阻焊噴墨打印的應(yīng)用

付鳳奇 余為勇 易康志 王 俊

（深圳市景旺電子股份有限公司，廣東 深圳 518102）

0 引言

阻焊噴墨打印作為印制電路板（printed circuit board，PCB）焊工藝的前沿技術(shù)，已逐漸被業(yè)內(nèi)所接受，并成為一種發(fā)展趨勢(shì)。阻焊噴墨打印無(wú)需傳統(tǒng)的圖形轉(zhuǎn)移制程，消除了預(yù)烤、曝光及顯影流程，省略了網(wǎng)版和曝光菲林的步驟，大幅減少對(duì)工作場(chǎng)地和空間的占用，節(jié)約阻焊材料，降低了設(shè)備投入和人工成本，縮短了產(chǎn)品制作周期。隨著阻焊噴墨打印技術(shù)的日趨成熟，必將給PCB 阻焊工藝帶來(lái)技術(shù)革新，為PCB 廠(chǎng)商帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。本文從阻焊噴墨設(shè)備、工藝及其能力方面進(jìn)行研究，以期將阻焊打印工藝應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品上［1］。

1 阻焊噴墨打印原理及流程

1.1 噴墨打印原理

噴墨打印技術(shù)是將所需打印的圖像通過(guò)噴墨打印機(jī)涂覆在承印物上的一種印刷方式。阻焊噴墨打印機(jī)目前采用的噴頭是壓電式噴頭，噴頭內(nèi)部基于核心壓電陶瓷材料。壓電元件是一個(gè)能變形的晶體，當(dāng)電壓變化時(shí)，壓電元件產(chǎn)生位移，推動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，按照一定頻率迅速擠壓墨水，墨水從噴嘴迅速?lài)姵?，落到基板上，墨水墨滴按照一定圖像進(jìn)行落點(diǎn)分布并形成圖形。

1.2 阻焊噴墨打印流程

阻焊噴墨打印主要分3 步：前處理、打印、烤板。其中，烤板同普通阻焊烤板制程要求一致，前處理與普通阻焊前處理制程有所不同。

從噴墨原理可以知曉，墨滴噴出來(lái)的形狀是球形，而落在PCB 上的形狀并非球形，原因在于墨滴本身重力和承印物表面材料導(dǎo)致墨滴向四周滲透，滲透的程度取決于墨滴的大小和承印物表面粗糙度。為獲取高分辨率的圖形，要求墨滴在承印物上的滲透越小越好，同時(shí)需要保證油墨與承印物表面的結(jié)合力足夠穩(wěn)定。因此，針對(duì)阻焊噴墨打印，一種防滲劑應(yīng)運(yùn)而生，在保證結(jié)合力的前提下，盡可能降低滲透問(wèn)題帶來(lái)的影響。

2 影響阻焊噴墨打印效果的因素

影響阻焊噴墨打印效果的主要因素有PCB 前處理方式、油墨性能、墨滴大小和設(shè)備能力。以下將從這4個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試和分析。

2.1 前處理及防滲效果

阻焊噴墨打印要求所使用的油墨具有優(yōu)異的流動(dòng)性，并能獲得最佳的油墨附著性。因此，一般前處理會(huì)選擇表面粗糙度較高的超粗化和火山灰磨板。由于毛細(xì)作用，油墨在粗糙的表面上出現(xiàn)過(guò)度流動(dòng)，即擴(kuò)散問(wèn)題，需要評(píng)估不同前處理方式，如是否搭配防滲劑，以保證在油墨流動(dòng)的同時(shí)減少油墨擴(kuò)散。

防滲效果通過(guò)測(cè)量墨滴接觸角來(lái)進(jìn)行評(píng)估。接觸角即當(dāng)液滴自由地處于不受力場(chǎng)影響的空間時(shí)，由于界面張力的存在而呈圓球狀，但當(dāng)液滴與固體平面接觸時(shí)，液滴能自動(dòng)在固體平面鋪展開(kāi)來(lái)，或與固體表面成一定的角度。接觸角符號(hào)為θ，單位為（°）。如圖1 所示，在一固體水平平面上滴一液滴，固體表面上的固-液-氣三相交界點(diǎn)處，其氣-液界面和固-液界面兩切線(xiàn)將液相夾在其中所形成的角即為接觸角，也稱(chēng)浸潤(rùn)角或潤(rùn)濕角，圖中，γ為界面表面張力。

圖1 接觸角示意

接觸角θ越大，說(shuō)明液體在固體表面擴(kuò)散程度越小，反之則越大。一般接觸角控制范圍為 80°±5°?；鹕交夷グ迮c超粗化2種前處理在防滲處理前和防滲處理后的接觸角測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同前處理方式粗糙度、接觸角對(duì)比

由表1 可見(jiàn)，針對(duì)阻焊噴墨打印，最佳前處理方式為超粗化搭配專(zhuān)用防滲劑。如不做防滲處理，2 種前處理方式的接觸角均不能滿(mǎn)足要求。

2.2 墨滴大小

墨滴大小直接影響圖形的分辨率。噴墨技術(shù)中采用體積單位pL（1 pL=10-15m3）來(lái)表示噴墨墨滴的大小，墨滴越小，圖像分辨率越高，噴墨精度也越高。液滴體積計(jì)算式為［2］

式中：V為所產(chǎn)生墨滴的體積；D為所產(chǎn)生墨滴的直徑；r為液滴半徑。

噴頭噴出墨滴的體積越大，墨滴的直徑越大。噴墨頭的加工與電控技術(shù)是決定墨滴體積的關(guān)鍵因素。隨著噴印技術(shù)越來(lái)越成熟，墨滴的體積也從最早的30 pL 發(fā)展到3.5 pL 甚至2 pL。不同尺寸的噴頭所產(chǎn)生的墨滴直徑不同，在32 號(hào)達(dá)因筆測(cè)試膜上所測(cè)得的墨滴數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試膜上所測(cè)得的墨滴尺寸數(shù)據(jù)單位：μm

由表2 可見(jiàn)，墨滴直徑與噴墨體積成正比。由于測(cè)試膜表面張力和墨滴張力，實(shí)際測(cè)出的尺寸均達(dá)到理論墨滴直徑的2 倍以上?？紤]到圖像的分辨率，阻焊打印應(yīng)選擇相對(duì)小的噴頭，但噴頭越小，一次噴射的墨量越少，效率也越低，因此阻焊噴墨機(jī)需選擇合適的噴頭，以應(yīng)對(duì)阻焊高精度、高效率的要求。

2.3 阻焊噴印油墨黏度

目前市面上的阻焊噴印油墨大多為綠色、光亮、單組份、無(wú)溶劑的紫外光（ultraviolet，UV）固化噴墨墨水，需要紫外光固化和熱固化，油墨黏度是影響打印效果的關(guān)鍵因素。

噴墨打印黏度根據(jù)輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《紫外光固化噴墨打印墨水》Q(chēng)B/T 4580—2013貯存穩(wěn)定性的檢驗(yàn)方法，將墨水試樣放在（60±2）℃的高低溫試驗(yàn)箱中7 d 后取出，在室溫放置后測(cè)量其黏度，要求黏度變化率不應(yīng)超過(guò)10%。

2.4 阻焊噴墨打印機(jī)工藝能力［3］

使用國(guó)內(nèi)某品牌的阻焊噴墨打印機(jī)進(jìn)行測(cè)試、評(píng)估，測(cè)試板使用專(zhuān)用阻焊工藝能力測(cè)試板，測(cè)試板上設(shè)計(jì)有各個(gè)功能模塊，用來(lái)評(píng)估設(shè)備工藝能力以及油墨可靠性能。

2.4.1 開(kāi)窗能力測(cè)試

設(shè)備噴頭噴出的墨滴大小決定了阻焊開(kāi)窗的能力，測(cè)試板上分別設(shè)計(jì)有0.1、0.15、0.2 mm 的開(kāi)窗，噴墨打印后測(cè)量開(kāi)窗的實(shí)際大小見(jiàn)表3。測(cè)量確定后，阻焊噴墨打印開(kāi)窗能力最小為 0.15 mm。

表3 開(kāi)窗能力測(cè)試結(jié)果 單位：mm

2.4.2 線(xiàn)寬解析能力測(cè)試

線(xiàn)寬及線(xiàn)距分別設(shè)計(jì)為0.025、0.038、0.050、0.064、0.075 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)圖形，在防滲處理后的銅面上打印阻焊線(xiàn)條，如圖2 所示。通過(guò)打印的線(xiàn)條形狀可以看出，線(xiàn)寬、線(xiàn)距＜0.064 mm 的線(xiàn)條不平整，油墨易融合在一起，無(wú)法與傳統(tǒng)阻焊曝光出來(lái)的線(xiàn)條媲美。線(xiàn)寬、線(xiàn)距設(shè)計(jì)為 0.075 mm 時(shí)基本可滿(mǎn)足要求。因此可得出阻焊噴墨打印機(jī)線(xiàn)條解析度最小為0.075 mm。

圖2 不同線(xiàn)寬打印的外觀(guān)

2.4.3 對(duì)位精度

阻焊曝光制程受設(shè)備能力、板子本身漲縮變形及對(duì)位工具變形的疊加影響，產(chǎn)品容易產(chǎn)生曝光偏位問(wèn)題，而阻焊噴墨打印設(shè)備具有精準(zhǔn)的電荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）自動(dòng)對(duì)位功能，同時(shí)對(duì)位過(guò)程中通過(guò)掃描計(jì)算的相對(duì)坐標(biāo)對(duì)資料進(jìn)行補(bǔ)償，更好地解決了阻焊偏位上焊盤(pán)的問(wèn)題。取打印出來(lái)的若干試驗(yàn)板，對(duì)球狀引腳柵格陣列（ball grid array，BGA）封裝位置的開(kāi)窗偏移度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖3 所示，對(duì)位精度能力分析如圖4所示。

圖3 BGA封裝開(kāi)窗偏移度

圖4 對(duì)位精度能力分析

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析確認(rèn)，對(duì)位精度按0.05 mm 控制，得到的過(guò)程能力指數(shù)（complex process capability index，CPK）為1.35（＞1.33），說(shuō)明試驗(yàn)設(shè)備阻焊打印對(duì)位精度可滿(mǎn)足要求。

2.4.4 厚銅產(chǎn)品加工能力

油墨具有流平性，因此針對(duì)厚銅產(chǎn)品需使用特殊的打印模式進(jìn)行處理，對(duì)線(xiàn)路、銅皮邊緣的阻焊加厚。測(cè)試結(jié)果表明，成品銅厚在0.14 mm的板可實(shí)現(xiàn)一次打印完成，線(xiàn)路油墨厚度均≥0.01 mm，符合要求。如圖5所示。

圖5 厚銅板切片

3 性能測(cè)試

經(jīng)過(guò)以上測(cè)試后，采用專(zhuān)用測(cè)試板對(duì)打印出來(lái)的板進(jìn)行外觀(guān)及性能評(píng)估，結(jié)果如下。

3.1 外觀(guān)

經(jīng)過(guò)對(duì)防滲劑參數(shù)及油墨特性的測(cè)試，阻焊噴墨打印機(jī)設(shè)置合理的參數(shù)調(diào)試后，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品外觀(guān)符合無(wú)條紋要求，如圖6所示。

圖6 阻焊外觀(guān)

3.2 阻焊厚度

阻焊的厚度要求為：密集線(xiàn)與孤立線(xiàn)，線(xiàn)角 ≥5 μm，線(xiàn)面為10～35 μm；銅面為10～35 μm，基材≤55 μm。分別切片測(cè)量不同區(qū)域的阻焊厚度，具體測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 阻焊厚度測(cè)試

3.3 阻焊可靠性測(cè)試

阻焊可靠性主要項(xiàng)目評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表4 和圖8。試驗(yàn)結(jié)果表明，阻焊噴墨機(jī)搭配專(zhuān)用防滲劑后，阻焊品質(zhì)可滿(mǎn)足要求。

表4 阻焊可靠性測(cè)試結(jié)果

圖8 阻焊可靠性測(cè)試

4 結(jié)語(yǔ)

測(cè)試及驗(yàn)證表明，阻焊噴墨打印技術(shù)可滿(mǎn)足普通電路板阻焊的品質(zhì)需求。此技術(shù)可極大簡(jiǎn)化PCB 阻焊生產(chǎn)過(guò)程，減輕環(huán)境污染，是PCB 行業(yè)劃時(shí)代的變革和進(jìn)步，也代表著PCB 工業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向。當(dāng)前該技術(shù)尚未完全成熟，且成本較高，但阻焊噴墨打印作為顛覆阻焊工藝的新技術(shù)，必然會(huì)得到快速推廣。