工业级喷墨打印机的多种应用

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。

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：

打印头

油墨、油膏

打印模块—油墨配制或固化

CAM数据处理和打印头、基板定位系统

图1：喷墨系统有4个组成部分

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。

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。

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。

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。

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。

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)。

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多种应用，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

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。

审核编辑：彭静