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喷墨技术最新动态

十月 12, 2022 | Happy Holden, I-Connect007
喷墨技术最新动态

自从1980年惠普公司推出第一台喷墨打印机以来,工程师就一直试图将其用于PCB制造。第一个成功的应用是由HP的PCB工程师在1983年开发的,他们创建了一种喷墨打印机制,可用唯一的S/N对每个PCB进行序列化,以实现制造可追溯性。其中使用了惠普开发的一种UV油墨,这种油墨在PCB上效果良好,但不适用于普通纸张。

 

简介

在该打印机首次作为阻焊应用和图形打印,以期取代丝网印刷时,Karl Dietz就撰写了相关文章。他的系列专栏文章讨论了喷墨打印的方法、3种油墨(热敏、紫外线和相变)的要素,以及市场上各设备使用的7种打印头。如今,应用、打印头技术、软件和油墨、膏工艺都得到了显著改进。喷墨技术是打印电子产品常用手段之一。

 

喷墨打印

工业级喷墨打印机有4个重要组成部分(见图1),包括:

1.打印头

2.油墨、油膏

3.打印模块—油墨配制或固化

4.CAM数据处理和打印头、基板定位系统

 

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图1:喷墨系统有4个组成部分(来源:陶氏电子材料)

 

喷墨打印技术取决于流体通道中的油墨滴,其直径范围为10~150μm,大致对应于喷嘴的直径(图2)。液滴的体积在1皮升范围内。喷墨打印适用于电子制造,原因如下:

  • 为非接触式工艺,可将多种材料以逐滴方式选择性地沉积到不同类型的基板上;
  • 车间空间要求、初始投资和运行喷墨打印设置的时间低于大多数其他打印技术;
  • 适用于各种生产规模,包括样品到大规模批量生产;
  • 油墨消耗和材料浪费极少;
  • 在工艺链中的定位灵活;

可以产生图形化薄膜。值得注意的是,高度复杂的集成电路(IC)的制造偏离标准喷墨的专业技术。

 

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图2:喷墨打印工艺可简化流程

 

喷墨打印头

打印头是喷墨打印机的核心。除了惠普原装的热敏薄膜打印头之外,还有压电式打印头,它构成了大多数加成法喷墨打印系统。现在出现了压电声学打印头和连续激光辅助系统(LIFT),如图3所示。这些新技术扩大了可以应用于喷墨打印的油墨范围。打印头的功能由液滴大小、重叠以及打印头可以达到的频率(现在为80 kHz)决定。可以满足5000 dpi分辨率和40~70μm最小线宽要求。

 

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图3:另一个内层实例,蚀刻前后的75/75μm线宽和线距

 

为了提高速度和密度,喷墨技术借鉴了DMD微镜曝光技术,现在使用多个喷墨打印头来实现这一性能。图4显示了Ghent大学微系统技术中心(Center for Microsystems Technology,简称CMST)和IMEC的测试载体,其蚀刻走线可达40μm。

 

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图4:激光诱导正向传输(aser induced forward transfer,简称LIFT)系统和新型压电声学头

 

图5展示了使用有5个pl-256喷嘴的三星打印头在三星拼板上打印的蚀刻、电镀抗蚀剂。

 

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图5:使用配有10皮秒打印头的Dimatix DMP材料打印机,采用Dow LITHOJET 200系列抗蚀油墨打印的测试载体

 

油墨或焊膏

油墨配方存在许多挑战,包括附着力、固化,尤其是喷射后的扩散。图4说明了纸张上的普通喷墨打印与PCB上的喷墨打印之间的差异。

 

油墨制备、油墨固化

除了喷射油墨外,系统可能还必须制备油墨(通过熔化热熔油墨)或固化UV油墨。

 

系统软件和定位

附加的系统包括喷墨打印头的定位,特别是准备用于驱动喷墨打印头和基板定位的CAM信息。表1列出了仅使用1个打印头与使用15个打印头在460 mm×610mm拼板上打印75/75μm线宽、线距的打印时间。

打印时间与打印头数量的灵敏度如图6位置所示。

 

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图6:不同的打印时间与工作台速度和打印头数量的关系

 

对于高阶系统,大拼板产能可以达到:

  • 17.0”×22.8”:17秒
  • 20.0”×24.0”:27秒
  • 24.0”×30.7”:31秒

 

应用

作为打印阻焊油墨和图形油墨的一种方法,喷墨打印的优势已得到业界公认。喷墨打印内层蚀刻的抗蚀剂,具有线宽、线距可达到小于70μm的优势。越来越多的应用是用于导电走线的增材打印。银纳米粒子现在盛行,铜纳米粒子油墨正在增长,碳纳米管很快就会出现。

到2024年,喷墨打印头市场将会增长到33亿美元(图7)。

 

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图7:消费类、工业和图形喷墨用打印头销售增长预测(源:YOLE Development)

 

结论

自最初简单在普通纸张上打印,如今喷墨技术已经逐步发展起来,可使用更多种类材料进行喷射,打印头技术也不断改进。下面列出目前喷墨技术的12种应用,未来将会不断增加:

  • 天线:如无线、手机、工业物联网、军用应用、航空应用、CB
  • 薄膜开关:键盘· 电容器、电阻器和电感器
  • 屏蔽:如RFI和EMI· 传感器和精密互连
  • 光伏(太阳能电池)
  • RFID嵌体、RFID标签和智能卡、电子护照、电子身份证
  • 电致发光、触控面板等显示器
  • 汽车和电信应用· 医疗和诊断设备
  • 加热器电路
  • 取代开关上的金镀层

喷墨技术在干膜光致抗蚀剂方面,仍有重大的挑战需要设备制造商去克服,包括制造锐角(墨滴始终会产生曲线)、使走线边缘尽可能平滑和垂直、复制标准行业实践(如篷盖),以及确保打印头维护计划以避免喷嘴堵塞,目前均已在实施中。

更多内容点击这里查看,文章发表于《PCB007中国线上杂志》22年9月号,更多精彩原创内容,欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。

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