高精度數(shù)碼pcb打印技術(shù)

高精度數(shù)碼pcb打印技術(shù)

墨水打印技術(shù)是當(dāng)前最重要的無版數(shù)字打印技術(shù)之一，可以根據(jù)需要進(jìn)行打印。這是一種非打擊和堆疊打印技術(shù)?；竟ぷ髟硎歉鶕?jù)計算機(jī)配置的程序命令，直接將墨水從薄噴嘴中投入到承受印刷材料的特定位置，并形成所需的結(jié)構(gòu)。1印染成功的關(guān)鍵因素噴墨打印的關(guān)鍵部分是墨水的配制。在印刷電子領(lǐng)域?qū)㈦娮庸δ懿牧吓涑赡姆椒ū姸?主要包括膠狀納米材料的懸浮液、溶液中有機(jī)金屬的混合物及導(dǎo)電聚合物等。理想的功能墨水應(yīng)該是僅含有上述成分的高純度的分散體系。然而,在印刷成膜時這種高純度的墨水的黏度、揮發(fā)性等物理性質(zhì)卻往往不適合印制或者印制的產(chǎn)品所需的電學(xué)性能很差,往往需要添加諸如表面活性劑、穩(wěn)定劑、粘結(jié)劑等成分加以改進(jìn)。在加入上述添加劑后的確能得到漂亮的膜或者電子元件,但是這總是以電學(xué)等方面性能的下降為代價的。因此需要在改良適印性能和電學(xué)性能之間做一個權(quán)衡。除此之外,油墨在印刷及后期的處理過程的各種運(yùn)動都會帶來電子功能層的微觀結(jié)構(gòu)變化,使性能產(chǎn)生巨大差異。在多層結(jié)構(gòu)的電子器件的印刷時還要確保各層之間的相互作用得到精確的控制,這些都是確保印制成功的關(guān)鍵因素之一。因此可以說,印制電子制造的核心關(guān)鍵不僅僅是設(shè)備,更多的是在于材料的選擇、油墨的配制及印前印后處理等方面。1.1導(dǎo)電墨水的制備納米材料墨水是指納米材料在水中或者諸如甲苯、乙二醇、環(huán)己酮等中形成的懸浮液,一般金屬粒子尺寸小,燒結(jié)溫度低。目前實際采用的噴墨打印電子材料中,金屬材料的功能墨水是最成熟的之一。通常金屬納米材料墨水的配制是通過將不可溶的材料加工成納米尺寸的顆粒配制成墨水直接打印,打印后再通過燒結(jié)等步驟來獲得最終的功能器件。由于金屬銀材料獨特的性質(zhì)(化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良催化活性)、價格僅為金價的五十分之一,是目前最常用的金屬導(dǎo)電墨水,在催化劑、透明導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電墨水等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。盡管如此,限于銀的價格只是相對低廉,人們把目光轉(zhuǎn)向了電導(dǎo)率僅次于銀,但價格卻便宜更多的銅。但是銅易于氧化,且氧化銅不導(dǎo)電,因此銅墨水制備工藝更加復(fù)雜,也很難在空氣中處理。Park等人通過多羥基化合工藝合成50nm銅粒子,開發(fā)出了具有良好分散性、低黏度的銅粒子導(dǎo)電墨水,其噴印圖案顯示出類似塊體金屬的形貌。Woo等人在銅墨液中加入平均粒徑為20nm的銀納米粒子,有效地填充在平均粒徑為65nm的銅納米粒子間的空隙,明顯改善顆粒致密度。當(dāng)銅與銀比例為3:1時,顆粒致密度高達(dá)86%,可獲得比純銅金屬薄膜更好的導(dǎo)電性,并可在較低溫度(175℃)下將導(dǎo)電圖案直寫到透明塑料基板上。而銅銀墨水易被氧化,從而影響其壽命,需要添加劑或者在惰性氣體的包圍下進(jìn)行打印,適用范圍不如納米銀墨水廣泛。昆山海斯電子的納米銀導(dǎo)電墨水產(chǎn)品,顆粒的直徑小于5nm。圖2顯示的海斯電子Jet-600納米銀墨水可以在109℃燒結(jié),在120℃時電導(dǎo)率就接近本體銀。一般的經(jīng)驗法則認(rèn)為,微粒大小應(yīng)小于噴嘴直徑的一百分之一,而且微粒尺寸應(yīng)該在一個較小的分布范圍內(nèi),在溶劑中能夠均勻的分散才能夠保證良好的噴印。使用的溶劑要求在沉積在基材表面時能夠快速蒸發(fā),防止液滴的流動而降低分辨率和成膜效果;但是又不能夠蒸發(fā)過快,以防液滴在噴嘴處還沒噴射出即蒸發(fā)變稠而噴射不出來從而堵塞噴頭。昆山海斯電子已真正做出具有上述功能的納米銀導(dǎo)電墨水并實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。1.2金屬基復(fù)合材料不同于納米的金屬墨水,有機(jī)金屬墨水是一種溶液而非懸浮液的形式存在,這樣就不會存在因納米顆粒的結(jié)塊而堵塞噴嘴的危險。通常將可溶性的物質(zhì)直接配制成溶液,或者用材料的氧化物或者與其他結(jié)構(gòu)功能材料的混合物配成溶液,通過相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)來獲得功能性的材料?；纳峡色@得的有機(jī)金屬溶液較高的電導(dǎo)率已經(jīng)可以和金屬納米材料的電導(dǎo)率相媲美。而且有機(jī)金屬墨水能夠進(jìn)一步降低燒結(jié)的溫度,能夠在低于150℃下進(jìn)行燒結(jié),普遍低于金屬納米材料的燒結(jié)溫度,這就為柔性襯底的使用又提供了可能。銀同樣是有機(jī)金屬墨水中最常用的材料之一,因為其可以形成諸多的能溶于有機(jī)溶劑的復(fù)合物。1.3合成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄膜的制備諸如PEDOT、多吡咯、聚苯胺等聚合物已經(jīng)作為導(dǎo)電墨水已經(jīng)在噴墨打印技術(shù)中使用。這些聚合物能夠?qū)щ姷脑蛟谟谒鼈儞碛械墓曹楇娮咏Y(jié)構(gòu)。通過精心設(shè)計和操縱種類繁多的碳基結(jié)構(gòu),有機(jī)/高分子材料可制備出導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,兼有聚合物的物理化學(xué)性質(zhì)和金屬的電學(xué)特性。通過高分辨率噴印技術(shù)可制備出全聚合物薄膜晶體管。這些聚合物的電導(dǎo)率通常低于金屬材料墨水的電導(dǎo)率。而且易受外界環(huán)境的影響和與氧氣發(fā)生反應(yīng),通常需要在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行操作。其非牛頓流體的效應(yīng)使噴墨打印過程變的更加的復(fù)雜。導(dǎo)致微滴會在噴嘴處形成延遲數(shù)百微秒的長尾巴,這樣尾巴要么落進(jìn)主液滴要么散落在周圍形成衛(wèi)星滴,降低了打印的分辨率。而且這種材料的電導(dǎo)率易受基材平整度的影響。2功能定位和含量首先我們要考慮墨水與基材的潤濕性。圖3中a、b、c、d是我們用不同的潤濕性的PET基材所得的實驗結(jié)果,a、b表明如果基材疏水,銀墨水收縮線寬就變小從而導(dǎo)致斷點現(xiàn)象,那么所得到的銀電極就會不導(dǎo)通。圖3中d是由于基材太親水,墨水在基材上擴(kuò)散,線寬就變大可能導(dǎo)致相鄰兩條線接觸。只有墨水與基材的潤濕性在某一特定情況下得到的銀線才是理想的,如圖3(c)所示,它的線寬為80μm,有著與ITO相接近的方塊電阻與透光率。該打印機(jī)的噴頭為spectras-128,噴頭直徑為45μm,液滴的容積為30pL。我們發(fā)現(xiàn)銀電極的線寬與打印機(jī)噴頭的直徑成正比。其中V為液滴的容積,把液滴近似成球狀,r為液滴的半徑,兩式相除得到這里d是銀導(dǎo)線的線寬。因此,當(dāng)我們把噴頭換成10pL的,理論上就能得到55μm的線寬,噴頭換成1pL的則能得到25μm的線寬。進(jìn)一步調(diào)節(jié)墨水和基材的表面能,可以得到更細(xì)的銀線。3噴墨打印技術(shù)的發(fā)展前景噴墨打印機(jī)可以直接采用常規(guī)的數(shù)據(jù)格式或CAD/CAM的數(shù)據(jù)形成噴墨,形成所需要的線路和圖形,直接形成所需的導(dǎo)電圖形和線路及埋置無源元件等,避免了傳統(tǒng)圖形轉(zhuǎn)移等一系列工藝過程。這不僅是“非接觸式”形成線路和圖形,而且明顯提高了位置精度,既達(dá)到了快速、低成本,又利于環(huán)境保護(hù),且特別利于多品種小批量的PCB生產(chǎn)。通過把工藝制造中的減成法用加成法取代,極大縮短了PCB加工生產(chǎn)過程,具有微型化、周期短、成本低和環(huán)境友好等優(yōu)勢,而且這種非接觸式打印方式避免了對功能溶液的接觸性污染,因而決定了噴墨打印技術(shù)必然有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。從目前的噴墨打印技術(shù)的設(shè)備、工藝以及發(fā)展過程來看,在PCB工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用將是從局部應(yīng)用開始如圖形轉(zhuǎn)移方面,再逐步發(fā)展到全部采用的過程。采用這種工藝技術(shù)可以減少傳統(tǒng)圖形轉(zhuǎn)移工藝60%以上的流程,節(jié)省60%左右的抗蝕、抗鍍的油墨和干膜,減少60%以上有機(jī)廢水的處理與排放,并可提高產(chǎn)品的合格率和縮短生產(chǎn)周期,降低圖形轉(zhuǎn)移的成本。隨著噴墨打印技術(shù)的持續(xù)開發(fā)與發(fā)展以及工藝日趨成熟,優(yōu)勢將更加明顯和低成本化,全印制電路的噴墨打印技術(shù)必將在PCB工業(yè)乃至封裝行業(yè)(特別是系統(tǒng)封裝)得到迅速推廣應(yīng)用。另外,在埋置無源元件和在直接形成線路和連接的全印制電路(含封裝)中的應(yīng)用,將給PCB工業(yè)帶來變革與進(jìn)步。在有機(jī)薄膜晶體管(OTFT),OLED/PLED,有機(jī)光伏(OPV),存儲磁性材料應(yīng)用,傳感器和探測器,RFID,彩色