VBTA-12卢玉蛟;黄哲赟;李宝
【摘 要】This paper describes the principle and advantage of digital inkjet printing technology for the fabrication of PCB legend. The advantage of fewer production processes, shorter process cycle, and less ink waste shows that digital inkjet printing is a cost-effective method in the PCB fabrication. In addition, inkjet printing is an environmentally friendly method, which meets green ideas. The above demonstrates that digital inkier printer will become a new development direction of the PCB legend manufacturing.%概述了文字喷墨打印技术的原理及其优点。文字喷印机可明显简化PCB文字工艺流程，提高生产效率，且生产过程中无墨水的浪费，最终体现为生产成本的降低；另外文字喷印机环保无污染，符合绿环保理念。以上诸多优点将使其成为未来PCB文字工艺的发展方向。 【期刊名称】《印制电路信息》
【年(卷),期】2011(000)012
【总页数】5页(P55-59)
【关键词】数字喷印;线路板;文字工艺;绿环保
【作 者】卢玉蛟;黄哲赟;李宝
【作者单位】江苏锐毕利实业有限公司,江苏盐城224056;江苏锐毕利实业有限公司,江苏盐城224056;江苏锐毕利实业有限公司,江苏盐城224056
【正文语种】中 文
【中图分类】储物盒TN41
数字化文字喷印机的原理是根据从CAD或CAM得到的文件资料将特定的文字墨水喷印到电路板上，并通过紫外灯实现即时固化从而完成字符工艺的过程。这种字符喷印技术消除了网版制作的过程与设备，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。另外，数字化的文字喷印机具备CCD自动定位功能，可有效解决线路板涨缩问题。且喷印的方式可确保字符线条的连
续，从而可解决丝印过程中落差位置常见的字符残缺不清。基于以上优点，数字化的文字喷印机对于改善PCB的字符品质和缩短生产流程都是极其有利的。它的发展壮大也必将成为PCB生产发展的方向之一。
1 数字喷墨打印技术
数字喷墨打印（Digital Inkjet Printing）技术，它是以加成法按照计算机预先设计好的数字模型于承载物上喷印形成所需要的二维或三维图形。目前，数字喷印的方法有两种：连续喷射式（Continuous Ink-Jetting,CIJ）[1]和按需喷射式（Drop-On-Demand, DOD）[2]，而较常用的为按需喷射式中的压电式喷射原理。
1.1 喷墨打印技术原理
现以压电式喷射原理为例来说明喷墨打印的原理。压电式喷头是在压电器件上施加电信号，使其产生变形并挤压喷头内的液体而将液体喷出。压电式喷头由压电陶瓷片，喷嘴和小容腔组成，在压电陶瓷片上未施加驱动信号时，小容腔内的液体压力足够低，液体因表面张力而保持在小容腔内；需要喷射时，在压电陶瓷片上施加一个脉冲电压，压电陶瓷立
即发生微米级变形，在此作用下，小容腔的体积迅速缩小，产生朝向喷嘴的压力波，此压力波克服喷嘴中的压力损失和液体的表面张力，使喷嘴处开始形成一个液滴，并从喷嘴喷出。然后压电陶瓷片和容腔恢复原状，由于表面张力的作用，新的液体进入喷头的小容腔[3]。喷头工作原理见图1。
图1 微滴喷射的原理图
喷墨打印机喷出的液体小滴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100 μm，主要是由玻璃管小孔的直径来决定，每秒钟可喷射4000小液滴，而每滴的体积可小到3皮升（pL，10-12L）。这种数字喷墨打印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[4]。
1.2 文字墨水及紫外固化
在数字喷墨打印技术中，油墨材料的性能是至关重要的，不仅选用的油墨材料喷印性能要符合工艺标准，而且油墨材料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。应用于PCB工艺的文字喷印墨水需同时满足线路板行业的一系列IPC规范、信赖性要求和环保标准。因此，文字墨水的各项性能都必须达到最佳化。
1.2.1 油墨材料的黏度（Viscosity）和表面张力（Surface Tension）。
油墨的黏度和表面张力将会影响喷墨管口的堆积、墨滴形状、墨滴扩散状态等性能，当然改变喷射管的温度和电压也会影响这些参数。一般来说在墨水的喷射温度范围内，喷射墨水的黏度需控制在10 mPa•s ～ 40 mPa•s，液滴体积可达10 pL ～ 140pL，喷射液滴直径可小至30 μm。且喷射液滴的体积和喷头驱动电压之间呈线性关系，能通过调整驱动电压来改变液滴体积，见图2[3]。
图2 液滴体积和驱动电压的关系
喷墨打印出的墨滴形状、大小等可用墨滴观测仪（Drop Watcher Station）进行观察与测量。喷射出的墨滴不应有拖尾状或伴随卫星液滴，否则会降低喷印质量，导致喷印图形不规则。 液滴观测效果见图3：
图3 墨滴观测仪墨滴观测效果图
1.2.2 优化喷墨打印工艺参数
喷印文字的分辨率是与喷射的墨滴大小和dpi（Drops per Inch）有关系的，只有喷射油墨的体积越小和dpi越大，喷墨打印的线路图形分辨力才越高。例如需要达到75 μm线宽、字符大小为0.5 mm的分辨力，必须采用小于6 pL的喷射墨滴和大于1200 dpi才可以；而要达到50 μm线宽、字符大小为0.5 mm以下，则必须采用小于3 pL的喷射墨滴和大于2400 dpi才可以。一般来说，可以通过墨滴大小和dpi的组合来优化喷印线路图形的分辨力[4]。
1.2.3 紫外光（Ultra-Violet，UV）固化系统
叠片系数
数字喷印的特点决定了其必须采用UV即时固化的固化方式，因此UV灯的选择就显得相当重要。目前常用的UV灯有汞灯和LED（Light Emitting Diode）灯两种。汞灯的功率较大（达3KW以上），寿命相对短（约1000小时），且工作时所产生的光谱范围宽，产生大量的热量都是墨水固化所不需要的，能量利用率低，因此汞灯在技术上存在较多弊端，其优点是成本相对较低。而LED灯为冷光源无热量产生，光谱范围窄，能量利用率高，且功率小（400W左右），寿命长（达2万小时以上），以上使其成为数字喷印机固化系统的优先选择方向。但其缺点是一次性成本投入较高。江苏锐毕利开发的Hi-print系列高速喷印机即
采用LED固化系统，见图4所示。
图4 LED灯UV固化系统
以上说明，先进的数字喷墨打印机对于选择与其相匹配的UV固化系统非常重要。
1.2.4 文字墨水的基本喷印性能
主要包括墨水溶剂的扩散性和落差位置的连续性。
（1）墨水溶剂的扩散（见图5和图6）
秸秆制煤
图5 墨水溶剂扩散严重
双锯片切割机
图6 墨水无溶剂扩散
在线路板行业中，通常文字设计距离焊盘最小可达200 μm以内，少数文字甚至直接设计在铜面上，溶剂扩散过大容易对铜面产生污染，影响后续的表面处理工艺甚至是组装厂焊接的可靠性。因此，喷印墨水的溶剂扩散性应作为基本性能加以考量。
（2）落差位置的连续性（见图7和图8）
图7 细线路上粘附性较差
图8 跨线位置的线条连续性好
因很多文字设计在线路上，为保证文字线条的连续性，需考虑墨水在线路等落差位置处的连续性，保证文字喷印在落差位置仍然清晰可辨识。
1.2.5 文字墨水的信赖性
PCB行业的各种信赖性测试项目及方法见表1。
1.3 数字喷墨打印设备的总要求
包括[4]：
（1）具有较高的设备运动精度；
（2）具有可操作CAD/CAM数字资料的操作系统软件；
连通域（3）对在制板具有固定和防止翘曲装置；
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