林金堵
CPCA顾问
摘要文章简要的介绍了喷墨打印技术在PCB工业中的应用前景。从喷墨打印技术在PCB中应用发展来看，首先是在图形转移中应用，然后再推广应用到埋嵌无源元件和全印刷电子产品的的领域上。今后，喷墨打印技术会成为PCB工业生产的主流之一。
关键词印制电路板：数字喷墨打印技术；图形转移；埋嵌无源元件；全印刷电子技术；纳米级油墨 作为快速、有效和灵活的数字喷墨打印技术(Digital Printing Inkjet Technology)，早在1990年，就有人预见到该技术会在PCB生产中得到推广应用起来，并且将可能成为PCB 生产的主流技术。目前，数字喷墨打印技术的优点已经逐步被人们所认识和理解。数字喷墨打印技术的优点是很多的，由于喷墨打印机(Inkjet Printer)可以直接采用常规的数据格式(如Gerber)、CAD／CAM的数据进行喷墨形成所需要的抗蚀线路和图形、直接形成导电图形与线路以及埋嵌无源元件等，避免了传统的图形转移等一系列的设备和工艺过程，不仅是“非接触式”形成线路和图形，而且明显提高了位置精度，既达到快速、低成本化，又有利于降污减的环境保护，符合“绿生产”的要求。特别是对于样品、多品种和低批量的PCB产品的生产是十分理想的。 焊锡线
在初始阶段，由于大多采用办公用喷墨打印技术形成的导线，只能勉强生产100um／100um的线宽／间距，速度慢，满足不了规模化生产的要求，加上油墨类型、性能和控制等存在的问题，同时，激光直接成像(LDI)的技术不断成熟，所以，十多年来，在PCB工业中，喷墨打印技术的推广应用仍然十分有限。
近两三年来，由于喷墨数字打印技术的进步，特别是“专用”(产业化)的和“超级喷墨”(Super Inklet)技术的出现、喷射用的打印头和专用油墨(特别是纳米级油墨的出现)的明显改进和突破，现在可以得到3um一5um的线宽/间距。这些技术、工艺和应用条件的不断成熟，为喷墨打印技术在PCB领域中的推广应用，提供了基础和保证。
从目前和今后应用和发展的前景来看，喷墨打印技术在PCB中的应用主要表现在以下三个方面：(1)在图形转移中的应用；(2)在埋嵌无源元件中的应用；(3)在直接形成线路和连接的全印制电子(含封装方面)中的应用。
线路转换器1喷墨打印在图形转移中的应用
采用数字(直接从CAM或CAD得到)喷墨打印机直接把抗蚀剂(抗蚀刻油墨)喷印到内层“在制板”(Panel s)上，经过UV光固化后，便可进行蚀刻而得到内层的线路图形。同理，把阻焊性油墨直接喷印到成品的PCB表面形成阻焊的图形，经过UV光固化后，便可得到阻焊图形(也可得到所需要的字符等)。采用数
字喷墨打印技术与工艺，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，最重要的是明显的提高了图形的位置度和层间对位度(特别是消除了底片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，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，而且比激光直接成像(LDI)技术优越，避
免显影过程与设备，生产成本更低，如表1所示。
药片制作从表1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，环境污染和成本也最低!
但是，从目前在PCB工业中的初步应用情况来看，大多数的喷墨打印机，如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80um-150um之间，只能满足一般线路密度的要求。只有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一6pL，则线宽可达到5um-20um之间，喷射墨滴量最小为1pL-3pL，则线宽可达到21um-一3um之间。
值得一提的是：喷墨打印技术在挠性印制板中的前景是非常大的，由于不用照像底片，加工工序又大为减少，简化了生产管理，可明显提高挠性产品的制造精确度和合格率，特别是在卷式生产(RTR，Roll-To-Roll或Rell-T0-Rell)中，既简化了加工过程(直接由喷墨打印机喷墨形成抗蚀图形)和管理(维护与检查)，又消除了采用底片的温湿度、安装和曝光以及显影等带来的尺寸变化而引起产品精确度和合格率等问题，对于提高挠性印制板高密度化和产品质量是不难理解的。
当然，若把抗蚀油墨改变成为阻焊油墨或字符油墨等，则可实现喷墨打印阻焊层(膜)或喷墨打印字符等。
2喷墨打印在埋嵌无源元件中的应用
(1)喷墨打印在埋嵌无源元件。这是指喷墨打印机直接把用作“无源元件”的导电油墨喷印到PCB内部设定的位置上，从而形成埋嵌无源元件的PCB产品。这里所说的“无源元件”是指电阻、电容和电感(现在已经发展到埋嵌“有源元件”，如系统封装)。由于电子的高密度化和高频化等的发展，为了尽量降低串扰(感抗、容抗)等带来的失真、噪音等，需要越来越多的“无源元件”。同时，由于“无源元件”数量越来越多，不仅占领面积比例越来越大，而且其焊接点也越来越多，已经形成电子产品故障率的最大因素，加上表面安装“无源元件”形成的回路而产生的“二次干扰”等，这些因素越来越大地威胁着电子产品的可靠性。因此，在P C B中埋嵌“无源元件”来提高电气性能和降低故障率，已经上升成为PCB 生产的主流产品之一。
(2)关于在P C B中埋嵌“无源元件”的原理与方法。我在2003年的《现代印制电路先进技术》第四章《集成电元件印制板》中都进行了较详细的叙述，如要进一步了解请参阅该书有关章节。这里是简要说一下，一般来说，埋嵌电阻、电容和电感的“无源元件”，除了
“公共电容”放在电／地之间外，其它大多是放在多层PCB的第2层和(n-1)上。
用作电阻的“电阻导电胶(油墨)”(如碳墨、含银的电阻性油墨等)利用喷墨打印设备喷印到PCB的内层片(已蚀刻过)已设定的位置上，其底部的两端有蚀刻的导线(开路)连接着，经过烘烤、检测，然后压入P C B板内，即成。
同理，用作“电容(主要是旁路电容)”的“电容导电胶(油墨)”利用喷墨打印机喷印到预置位置的铜箔上，烘干和／或烧结，再喷印上一层含银等导电油墨，再烘干和，或烧结，然后层压(倒置过来)、蚀刻，既形成电容，又形成内层线路。
在电子产品和电子设备中，使用电感器的数量。比起电阻和电容来要少得多。同理，利用喷墨打印机把导电性油墨(形成中心电极)、电感性材料(铁磁性材料，如Ni-zn铁氧体、Mn-Mg铁氧体等)油墨(形成高电感性介质层)，再在高电感性介质层上喷印导电油墨形成线圈即成。
3喷墨打印在直接形成线路和全印制电子中的应用
喷墨打印直接形成线路是指喷墨打印机直接采用导电油墨而喷印在基板(无铜箔)上面形成的导电线路和图形。全印制电子(Print Full Electronic)技术是指整个印制电路板的形成过程全部是用喷墨打印技术来完成的。
全印制电子技术，由于明显提高着PCB设计和制造的自由度，极大缩短和简化制造工艺过程，很大地降低了成本，非常符合“节能减排”的环境友好的要求。因此将会在PCB 工业中迅速地堆广应用开来。目前，喷墨打印技术的主用问题是：（1）开发产业(规模化生产)用的先进喷墨打印机和“超级”喷墨打印设备；(2)开发产业用的先进喷印油墨，特别是各种各样的“金属纳米级”油墨，如银、铜和金等的纳米级油墨。 3．1 喷墨打印机(设备)
在“全印制电子(Print Full Electronic)”产品的制造中，最关键的有两大主题：(1)喷墨打
印机问题，特别是喷墨打印头方面；(2)金属“纳米”级油墨的开发与制备。
(1)喷墨打印机(设备)
喷墨打印机(设备)方面主要是喷墨打印头和生产率(力)两个方面。目前生产的喷墨打印机的喷头(墨滴量)和生产力(率)的情况如表2所示。
MicroCraft的MJ6151系列喷墨打印机，其喷印的分辨率为300dpi一600dpi，喷射墨滴量最小为30pL，线宽处在801um一150um之间，只能满足一般线路密度的要求。对于抗蚀油墨而言，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一2400dpi，喷射墨滴量最小为3 P L一6 P L，则线宽可达到5um~20um之间。而对于“金属纳米级油墨”来说，必须开发具有开发出喷射更小的“墨
滴”(如小于1pL或亚皮升级)的喷射头的喷墨打印机，才能满足直接形成5um以下的线宽的要求。
(2)金属纳米级油墨
①金属纳米油墨。这是指油墨中所含(分散)的金属颗粒尺寸等级是在1nm左右的产品。因此，我们必须很好了解和掌握“金属纳米级”油墨的性能。
②“金属纳米颗粒”的特性。“金属纳米颗粒”的特性主要有以下三种：
A．金属的熔点会降低到室温水平(与颗粒尺寸有关)。这样一来，“金属纳米颗粒”之间的熔融连接便可在室温或在基板可耐温的条件下进行烧结来形成。在金属纳米级油墨经直接喷墨打印成线路和图形后，通过烘干除去溶剂(挥发)或“烧结”热分解(破“络”除去有机物等)使金属的“纳米颗粒”互相接触并在表面发生熔化，便可获得微米结构的导电的金属烧结体(导线或图形)。如采用“银纳米颗粒”的油墨在喷射
lpL一2pL(微微升)墨滴所形成的导线，经过230℃／40min以下进行烧结，便可得到电阻率为3uΩ·cm的导体，接近于纯银(电阻率为1．6 uΩ·cm)和纯铜(电阻率1．7 uΩ·cm的电阻率，因而可形成优良的导体。
B．金属的纳米颗粒在溶液(如水溶液或溶剂，当然是以具有极性的“络合物”而存在的)中是不会产生“凝聚”而“沉降”现象。这是因为金属的纳米颗粒在有“极性”的有机溶剂中形成络合作用，呈现出不会凝聚的稳定分散状态。试验表明，金属的纳米颗粒分散的稳定性比一般的胶体的分散的稳定性还要好，因此，在油墨中的分散状态的金属纳米颗粒是非常有利于进行保存和使用的。同时，可通过改变金属的纳米颗粒的浓度来改变金属的纳米的粘度和触变性，以有利于更好地控制喷墨打印的图形精确度(含厚度)。
C．金属的纳米颗粒“质量”微小，因而不会产生减缓“金属纳米级油墨”墨滴的喷射速度，这是非常重要的。否则，就会影响喷墨打印的(位置和尺寸)精确度。
③金属纳米油墨的制造实际上是金属纳米颗粒的制造方法问题。目前，金属纳米颗粒制造方法可分为物理方法与化学方法两大类型。
A．物理制造方法是采用真空蒸发方法，即加热金属熔融、蒸发，并在惰性气体中一起蒸发和凝固成金属纳米颗粒，然后收集于有“极性”的有机熔剂的分散体系中而成。
B．化学制造方法又可分为“气相反应”和“液相反应”的方法。目前大多数是采用液相反应来“直接”制造金属纳米络合体，因为它是在稳定的胶体的体系中“转换”而成的，从而避免纳米颗粒粗大化。“液相反应”的方法可能是今后生产金属纳米颗粒和油墨的重要方法和主要途径。目前采用此种方法生产的银纳米油墨和金纳米油墨等己开始
市场化了。
3．2全印制电子产品的制造
目前，正在开发着：利用喷墨打印技术来生产多层印制电路板、系统封装(SIP)，如采用日本产业技术综合研究所开发的“超级喷墨(Super Inkjet)”设备和“银纳米”油墨等技术直接形成多层电路板。其过程是利用“超级喷墨(Super Inkjet)”打印机把“银纳米”油墨喷印到无铜箔的基板上形成平面的线路层，然后在这个层平面上喷印连接凸块，用于层间连接，再形成层问的绝缘层，然后再在绝缘层上形成第二层的线路，依次类推，便可形成所需要的层数的多层线路板，即全印制电子(Print Full Electronic)”的PCB。
(1)全印制电子PCB流程
全印制电子PCB工艺流程有两种方法(如下)，严格说来，第二种不是“全印制电子”产品。从两个工艺流程可看出，比传统制造PCB的要简单而优越得多了：
抗震床
①基板准备一喷印金属纳米油墨(线路与图形)一烘干／烧结一喷印层间连接凸块一喷涂绝缘油墨(UV照射／烘烤)一喷印金属纳米油墨(线路与图形)一依次类推形成所需要的多层板一喷涂表面焊接盘(含烧结)一喷涂阻焊剂和字符
②基板准备一喷印金属纳米油墨(线路与图形)一烘干／烧结一喷涂绝缘油墨(Uv照射，烘烤)一喷印金属纳米油墨(线路与图形)一依次类推形成所需要的多层板一激光蚀孔一喷墨填孔一喷涂表面焊接盘(含烧结)一喷涂阻焊剂和字符
(2)工艺流程的的简要说明
①基板准备。基板准备的实质是基板表面清洁和活性处理。一般来说，大多采用化学或物理的方法来完成。经过表面处理的要求是既要达到好的粘结力，又要达到喷印的油墨不发生湿润扩展，保持好的陡直的线边(图形)侧壁。这就要求基板表面与喷印的油墨之间保持一定的接触角，或者说要求油墨本身也要有一定大小的表面张力才能做到。
②喷印金属纳米级油墨(线路与图形)。按照规定的黏度和触变性等要求的金属纳米级油墨喷印到基板上，形成所需要的线路和图形。金属纳米级油墨大多是采用有机熔剂性的，在确定的油墨性能(如组分、黏度和触变性等)下，金属纳米级油墨喷射的液滴大小将决定着线宽和厚度，如喷射的墨滴为3pL一6pl时，可得到线宽为30 um-50um，而喷射的墨滴为1pL一2pI，可得到线宽为12um-15um，喷涂一
次的导线或图形(如连接盘等)，经烧结后的厚度可达5um一7um(与油墨组分和性能有关)。
③烘烤／烧结。喷印的金属纳米级油墨线条和图形，由于含有大量(大约20％重量)的熔剂和有机络合体，必须通过烘烤和烧结除去。烘烤是在低温度下挥发除去熔剂组分(控制黏度、触变性等)，而烧结是为了分解除去有机络合物，使“纳米级金属颗粒”接触熔化成整体金属。烧结温度／时间是由金属类型及其颗粒的“纳米级”程度来决定的，如“银纳米级”的烧结制度为230℃／40min，便可获得接近纯银一样的电阻率。
④喷印“层间”连接凸块。在烧结过的连接表面喷印上金属纳米级油墨，经烘烤／烧结，使之形成所要求的节距、直径和高度的连接凸块，显然这些参数是与喷墨打印机等级和金属纳米油墨组分、性能密切相关。如采用“超级喷墨打印机”喷射的墨滴，可获得节距为50um、直径约为6um和高度为1 5um的“连接凸块”。
⑤喷涂绝缘油墨(uv／烘烤)。这里是采用绝缘油墨(大多采用环氧树脂材料或聚酰亚胺材料)喷涂到已经烧结过的导电图形上，经过UV线照射固化，必要时可加热烘烤达到完全固化，形成PCB板的介质(绝缘)层。有必要时，可采用刷磨使表面平整和显露连接凸块顶端面。
重复②一⑤的过程，达到所要求的PCB层数。
⑥喷涂表面焊接盘。这相当与传统工艺中的表面涂(镀)覆层。如果表面的“焊盘”是“纳米银”形成的焊盘，经处理后即可进行阻焊剂和字符处理，而“纳米铜”所形成的表面，为了达到可焊性和可靠性的焊接或某些特定的要求(如wB焊接等)，则要求有涂(镀)覆金层，因此必须喷涂“金纳米级油墨”来形成金表面焊接盘。形成金层焊盘的原理是与“银纳米级油墨”的工艺过程是一样的，只要把“银纳纳米级油墨”换成“金纳米级油墨”，再经过烘烤，烧结就可以了。
⑦喷涂阻焊剂和字符。采用阻焊油墨或字符油墨先后进行喷涂到所要求的位置上，然后进行UV照射／烘烤便可完成。
(3)全印制电子技术在组装领域的应用
氧浓度传感器喷墨打印“金属纳米级油墨”技术，不仅能够用于制造多层封装基板，而且还能够在系统安装(S I P、S 0 P)、立体(三维)封装等方面得到应用，其特点是在芯片与基板(或模塑基板)之间可自由地进行连接，即使是同样功能，却更易达到小型化。如在SIP中的芯片之间的连接，采用喷印技术自由度大(可随时修正坐标)，’就不必担心发生偏位，加上喷墨的高位置度和墨滴的量与高度的控制等，明显地减轻管理的严密度。
乳胶模具
4喷墨打印技术的未来
由于喷墨打印技术，与传统PCB加工生产过程比起来，具有诸多显著优点，如极大缩
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