by Wouter Brok, Klaus Ruhmer and Henk Goossens

Meyer Burger (Netherlands) B.V.

當(dāng)?shù)聡�人�?011年創(chuàng)造了“工業(yè)4.0”這個(gè)術(shù)語時(shí)，很多人并不清楚它實(shí)際上代表什么意思。雖然對于其含義中各種細(xì)微差別的爭論仍在進(jìn)行，但其中有一 個(gè)方面是無可爭議的——“計(jì)算機(jī)化制造”是它的核心。許多行業(yè)的制造技術(shù)正在不斷變得越來越數(shù)字化，這也適用于PCB制造。有一些制造步驟甚至提供了令人 難以置信的數(shù)字化潛力。 其中一個(gè)主要的例子是使用工業(yè)噴墨技術(shù)應(yīng)用阻焊劑材料。

1. PCB預(yù)處理

2.全板涂覆（例如幕涂）

3.圖案壓膜制造（光掩模）

4.紫外線曝光

5.顯影

6.后固化

使用最先進(jìn)的數(shù)字噴墨印刷技術(shù)在PCB板上形成阻焊層，可以減少工藝步驟的數(shù)量：

1. PCB預(yù)處理

2.數(shù)字噴墨打印，包括原位UV固化

3.后固化

使用這種簡化的制造工藝，好處是顯而易見的。 除了所需的設(shè)備占用資金和相關(guān)的勞動(dòng)力成本減少外，數(shù)字化工藝還顯著減少了加工過程中化學(xué)品的使用，因此也減少了相關(guān)的管理和處理成本�？偟膩碚f，其環(huán)境 效益巨大。最后，也是最重要的，是減少了制造時(shí)間，這是當(dāng)今快速發(fā)展的電子業(yè)務(wù)中的重要能力。

1、噴墨是一種選擇性涂層技術(shù)。這意味著材料僅在需要的地方沉積。在打印焊料掩模時(shí)，不僅能減少材料消耗，還能避免施加在通孔和難以去除或不需要的區(qū)域 中的阻焊材料。在顯影步驟中從高縱橫比的孔中沖洗出未固化的阻焊材料非常困難，是PCB行業(yè)中眾所周知的挑戰(zhàn)，而通過噴墨打印則可以完全避免。

2、使用噴墨技術(shù)直接按照需要的圖案打印阻焊材料使得不再需要使用光刻工藝。因此，曝光后的顯影也不再需要，這帶來了巨大的好處是該技術(shù)完全消除了會(huì)造成洗掉IC觸點(diǎn)之間的小型阻焊層的風(fēng)險(xiǎn)。

3、噴墨的另一個(gè)獨(dú)特的特征是靈活性。它不僅可以處理不同的表面，還可以進(jìn)行不同的表面處理。此外，還可以實(shí)現(xiàn)不同的層厚度，以及沉積不同的材料。

4、噴墨技術(shù)的數(shù)字本質(zhì)還能提供與圖案對準(zhǔn)和縮放相關(guān)的重要優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字打印圖像不僅可以準(zhǔn)確地對準(zhǔn)底層圖案，而且還可以根據(jù)需要縮放。特別是在具有不同工藝要求的苛刻制造條件下，這種靈活性對于低成本生產(chǎn)是至關(guān)重要的。

顯而易見，當(dāng)與上述傳統(tǒng)光刻工藝進(jìn)行對比時(shí)，噴墨工藝對于許多成本因素具有很大影響。

首先，設(shè)備的固定資產(chǎn)投資就是一個(gè)大頭。其次，傳統(tǒng)加工工序中包含更多消耗材料成本，包括光掩模和干膜所需的附加化學(xué)品，以及其廢料處理成本。在大多數(shù) 運(yùn)營中，水的消耗、廢水處理和溶劑回收的成本都很高。不那么顯著的成本因素有勞動(dòng)力成本和占地面積。除了能夠節(jié)約成本，噴墨工藝還能夠在勞動(dòng)力和工廠空間 相同的情況下增加產(chǎn)量。傳統(tǒng)工藝對環(huán)境的影響難以量化，因此不被認(rèn)為是一個(gè)直接成本因素。然而，舉一個(gè)例子，想要獲得進(jìn)行大規(guī)模光刻工作的新工廠空間的許 可會(huì)非常困難。再加上能夠消除上述傳統(tǒng)工藝所增加的成本，噴墨打印的成本優(yōu)勢得到了進(jìn)一步強(qiáng)化。

制造的設(shè)計(jì)通常通過CAD程序生成，其中會(huì)把設(shè)計(jì)存儲(chǔ)為各種矢量文件的格式之一，通常為Gerber RS-274x格式。矢量文件通過表示坐標(biāo)、線、弧和其他元素來還原設(shè)計(jì)，可以輕松進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等操作。然而，數(shù)字噴墨打印機(jī)在矩形網(wǎng)格上打印液 滴，由諸如BMP、TIFF、PNG、JPG等光柵類型文件格式來進(jìn)行表示。當(dāng)為噴墨打印機(jī)準(zhǔn)備程序時(shí)，需要將文件格式從矢量轉(zhuǎn)換到光柵。這種轉(zhuǎn)換是通過 名為光柵圖像處理器（RIP）的軟件來完成的。

光柵圖像處理器接收輸入的矢量文件以及各種轉(zhuǎn)換參數(shù)，例如文件需要光柵化的分辨率。圖5示出了該過程：左邊是由矢量圖像表示的圖形。右邊是將光柵疊加在設(shè)計(jì)上。在光柵點(diǎn)與設(shè)計(jì)重合的每個(gè)位置處啟用像素。

此圖示中使用的分辨率非常低。在實(shí)踐中，設(shè)計(jì)將在更密集的網(wǎng)格上進(jìn)行光柵化，如圖5的右圖所示。該網(wǎng)格的分辨率被限制在液滴重疊足以形成閉合層所需的最小分辨率，以及打印薄層材料所需要的之間。通常，分辨率為1000dpi及以上。

在實(shí)踐中，RIP引擎將執(zhí)行比上圖所示的更高級的操作。例如，它能夠考慮到噴墨液滴在表面上的流動(dòng)并且預(yù)先補(bǔ)償�；蛘�，它可以做到將設(shè)計(jì)中的東西的周邊良好地再現(xiàn)，但是內(nèi)部區(qū)域僅進(jìn)行覆蓋并且只需要較低的分辨率。

這種技術(shù)還可以包括更高級的功能，例如基于PCB上的參照點(diǎn)對單獨(dú)產(chǎn)品進(jìn)行校準(zhǔn)，以補(bǔ)償由于溫差而引起的拉伸或翹曲，這在使用光刻時(shí)是不可能的。

一旦圖案和基材都準(zhǔn)備就緒，就可以裝載到打印機(jī)中。自動(dòng)化產(chǎn)品加工是一種選項(xiàng)，建議在批量PCB制造中使用這種方法。將板放在基板臺(tái)上并通過真空固定�；�板的位置會(huì)自動(dòng)確定，以進(jìn)行圖案對準(zhǔn)，之后就可以開始打印了。

打印過程本質(zhì)上包含掃描基底和打印頭之間的相對位置。一般來說，基板會(huì)從打印頭下面通過數(shù)次。在每次通過的過程中，都會(huì)打印出對應(yīng)于打印頭寬度的圖像條。根據(jù)程序，單次通過可以完成圖像條，或者進(jìn)行多次通過以建立所需的層。

打印頭是整個(gè)工藝中最關(guān)鍵的部分。市面上有數(shù)種不同類型、品牌和型號的產(chǎn)品非常適合用于阻焊油墨打印。大多數(shù)批量生產(chǎn)用打印機(jī)都使用陣列打印頭來提高生 產(chǎn)率。不同的噴頭具有不同的液滴尺寸、平直度、液滴速度和噴射頻率規(guī)格。 因此，選擇能夠提供所需分辨率、可靠性和打印質(zhì)量的合適打印頭是非常重要的。

為了實(shí)現(xiàn)打印阻焊油墨的高精度，必須在基板臺(tái)上對PCB進(jìn)行精確對準(zhǔn)。 因此，噴墨打印機(jī)配備有面向基板的相機(jī)。 其可以定位基板上的部位，例如對準(zhǔn)孔或預(yù)先準(zhǔn)備的基準(zhǔn)標(biāo)記，并且準(zhǔn)確確定基板的位置和方向。這種相機(jī)的安裝位置在圖7的例子中示出。當(dāng)使用高精度基準(zhǔn)標(biāo)記 時(shí)，能夠達(dá)到小于2 µm的相機(jī)配準(zhǔn)。

此外，還需要用于精確阻焊油墨應(yīng)用的移動(dòng)平臺(tái)。使用線性電機(jī)的經(jīng)過良好校準(zhǔn)的花崗巖移動(dòng)平臺(tái)可以將移動(dòng)誤差降低至1微米。同時(shí)，這樣的平臺(tái)可以支持高達(dá)1 m/s的打印速度�？焖僖苿�(dòng)平臺(tái)與包含幾千個(gè)平行噴嘴的寬打印頭陣列的組合能夠達(dá)到非常高的產(chǎn)量。

印制層的質(zhì)量是最為重要的。因此，必須在打印期間通過合適的診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)噴嘴的打印質(zhì)量一致性。如果發(fā)現(xiàn)噴嘴開始偏離其正常工作范圍，甚至在疑 似噴嘴損壞之前，打印機(jī)必須能夠自動(dòng)進(jìn)行噴頭維護(hù)程序。這意味著打印機(jī)必須配備噴嘴檢查和維護(hù)模塊。通常，通過視覺液滴檢測來檢查噴嘴，同時(shí)維護(hù)功能是清 洗（通過打印頭壓出少量的墨水）和清潔。這些功能由打印機(jī)自動(dòng)執(zhí)行，以確保工作時(shí)不需要操作人員進(jìn)行干預(yù)。

最后，通過UV固化來進(jìn)行阻焊油墨材料的光聚合。該固化過程不僅能防止墨水流出和固定圖形，還使電路板在離開打印機(jī)時(shí)不濕粘。對于高產(chǎn)量來說，最合適的是高功率LED源，并且應(yīng)該安裝在靠近打印頭的位置，以減少墨水流出并提高打印圖案的精度。

JETx-SMP打印機(jī)能按照以下規(guī)格形成阻焊劑層。

如今，許多綠色和黑色的阻焊油墨材料是能夠購買到的，或即將要發(fā)售的。