噴墨打印技術(shù)的原理、發(fā)展歷史及其在PCB字符中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

噴墨打印及其發(fā)展趨式

1.1 噴墨打印技術(shù)的發(fā)展歷史

噴墨打印技術(shù)主要經(jīng)歷了連續(xù)噴墨打印技術(shù)、熱泡式噴墨打印技術(shù)和壓電式噴墨打印技術(shù)三個(gè)階段。而噴墨打印技術(shù)的進(jìn)步及其在工業(yè)中的應(yīng)用也相應(yīng)推動(dòng)了工業(yè)噴墨打印頭的進(jìn)步與發(fā)展。

20世紀(jì)60年代，隨著墨滴形成及其在電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)等基礎(chǔ)理論的研究，連續(xù)噴墨打印理論逐步形成并開始進(jìn)入應(yīng)用階段。20世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了用于噴墨打印機(jī)的連續(xù)噴墨打印頭。20世紀(jì)80年代，熱泡式打印原理被發(fā)現(xiàn)。隨后熱泡式噴墨打印技術(shù)得以完善并出現(xiàn)了熱泡式噴墨打印頭。20世紀(jì)90年代，隨著壓電式噴墨打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，壓電式噴墨打印頭開始逐步進(jìn)入實(shí)質(zhì)性應(yīng)用階段。

壓電式噴墨技術(shù)是將許多微小的壓電陶瓷放置到打印頭噴嘴附近，壓電陶瓷在兩端電壓變化作用下具有彎曲形變的特性，當(dāng)圖像信息電壓加到壓電陶瓷上時(shí)，壓電陶瓷的伸縮振動(dòng)變形將隨著圖像信息電壓的變化而變化，并使墨頭中的墨水在常溫常壓的穩(wěn)定狀態(tài)下，均勻準(zhǔn)確地噴出墨水。壓電噴墨技術(shù)具有墨點(diǎn)形狀規(guī)則、沒有濺射、墨點(diǎn)大小可控、噴射速度可控、定位準(zhǔn)確、可以選用更多化學(xué)成分不同的墨水、腐蝕機(jī)會(huì)減少、噴頭壽命延長等優(yōu)點(diǎn)，還可以采用顏料墨水，防止紫外線照射時(shí)所引起的變色和褪色現(xiàn)象。陶瓷壓電式噴印系統(tǒng)幾乎可以打印任何種類的墨水，包括水溶性、溶劑性和上面所述的加溫固態(tài)噴墨。

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噴墨打印技術(shù)應(yīng)用于PCB文字工藝的優(yōu)勢(shì)

噴墨打印技術(shù)應(yīng)用于PCB文字工藝和傳統(tǒng)工藝相比其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在縮短流程，固有技術(shù)難點(diǎn)的有效克服和綠色環(huán)保。

2.1 噴墨打印技術(shù)和傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷工藝流程對(duì)比

噴墨打印技術(shù)和傳統(tǒng)網(wǎng)版印刷工藝流程如下圖1和圖2所示。從圖中可以看出，傳統(tǒng)網(wǎng)版印刷工藝需要繃網(wǎng)、印刷及烘烤等13道工藝，而噴墨打印技術(shù)僅需要噴墨打印及烘烤等4道工藝。噴墨打印技術(shù)可根據(jù)CAD或CAM資料直接噴印文字圖形并即時(shí)固化，可有效節(jié)約網(wǎng)版制作和文字烘烤流程，同時(shí)生產(chǎn)設(shè)備以及車間占地面積等都有很大幅度的減少，在生產(chǎn)成本及生產(chǎn)效率方面都比傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷更具經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 克服傳統(tǒng)絲印固有的技術(shù)難點(diǎn)

2.2.1 不規(guī)則的尺寸漲縮問題

不規(guī)則的尺寸脹縮問題一直以來都是PCB制造行業(yè)的技術(shù)難點(diǎn)，這種困擾在傳統(tǒng)的網(wǎng)版印刷中表現(xiàn)得尤為明顯，特別是高精度的高密度電路板，很容易因線路板不規(guī)則的尺寸脹縮導(dǎo)致文字圖形偏移。而數(shù)字噴墨打印機(jī)則具有精確的CCD自動(dòng)對(duì)位功能，可根據(jù)線路板不同的尺寸變化自動(dòng)調(diào)整文字圖形大小，使需噴印的數(shù)字圖形尺寸和在制板實(shí)際尺寸相吻合，因而可有效解決尺寸脹縮帶來的困擾。

2.2.2 落差位置的字符殘缺不清問題

因傳統(tǒng)網(wǎng)版印刷工藝本身的特點(diǎn)使得在高低落差位置油墨難以印平整，導(dǎo)致文字線條不連續(xù)，容易出現(xiàn)模糊不清的現(xiàn)象，或在低洼邊沿處易出現(xiàn)字符變窄或變短的現(xiàn)象。而數(shù)字化的文字噴墨打印機(jī)可保持墨水噴墨打印的連續(xù)性，因而可輕易克服上述問題。

2.3 綠色環(huán)保

因噴墨打印技術(shù)無需制作網(wǎng)版，可避免網(wǎng)版在制作和清洗過程中產(chǎn)生大量的有機(jī)廢液，同時(shí)由于噴墨打印字符墨水為無溶劑型的，對(duì)車間環(huán)境以及工作人員均非常友好。另外噴墨打印文字墨水可同時(shí)滿足RoHS（歐盟有害物質(zhì)限制法案）、 Reach（歐盟關(guān)于化學(xué)品注冊(cè)、評(píng)估、授權(quán)與限制的一項(xiàng)法規(guī)）和無鹵素等要求，更加符合綠色環(huán)保理念。

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目前存在問題點(diǎn)

目前有較多的量產(chǎn)成功案例，但均或多或少存在一定不足之處，主要體現(xiàn)在解析度、附著力、以及成本較高等方面。

3.1.1 噴墨打印機(jī)

目前市面常用噴頭為柯尼卡1024 I，此噴頭具有工作速度快，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，常被用于白色字符油墨中，但由于此噴頭為14 PL，其噴孔直徑為25 μm左右，噴孔間距為65 μm左右，其最大分辨率僅能達(dá)到1440×720 dpi，最小線寬為75 μm，對(duì)于一些字符要求較高的PCB，無法滿足其工藝要求。當(dāng)然，其它更高精度的噴頭也被廣泛使用，主要用于亞克力、玻璃、木板、金屬板以及手機(jī)殼等領(lǐng)域，其特點(diǎn)為打印的圖案較有較高清晰度，但是其打印速度或產(chǎn)能卻相對(duì)較為低下，如果需達(dá)到較快速度，一般需要拼接10個(gè)以上甚至更多噴頭，進(jìn)行協(xié)同工作。

隨著行業(yè)對(duì)字符油墨的要求越來越高，一款打印精度好且高效的噴頭將成為未來幾年設(shè)備商亟需解決的重要問題之一，也是設(shè)備供應(yīng)商們帶動(dòng)PCB行業(yè)走向更高端、精細(xì)化、更自動(dòng)化生產(chǎn)的必經(jīng)之路。

3.1.2 墨水

圖形解析度與墨水的各種參數(shù)也有著十分密切的關(guān)系，比如粘度，表面張力等。墨水的粘度和表面張力將會(huì)影響噴墨管口的堆積、墨滴形狀、墨滴擴(kuò)散狀態(tài)等性能，當(dāng)然改變噴頭及二級(jí)墨盒的溫度和電壓也會(huì)影響這些參數(shù)。對(duì)于一些可以加熱的噴頭來說，墨水的原始粘度可以控制得相對(duì)高一些，可通過加熱來降低使用黏度，從而達(dá)到更好的噴墨效果，同時(shí)也給墨水的開發(fā)工作讓出了更多的空間。

通常在噴頭參數(shù)不變的情況下，不同表面張力的墨水會(huì)形成不同大小的墨滴，表面張力越大的墨水其墨滴越小，打印的精度也越高，但當(dāng)表面張力過大時(shí)，容易形成衛(wèi)星點(diǎn)，這些尺寸較小的墨滴因重量偏小易飛濺從而致使圖形精度降低，另一方面，墨水與PCB的表面張力要保持一定的一致性，使得墨滴滴落在PCB上后不易擴(kuò)散且不會(huì)收縮。一般墨水的表面張力控制在20~25 mN/m（25 ℃），黏度控制在0.02~0.04 Pa·s（20~40 cp）（25 ℃），墨水可表現(xiàn)出最佳的解析度。

由于阻焊綠油的多樣性，其不同油墨表面的表面張力有很大差異，易導(dǎo)致字符墨水與阻焊油墨的層間附著力不同，甚至在某些表面張力較低的阻焊綠油表面呈現(xiàn)出附著力不夠并脫落的不良。通常情況下，阻焊的達(dá)因值分布較寬，市面上常見的為32~44 dyne均有分布，達(dá)因值越低，字符墨水對(duì)阻焊的附著力表現(xiàn)為逐步下降。

另一方面噴墨打印字符墨水一般為UV型，UV固化具有速度快效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是其固化后的字符比較脆，其固化程度或交聯(lián)度比熱固化類型的更低，與熱固化型墨水在阻焊上的附著力相對(duì)更差。已有公司針對(duì)以上兩點(diǎn)不足，致力于研發(fā)與不同阻焊層兼容性好、附著力佳且高溫黃變性的UV+熱固化字符墨水，并取得了一定的研發(fā)成果，其工藝與目前市場(chǎng)上常見噴墨打印字符墨水一致。

成本通常是評(píng)估一個(gè)項(xiàng)目或工藝的重要因素之一，對(duì)于噴墨打印白色字符油墨來說，其主要成本來源于設(shè)備成本、設(shè)備維護(hù)成本以為墨水成本。

3.3.1 噴墨打印機(jī)成本及維護(hù)成本

國內(nèi)市面常見文字噴墨打印機(jī)按產(chǎn)地分主要可分為進(jìn)口設(shè)備和國產(chǎn)設(shè)備，進(jìn)口設(shè)備主要為奧寶科技，其設(shè)備價(jià)格一般在100萬以上，隨著噴墨打印技術(shù)日益成熟，國產(chǎn)設(shè)備也積極加入了此行列，價(jià)格一般為100萬以內(nèi)。

噴頭作為噴墨打印機(jī)的最主要的耗件，其使用壽命主要由噴頭的使用頻率以及墨水的質(zhì)量等因素決定。

根據(jù)每臺(tái)設(shè)備每天噴印數(shù)量的不同，噴頭的通常使用周期多為6~12個(gè)月，單個(gè)噴頭的單價(jià)為2萬元左右，一臺(tái)設(shè)備按2個(gè)噴頭來計(jì)，每年噴頭更換費(fèi)用約6萬元，這相對(duì)其它工藝的設(shè)備而言，其噴墨打印機(jī)的維護(hù)成本相對(duì)較高。

3.3.2 墨水成本

早期白色字符打印墨水單價(jià)為2000元/千克以上，但近一兩年成本有所下降，一般維持在1600~2000元/千克，也有少數(shù)品牌的打印墨水性價(jià)較高，其單價(jià)低于1500元/千克，墨水價(jià)格的逐年遞減，給更多的PCB廠商帶來的更多的福音，給噴墨打印技術(shù)在字符中的應(yīng)用帶來更廣闊的空間。

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小結(jié)

隨著噴墨打印技術(shù)的日益成熟，以及噴墨打印字符墨水性能進(jìn)一步完善，噴墨打印技術(shù)在不久的將來可能會(huì)完全取代傳統(tǒng)網(wǎng)版印刷工藝，實(shí)現(xiàn)更高效快捷的大批量生產(chǎn)。