喷墨打印机，装置有6pL．42pL的多种尺寸喷印(喷射)头，可以满足不同分辨力(率)要求的小滴相匹配。如要求打印精细导线时，则选用靠近最小滴和最大相数(dpi)的打印头打印，而对于大面积而分辨力(率)较低的电、地层，则选择靠近最大液滴喷射的打印头工作，可以提高打印速度和生产率。
　　(3)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(Dots Per Inch，相数)等。近期目标50面／h．60面／h，未来的目标是120面／h。生产时要把打印速度和小滴设置调整到最佳化的图形转移的质量要求。增加喷墨打印头和／或保持分辨(率)力(Native Re solution)(保持喷嘴距离)而提高喷墨打印速度，这些都是有利于提高喷射图形质量和达到更大的生产率。
　　数字喷墨打印技术应用于挠性板(FPC)是最容易实现规模化生产的，特别是采用卷式(Reel-to-Reel)自动化连续生产是最可取的方法，如图5所示
　　2．3 UV固化的蚀刻抗蚀剂
　　在数字喷墨打印技术中，油墨材料和性能是至关重要的，不仅选用的油墨材料和性能要属于UV固化型，而且油墨材料和性能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。因此，用于PCB喷墨打印的蚀刻抗蚀剂的化学性能必须达到最佳化。
　　(1)油墨材料的黏度(Viscosity)和表面张力(Surface Tension)等性能将会影响喷墨管口的堆积(Buildup)、墨滴形状、攀滴发射(Spreading)状态，当然改变喷翠管的温度和电压也会影响这些参数。但其前提是，只有油墨材料和性能处在最佳化学状态下才能形成最好的墨滴。实际上，喷墨打印图形的分辨力(率)或喷墨打印头喷射出的墨滴大小是取决于油墨滴的流变动力学(The Drop Dy-namics of Ink Rheology)、锏表面粗糙度和对UV光敏感度，只有把这些因素和条件进一步优化后，踺滴的扩散程度才能达到最小化。
　　喷墨打印出墨滴的形状、人小等可用墨滴观测机(站)(Drop watcher Station)进行观察与测量。如果墨滴的形成是呈拖尾状、泪滴状等，这样的质量是差的，必然会引起蚀刻的铜图形或导线不规则与缺陷问题。喷射完整的墨滴所形成的蚀刻铜图形才能得到规则而完整的最终导线或图形。
　　图6分别示出喷墨打印工艺参数优化与否的墨滴形成线的宽度情况。图6(a)为喷墨打印参数非优化的线宽(增宽了)，图6(b)是喷墨打印参数优化(铜表面和墨滴)的线宽(满足规定尺寸要求)。
　　(2)采用日前纸张用喷墨打印机(喷印大墨滴)在基材(CCL)上形成的图形经过蚀刻而得到线路图形，如图7所示。图7表明这种非优化的蚀刻图形的线宽为150μm。显然，从生产干u应用上，这样的导线宽度和尺寸精度是小能接受的。
　　(3)优化喷举打印工艺参数来获得精细的线路图形。
　　线路图形的分辨力(率)是与喷射的油墨体积DOD和卡H数dpi(Dats Per Inch)成比例的，只有喷射油墨的体积DOD越小和dpi越大，喷墨打印的线路图形分辨力才越高。如耍达到75μm的线宽／间距(L／s)的分辨力，必须采用小于6pL的DOD和大于1 200dpi才可以，而要达到50μm线宽／间距的分辨力，必须采用小于3pL的DOD和大丁2400dpi才可以。一般来说，可以通过DOD和dpi的组合来优化线路图形的分辨力。
　　采用6pL的DOD和1 20()dpi的工艺参数而喷印于18μm的铜箔板上，形成／支经过蚀刻和剥离油墨后形成100μm分辨力的线路图形，图10和图11是放大了的图形。
　　采用3pＬDOD和2400dpi工艺参数而喷印于18μm的铜箔板上，经过蚀刻和剥离油墨后所形成掷为50μm分辨力的线路图形，并要求达到50μm±5μm的线宽误差条件。
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　　(4)提高喷印分辨力和生产率。
　　为了达到上述喷印的分辨力和牛产率(生产速度)的要求，必须正确和严格选择打印头(Printhe ad)，喷头(嘴)的密度、角度偏差、墨滴速度和材料兼容性能等都会影响打印速度和质量。两个商用喷头之间的差别，其中，(b)是改进了墨滴大小和喷头密度的结果。现在，改进的喷印的速度提高了8倍，而墨滴的dpi由1200提高到1440。
　　以上说明，只有选用先进的数字喷墨打印机(喷印小的墨滴和高的dpi值)、相匹配的紫外线光(UV)的抗蚀剂、并优化的喷墨打印工艺参数等，才能获得精细的线路图形和生产率。
　　3　目前状态与未来
　　目前，主要是分别开发出先进的数字喷墨打印机和优良的UV光固化的蚀刻抗蚀剂，并能够彼此匹配起来，易于调整和使用。这种优良的UV光固化的蚀刻抗蚀剂经过先进的数字喷墨打印机所形成的喷墨打印图形，经得起酸性蚀刻液蚀刻，可以获得精细的75um线宽／间距(L胚)，并且易r在水溶液或碱性水溶液中清除。
　　(1)在喷墨打印之前，基板上的铜箔表面必须清除去铬和污染物(岔氧化物)等，并确保有一定的表面粗糙度，以便保证喷射的墨滴能够附着和足够的附着力。
　　(2)数字喷墨打印图形的分辨力(率)是与喷射墨滴量(体积)和州数(dpi)成比例的。也就是说，喷墨打印图形的分辨力(率)足与喷射墨滴量(体积)成反比，而与相数(dpi)成正比的。这样就可通过调整和优化喷射墨滴量(体积)和相数(dpi)便可获得不同的喷墨打印图形的分辨力(率)。如：要获得75unl线宽／间距(L／S)的分辨力(半)，喷射墨滴量(体积)和相数(dpi)分别应为6pL和1200dpi相数；而有得到50μm线宽／间距(L／S)的分辨力(率)，则喷射墨滴量(体积)和相数(dpi)分别应为3pL和2400dpi相数。
　　(3)通过油墨的黏度、流变性的渊整，在相同的墨滴量_下，可以获得不同的宽度的喷墨打印图形的分辨力(率)。如采用喷射墨滴量 (体积)和相数(dpi)分别应为6pL和1200dpi相数，但由于形成的厚度不同，使可得到不同的导线宽度：墨滴量形成小于2μm厚度时，获得的是200μm线宽／间距 (L／S)；墨滴量是形成4μm～6μm厚度时，获得的是200μm线宽／间距(L／s)；㈨墨滴量形成8μm～10μm厚度n寸，获得的是50μm～60μm线宽／间距(L／S)。所以控制好油器材料和性能是十分重要的。同时，基材制箔厚度对导线精细度的控制也是有影响的，在这里不论述了。
　　(4)数字喷墨打印技术面临的问题。前面已经评述了数字喷墨打印技术具有的优点，然而，数字喷墨打印技术也存在二方面需要克服的问题：①当导线≤100gm时，形成的导线不规则性比起激光直接成像和底片形成的导线不规则性，要严重得多；②陡直的蚀刻侧壁也是困难得到的，由于不规则的图形，更易造成这个问题；③大规模化生产是有困难的，从重复性、可维护性和投资等角度来看，按目前状况来说，仍然是有疑虑的。
　　随着科技迅速的发展，对上述的这些问题将会不断得到改善和进步，相信喷墨打印技术将和激光直接成像(LDI)技术一样，在PCB工业中应用开，在不久的将来，喷墨打印技术会成为PCB工业牛产的重要方面军。
　　4　结论
　　采用具有前端技术的压电喷射墨滴(DOD)喷墨打印头的先进喷墨打印机、最新开发的UV型抗蚀油墨，因而可以满足PCB企业用于内层的线路的生产，甚至可扩大到外层的阻焊膜(剂)、标记符号的生产。
　　(1)短周期化。数字喷墨打印技术用于PCB图形转移的生产，的确具有很多优点，如明显地缩短了图形转移的生产过程和生产周期，对于低成来生产多品种、小批量的“快件”和样品是非常有利的。
　　(2)低成本化。由于数字喷墨打印机直接采用CAD／CAM的数字化数据进行喷墨打印PCB内层等图形，因而减少了许多T序和昂贵的设备(如光绘机、底片显影机、曝光机等)，消除了底片很多的保管和费事的检测，节省了人力等，从而降低了生产成本。
　　(3)提高环保化。采用墨滴喷印抗蚀剂图形(如内层、阻焊、字符等)，既节省了干膜(或湿膜等)，又减少了显影、脱(剥离)膜和清洗等的有机污染废液的处理量，属于低耗减排工艺，明显有利于环境保护。从PCB生产率和环境保护角度上看，采用喷墨打印技术生产内层，而采用激光直接成像技术进行外层图形电镀和阻焊膜是更合理的。
　　(4)需要进一步提高图形的精细化性能。由于数字喷墨打印机的喷印头技术和UV型抗蚀油墨性能，它们之间的优化和维护等仍存在着需要大力改进之处，因此还不能很好地稳定和批量生产精细图形，特别是≤80μm陡直的精细导线宽／间距(L／S)，这对于高频电子产品(特别是大于1G的频率范围)足极为重要的。
　　(5)数字喷墨打印技术将会成为PCB工业生产的一种重要方法。从PCB高密度化和低成本化的生产发展角度来说，它将和激光直接成像(LDI)一样成为PCB生产中“图形转移”的不可或缺的“互补者”和有力的“竞争者”。