工業(yè)級(jí)噴墨打印機(jī)的多種應(yīng)用

自從1980年惠普公司推出第一臺(tái)噴墨打印機(jī)以來，工程師就一直試圖將其用于PCB制造。第一個(gè)成功的應(yīng)用是由HP的PCB工程師在1983年開發(fā)的，他們創(chuàng)建了一種噴墨打印機(jī)制，可用唯一的S/N對(duì)每個(gè)PCB進(jìn)行序列化，以實(shí)現(xiàn)制造可追溯性。其中使用了惠普開發(fā)的一種UV油墨，這種油墨在PCB上效果良好，但不適用于普通紙張。

在該打印機(jī)首次作為阻焊應(yīng)用和圖形打印，以期取代絲網(wǎng)印刷時(shí)，Karl Dietz就撰寫了相關(guān)文章。他的系列專欄文章討論了噴墨打印的方法、3種油墨（熱敏、紫外線和相變）的要素，以及市場(chǎng)上各設(shè)備使用的7種打印頭。如今，應(yīng)用、打印頭技術(shù)、軟件和油墨、膏工藝都得到了顯著改進(jìn)。噴墨技術(shù)是打印電子產(chǎn)品常用手段之一。

噴墨打印

工業(yè)級(jí)噴墨打印機(jī)有4個(gè)重要組成部分(見圖1)，包括：

打印頭

油墨、油膏

打印模塊—油墨配制或固化

CAM數(shù)據(jù)處理和打印頭、基板定位系統(tǒng)

圖1：噴墨系統(tǒng)有4個(gè)組成部分

噴墨打印技術(shù)取決于流體通道中的油墨滴，其直徑范圍為10~150μm，大致對(duì)應(yīng)于噴嘴的直徑(圖2)。液滴的體積在1皮升范圍內(nèi)。噴墨打印適用于電子制造，原因如下：

為非接觸式工藝，可將多種材料以逐滴方式選擇性地沉積到不同類型的基板上；

車間空間要求、初始投資和運(yùn)行噴墨打印設(shè)置的時(shí)間低于大多數(shù)其他打印技術(shù)；

適用于各種生產(chǎn)規(guī)模，包括樣品到大規(guī)模批量生產(chǎn)；

油墨消耗和材料浪費(fèi)極少；

在工藝鏈中的定位靈活；

可以產(chǎn)生圖形化薄膜。值得注意的是，高度復(fù)雜的集成電路(IC)的制造偏離標(biāo)準(zhǔn)噴墨的專業(yè)技術(shù)。

圖2：噴墨打印工藝可簡(jiǎn)化流程

噴墨打印頭

打印頭是噴墨打印機(jī)的核心。除了惠普原裝的熱敏薄膜打印頭之外，還有壓電式打印頭，它構(gòu)成了大多數(shù)加成法噴墨打印系統(tǒng)?，F(xiàn)在出現(xiàn)了壓電聲學(xué)打印頭和連續(xù)激光輔助系統(tǒng)(LIFT)，如圖3所示。這些新技術(shù)擴(kuò)大了可以應(yīng)用于噴墨打印的油墨范圍。打印頭的功能由液滴大小、重疊以及打印頭可以達(dá)到的頻率(現(xiàn)在為80 kHz)決定?？梢詽M足5000 dpi分辨率和40~70μm最小線寬要求。

圖3：另一個(gè)內(nèi)層實(shí)例，蝕刻前后的75/75μm線寬和線距

為了提高速度和密度，噴墨技術(shù)借鑒了DMD微鏡曝光技術(shù)，現(xiàn)在使用多個(gè)噴墨打印頭來實(shí)現(xiàn)這一性能。圖4顯示了Ghent大學(xué)微系統(tǒng)技術(shù)中心(Center for Microsystems Technology，簡(jiǎn)稱CMST)和IMEC的測(cè)試載體，其蝕刻走線可達(dá)40μm。

圖4：激光誘導(dǎo)正向傳輸(aser induced forward transfer，簡(jiǎn)稱LIFT)系統(tǒng)和新型壓電聲學(xué)頭

圖5展示了使用有5個(gè)pl-256噴嘴的三星打印頭在三星拼板上打印的蝕刻、電鍍抗蝕劑。

圖5：使用配有10皮秒打印頭的Dimatix DMP材料打印機(jī)，采用Dow LITHOJET 200系列抗蝕油墨打印的測(cè)試載體

油墨或焊膏

油墨配方存在許多挑戰(zhàn)，包括附著力、固化，尤其是噴射后的擴(kuò)散。圖4說明了紙張上的普通噴墨打印與PCB上的噴墨打印之間的差異。

油墨制備、油墨固化

除了噴射油墨外，系統(tǒng)可能還必須制備油墨（通過熔化熱熔油墨）或固化UV油墨。

系統(tǒng)軟件和定位

附加的系統(tǒng)包括噴墨打印頭的定位，特別是準(zhǔn)備用于驅(qū)動(dòng)噴墨打印頭和基板定位的CAM信息。表1列出了僅使用1個(gè)打印頭與使用15個(gè)打印頭在460 mm×610mm拼板上打印75/75μm線寬、線距的打印時(shí)間。

打印時(shí)間與打印頭數(shù)量的靈敏度如圖6位置所示。

圖6：不同的打印時(shí)間與工作臺(tái)速度和打印頭數(shù)量的關(guān)系

對(duì)于高階系統(tǒng)，大拼板產(chǎn)能可以達(dá)到：

17.0”×22.8”：17秒

20.0”×24.0”：27秒

24.0”×30.7”：31秒

應(yīng)用

作為打印阻焊油墨和圖形油墨的一種方法，噴墨打印的優(yōu)勢(shì)已得到業(yè)界公認(rèn)。噴墨打印內(nèi)層蝕刻的抗蝕劑，具有線寬、線距可達(dá)到小于70μm的優(yōu)勢(shì)。越來越多的應(yīng)用是用于導(dǎo)電走線的增材打印。銀納米粒子現(xiàn)在盛行，銅納米粒子油墨正在增長(zhǎng)，碳納米管很快就會(huì)出現(xiàn)。

到2024年，噴墨打印頭市場(chǎng)將會(huì)增長(zhǎng)到33億美元(圖7)。

圖7：消費(fèi)類、工業(yè)和圖形噴墨用打印頭銷售增長(zhǎng)預(yù)測(cè)(源：YOLE Development）

結(jié)論

自最初簡(jiǎn)單在普通紙張上打印，如今噴墨技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展起來，可使用更多種類材料進(jìn)行噴射，打印頭技術(shù)也不斷改進(jìn)。下面列出目前噴墨技術(shù)的多種應(yīng)用，未來將會(huì)不斷增加：

天線：如無線、手機(jī)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、軍用應(yīng)用、航空應(yīng)用、CB

薄膜開關(guān)：鍵盤· 電容器、電阻器和電感器

屏蔽：如RFI和EMI，傳感器和精密互連

光伏（太陽(yáng)能電池）

RFID嵌體、RFID標(biāo)簽

智能卡、電子護(hù)照、電子身份證

電致發(fā)光、觸控面板等顯示器

汽車和電信應(yīng)用

醫(yī)療和診斷設(shè)備

加熱器電路

取代開關(guān)上的金鍍層

噴墨技術(shù)在干膜光致抗蝕劑方面，仍有重大的挑戰(zhàn)需要設(shè)備制造商去克服，包括制造銳角（墨滴始終會(huì)產(chǎn)生曲線）、使走線邊緣盡可能平滑和垂直、復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)實(shí)踐（如篷蓋），以及確保打印頭維護(hù)計(jì)劃以避免噴嘴堵塞，目前均已在實(shí)施中。