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，已逐漸被業(yè)內(nèi)所接受，并成為一種發(fā)展趨勢。阻焊噴墨打印無需傳統(tǒng)的圖形轉(zhuǎn)移制程，消除了預烤、曝光及顯影流程，省略了網(wǎng)版和曝光菲林的步驟，大幅減少對工作場地和空間的占用，節(jié)約阻焊材料，降低了設備投入和人工成本，縮短了產(chǎn)品制作周期。隨著阻焊噴墨打印技術的日趨成熟，必將給PCB 阻焊工藝帶來技術革新，為PCB 廠商帶來更大的經(jīng)濟效益。本文從阻焊噴墨設備、工藝及其能力方面進行研究，以期將阻焊打印工藝應用于實際產(chǎn)品上［1］。

1 阻焊噴墨打印原理及流程

1.1 噴墨打印原理

噴墨打印技術是將所需打印的圖像通過噴墨打印機涂覆在承印物上的一種印刷方式。阻焊噴墨打印機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。壓電元件是一個能變形的晶體，當電壓變化時，壓電元件產(chǎn)生位移，推動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，按照一定頻率迅速擠壓墨水，墨水從噴嘴迅速噴出，落到基板上，墨水墨滴按照一定圖像進行落點分布并形成圖形。

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，針對阻焊噴墨打印，一種防滲劑應運而生，在保證結(jié)合力的前提下，盡可能降低滲透問題帶來的影響。

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、墨滴大小和設備能力。以下將從這4個方面進行測試和分析。

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)異的流動性，并能獲得最佳的油墨附著性。因此，一般前處理會選擇表面粗糙度較高的超粗化和火山灰磨板。由于毛細作用，油墨在粗糙的表面上出現(xiàn)過度流動，即擴散問題，需要評估不同前處理方式，如是否搭配防滲劑，以保證在油墨流動的同時減少油墨擴散。

防滲效果通過測量墨滴接觸角來進行評估。接觸角即當液滴自由地處于不受力場影響的空間時，由于界面張力的存在而呈圓球狀，但當液滴與固體平面接觸時，液滴能自動在固體平面鋪展開來，或與固體表面成一定的角度。接觸角符號為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-氣三相交界點處，其氣-液界面和固-液界面兩切線將液相夾在其中所形成的角即為接觸角，也稱浸潤角或潤濕角，圖中，γ為界面表面張力。

圖1 接觸角示意

接觸角θ越大，說明液體在固體表面擴散程度越小，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試結(jié)果見表1。

表1 不同前處理方式粗糙度、接觸角對比

由表1 可見，針對阻焊噴墨打印，最佳前處理方式為超粗化搭配專用防滲劑。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。噴墨技術中采用體積單位pL（1 pL=10-15m3）來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是決定墨滴體積的關鍵因素。隨著噴印技術越來越成熟，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 號達因筆測試膜上所測得的墨滴數(shù)據(jù)見表2。

表2 測試膜上所測得的墨滴尺寸數(shù)據(jù)單位：μm

由表2 可見，墨滴直徑與噴墨體積成正比。由于測試膜表面張力和墨滴張力，實際測出的尺寸均達到理論墨滴直徑的2 倍以上?？紤]到圖像的分辨率，阻焊打印應選擇相對小的噴頭，但噴頭越小，一次噴射的墨量越少，效率也越低，因此阻焊噴墨機需選擇合適的噴頭，以應對阻焊高精度、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鍵因素。

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

2.4 阻焊噴墨打印機工藝能力［3］

使用國內(nèi)某品牌的阻焊噴墨打印機進行測試、評估，測試板使用專用阻焊工藝能力測試板，測試板上設計有各個功能模塊，用來評估設備工藝能力以及油墨可靠性能。

2.4.1 開窗能力測試

設備噴頭噴出的墨滴大小決定了阻焊開窗的能力，測試板上分別設計有0.1、0.15、0.2 mm 的開窗，噴墨打印后測量開窗的實際大小見表3。測量確定后，阻焊噴墨打印開窗能力最小為 0.15 mm。

表3 開窗能力測試結(jié)果 單位：mm

2.4.2 線寬解析能力測試

線寬及線距分別設計為0.025、0.038、0.050、0.064、0.075 mm。根據(jù)設計圖形，在防滲處理后的銅面上打印阻焊線條，如圖2 所示。通過打印的線條形狀可以看出，線寬、線距＜0.064 mm 的線條不平整，油墨易融合在一起，無法與傳統(tǒng)阻焊曝光出來的線條媲美。線寬、線距設計為 0.075 mm 時基本可滿足要求。因此可得出阻焊噴墨打印機線條解析度最小為0.075 mm。

圖2 不同線寬打印的外觀

2.4.3 對位精度

阻焊曝光制程受設備能力、板子本身漲縮變形及對位工具變形的疊加影響，產(chǎn)品容易產(chǎn)生曝光偏位問題，而阻焊噴墨打印設備具有精準的電荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）自動對位功能，同時對位過程中通過掃描計算的相對坐標對資料進行補償，更好地解決了阻焊偏位上焊盤的問題。取打印出來的若干試驗板，對球狀引腳柵格陣列（ball grid array，BGA）封裝位置的開窗偏移度進行測量，測量結(jié)果如圖3 所示，對位精度能力分析如圖4所示。

圖3 BGA封裝開窗偏移度

圖4 對位精度能力分析

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析確認，對位精度按0.05 mm 控制，得到的過程能力指數(shù)（complex process capability index，CPK）為1.35（＞1.33），說明試驗設備阻焊打印對位精度可滿足要求。

2.4.4 厚銅產(chǎn)品加工能力

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

圖5 厚銅板切片

3 性能測試

經(jīng)過以上測試后，采用專用測試板對打印出來的板進行外觀及性能評估，結(jié)果如下。

3.1 外觀

經(jīng)過對防滲劑參數(shù)及油墨特性的測試，阻焊噴墨打印機設置合理的參數(shù)調(diào)試后，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品外觀符合無條紋要求，如圖6所示。

圖6 阻焊外觀

3.2 阻焊厚度

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

圖7 阻焊厚度測試

3.3 阻焊可靠性測試

阻焊可靠性主要項目評估結(jié)果見表4 和圖8。試驗結(jié)果表明，阻焊噴墨機搭配專用防滲劑后，阻焊品質(zhì)可滿足要求。

表4 阻焊可靠性測試結(jié)果

圖8 阻焊可靠性測試

4 結(jié)語

測試及驗證表明，阻焊噴墨打印技術可滿足普通電路板阻焊的品質(zhì)需求。此技術可極大簡化PCB 阻焊生產(chǎn)過程，減輕環(huán)境污染，是PCB 行業(yè)劃時代的變革和進步，也代表著PCB 工業(yè)未來的發(fā)展方向。當前該技術尚未完全成熟，且成本較高，但阻焊噴墨打印作為顛覆阻焊工藝的新技術，必然會得到快速推廣。