by Wouter Brok, Klaus Ruhmer and Henk Goossens

Meyer Burger (Netherlands) B.V.

当德国人在2011年创造了“工业4.0”这个术语时，很多人并不清楚它实际上代表什么意思。虽然对于其含义中各种细微差别的争论仍在进行，但其中有一 个方面是无可争议的——“计算机化制造”是它的核心。许多行业的制造技术正在不断变得越来越数字化，这也适用于PCB制造。有一些制造步骤甚至提供了令人 难以置信的数字化潜力。 其中一个主要的例子是使用工业喷墨技术应用阻焊剂材料。

1. PCB预处理

2.全板涂覆（例如幕涂）

3.图案压膜制造（光掩模）

4.紫外线曝光

5.显影

6.后固化

使用最先进的数字喷墨印刷技术在PCB板上形成阻焊层，可以减少工艺步骤的数量：

1. PCB预处理

2.数字喷墨打印，包括原位UV固化

3.后固化

使用这种简化的制造工艺，好处是显而易见的。 除了所需的设备占用资金和相关的劳动力成本减少外，数字化工艺还显著减少了加工过程中化学品的使用，因此也减少了相关的管理和处理成本。总的来说，其环境 效益巨大。最后，也是最重要的，是减少了制造时间，这是当今快速发展的电子业务中的重要能力。

1、喷墨是一种选择性涂层技术。这意味着材料仅在需要的地方沉积。在打印焊料掩模时，不仅能减少材料消耗，还能避免施加在通孔和难以去除或不需要的区域 中的阻焊材料。在显影步骤中从高纵横比的孔中冲洗出未固化的阻焊材料非常困难，是PCB行业中众所周知的挑战，而通过喷墨打印则可以完全避免。

2、使用喷墨技术直接按照需要的图案打印阻焊材料使得不再需要使用光刻工艺。因此，曝光后的显影也不再需要，这带来了巨大的好处是该技术完全消除了会造成洗掉IC触点之间的小型阻焊层的风险。

3、喷墨的另一个独特的特征是灵活性。它不仅可以处理不同的表面，还可以进行不同的表面处理。此外，还可以实现不同的层厚度，以及沉积不同的材料。

4、喷墨技术的数字本质还能提供与图案对准和缩放相关的重要优点：数字打印图像不仅可以准确地对准底层图案，而且还可以根据需要缩放。特别是在具有不同工艺要求的苛刻制造条件下，这种灵活性对于低成本生产是至关重要的。

显而易见，当与上述传统光刻工艺进行对比时，喷墨工艺对于许多成本因素具有很大影响。

首先，设备的固定资产投资就是一个大头。其次，传统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学品，以及其废料处理成本。在大多数 运营中，水的消耗、废水处理和溶剂回收的成本都很高。不那么显著的成本因素有劳动力成本和占地面积。除了能够节约成本，喷墨工艺还能够在劳动力和工厂空间 相同的情况下增加产量。传统工艺对环境的影响难以量化，因此不被认为是一个直接成本因素。然而，举一个例子，想要获得进行大规模光刻工作的新工厂空间的许 可会非常困难。再加上能够消除上述传统工艺所增加的成本，喷墨打印的成本优势得到了进一步强化。

制造的设计通常通过CAD程序生成，其中会把设计存储为各种矢量文件的格式之一，通常为Gerber RS-274x格式。矢量文件通过表示坐标、线、弧和其他元素来还原设计，可以轻松进行平移、旋转和缩放等操作。然而，数字喷墨打印机在矩形网格上打印液 滴，由诸如BMP、TIFF、PNG、JPG等光栅类型文件格式来进行表示。当为喷墨打印机准备程序时，需要将文件格式从矢量转换到光栅。这种转换是通过 名为光栅图像处理器（RIP）的软件来完成的。

光栅图像处理器接收输入的矢量文件以及各种转换参数，例如文件需要光栅化的分辨率。图5示出了该过程：左边是由矢量图像表示的图形。右边是将光栅叠加在设计上。在光栅点与设计重合的每个位置处启用像素。

此图示中使用的分辨率非常低。在实践中，设计将在更密集的网格上进行光栅化，如图5的右图所示。该网格的分辨率被限制在液滴重叠足以形成闭合层所需的最小分辨率，以及打印薄层材料所需要的之间。通常，分辨率为1000dpi及以上。

在实践中，RIP引擎将执行比上图所示的更高级的操作。例如，它能够考虑到喷墨液滴在表面上的流动并且预先补偿。或者，它可以做到将设计中的东西的周边良好地再现，但是内部区域仅进行覆盖并且只需要较低的分辨率。

这种技术还可以包括更高级的功能，例如基于PCB上的参照点对单独产品进行校准，以补偿由于温差而引起的拉伸或翘曲，这在使用光刻时是不可能的。

一旦图案和基材都准备就绪，就可以装载到打印机中。自动化产品加工是一种选项，建议在批量PCB制造中使用这种方法。将板放在基板台上并通过真空固定。基板的位置会自动确定，以进行图案对准，之后就可以开始打印了。

打印过程本质上包含扫描基底和打印头之间的相对位置。一般来说，基板会从打印头下面通过数次。在每次通过的过程中，都会打印出对应于打印头宽度的图像条。根据程序，单次通过可以完成图像条，或者进行多次通过以建立所需的层。

打印头是整个工艺中最关键的部分。市面上有数种不同类型、品牌和型号的产品非常适合用于阻焊油墨打印。大多数批量生产用打印机都使用阵列打印头来提高生 产率。不同的喷头具有不同的液滴尺寸、平直度、液滴速度和喷射频率规格。 因此，选择能够提供所需分辨率、可靠性和打印质量的合适打印头是非常重要的。

为了实现打印阻焊油墨的高精度，必须在基板台上对PCB进行精确对准。 因此，喷墨打印机配备有面向基板的相机。 其可以定位基板上的部位，例如对准孔或预先准备的基准标记，并且准确确定基板的位置和方向。这种相机的安装位置在图7的例子中示出。当使用高精度基准标记 时，能够达到小于2 µm的相机配准。

此外，还需要用于精确阻焊油墨应用的移动平台。使用线性电机的经过良好校准的花岗岩移动平台可以将移动误差降低至1微米。同时，这样的平台可以支持高达1 m/s的打印速度。快速移动平台与包含几千个平行喷嘴的宽打印头阵列的组合能够达到非常高的产量。

印制层的质量是最为重要的。因此，必须在打印期间通过合适的诊断系统实时监控每个喷嘴的打印质量一致性。如果发现喷嘴开始偏离其正常工作范围，甚至在疑 似喷嘴损坏之前，打印机必须能够自动进行喷头维护程序。这意味着打印机必须配备喷嘴检查和维护模块。通常，通过视觉液滴检测来检查喷嘴，同时维护功能是清 洗（通过打印头压出少量的墨水）和清洁。这些功能由打印机自动执行，以确保工作时不需要操作人员进行干预。

最后，通过UV固化来进行阻焊油墨材料的光聚合。该固化过程不仅能防止墨水流出和固定图形，还使电路板在离开打印机时不湿粘。对于高产量来说，最合适的是高功率LED源，并且应该安装在靠近打印头的位置，以减少墨水流出并提高打印图案的精度。

JETx-SMP打印机能按照以下规格形成阻焊剂层。

如今，许多绿色和黑色的阻焊油墨材料是能够购买到的，或即将要发售的。