全印制PCB常用的几种新型材料和设备简介

摘要  全印制电路是PCB的发展方向，文章重点介绍了几种全印制电路用的材料和设备，材料部分包括导电墨水、导电浆料和塞孔树脂，设备部分包括喷墨打印机和塞孔印刷机。

关键词  PCB全印制线路；喷墨打印导电墨水、喷墨打印机、导电胶、塞孔树脂、真空塞孔印刷机

Introduction on several new materials and equipment
for Full Build Electro less PCB Technology
Author: Liu Xiaoping HU Shiyi  Sun Qishuang
Abstract ：Full build electro less PCB is the future trend of PCB development. This article mainly introduces several kinds of materials and equipment for full build electro less PCB technology. What included in the material are conductive ink, conductive paste and plug hole resin. What included in the equipment are inkjet printers and plug hole printing machine
Keywords： Full build electro less PCB; conductive ink-jet printing, inkjet printers, conductive plastic, plug hole resin, vacuum plug hole printing
 
一、全印制电路简述
随着电子产业科技的高速发展，对线路板的需求量也越来越大。而传统的印刷线路板，采用电镀蚀刻工艺，对环境破坏极大。全印制线路板，采用印刷方法直接将线路印刷出来，省却湿法电镀工艺，成为线路板绿色生产工艺的发展方向。针对全印制电路领域，美国、以色列、日本、韩国等发达国家目前已经走在最前面。
全印制线路板制备生产工艺，涉及导电线路与线宽的加工、孔金属化的成型，以及互连线图形之间的制作和转移等，其关键技术主要是导电材料的开发和相关配套设备的开发。

二、全印制电路用新型材料
（一）导电线路图案印刷用导电材料
导电银浆或墨水直接通过喷墨打印、网版印刷、凹版或者柔版印刷等印刷方式在不同基材印制形成导电图案，按照导电线路的形成原理，可以分为烧结型和树脂固化型。烧结型浆料或墨水是通过导电颗粒的熔融或晶粒长大、相互连接而形成导电线路，树脂固化型导电浆料或墨水通过树脂固化过程的收缩使导电颗粒紧密接触而形成导电线路。

喷墨打印导电墨水是一种不需要制版的数字印刷方式[1]，随着纳米技术的快速发展和完善，喷墨打印用的导电墨水得到快速发展。国际上已经产业化应用导电墨水的厂家有韩国的ANP/INKTEC/ABC、美国的COBAT/NANOMASS/ANI/NOVACENTRIX、日本的ULVAC/DIC等公司。
导电墨水最常用的是纳米银导电喷墨打印墨水。在国内目前发展比较早的有昆山的某公司，在喷墨打印线路的产品主要有A类型、B类型、C类型等导电纳米银墨水，该类墨水主要由纳米银粒子（粒径小于10nm）分散于连续的有机相中，粒径均一，墨水如图1所示，不易堵塞打印机喷头，烧结温度在70-250℃，时间在10min-30min不等，烧结出来的线路能够获得较好的导电性，能够达到2.5μΩ.cm，其时间关系如图2所示，其相关产品性能介绍如表1：

                   
 而该打印墨水技术的唯一不足是由于喷墨打印的厚度仅1μm厚度，因此在整个PCB线路板中的应用都有一定的限制。
纳米铜导电喷墨打印墨水[2,3]是一种价格相对低廉的新型材料，目前该喷墨打印导电墨水主要采用特殊纳米铜合金颗粒，制备成导电的纳米（粒径小于100nm）铜喷墨打印的墨水，通过专业的工业喷墨打印机和打印喷头打印成线路，之后再通过专业的能量设备，将纳米氧化铜还原并烧结成精细的铜线路，其导电性能够达到5.0μΩ.cm该烧结温度在250℃-300℃之间，该技术具有巨大的发展前景和应用前景。

美国目前也有用纳米铜颗粒制备出了可以喷墨打印用的导电墨水，其主要型号是IJ70导电墨水，图3是其纳米铜喷墨打印后的烧结铜线路，图4是其纳米铜粉烧结之后的形貌，该纳米铜导电墨水的性能参数如下表2：

       
（二）塞孔材料（PCB导电填孔胶）
如何解决喷墨打印的线路层数间的连接，在PCB全印制线路板多层板印制方案中，贯通各层线路之间的连接桥梁被认为是研究最少，产品可选则性有限，就数PCB导电填孔胶，一方面要求采取丝印的工艺，将导电胶丝印到PCB通孔中，将各层的线路接口有效的连接起来；另一方面要求导电胶具有较高的可靠性，极低的CTE，无塞孔气泡产生。因此技术方面要求非常高，而日本目前在这一领域有技术上的有所突破，开发出三种具有较高导电性和可靠性的导电胶，这三种导电胶为：AE2217、AE1244、AE3030，如图5所示，图6是过孔导电填塞取代电镀通孔连接，其中AE2217、AE3030已经在PCB线路板中得到广泛应用。
         

以上几种型号过孔导电胶均采用镀银铜粉作为导电填料，其导电机理主要是采用导电粒子的填充接触导电，其可靠性方面较烧结性的导电胶稍微偏低；而另一种烧结性的导电胶，其机理主要是利用纳米银合金的烧结技术将其中的银铜粉烧结成整体，其导电性和可靠性更加有保障。
三、全印制电路制备用新型设备
1、PCB喷墨打印机和打印喷头
相对于传统的影像蚀刻电镀等污染环境的线路板制作工艺，喷墨打印机和打印喷头设备是关键的主要元件，这不同于常用的打印机和打印喷头，这种打印机和打印喷头能够精确控制打印墨水的成像精度，当前的线路喷墨主要采用连续压力脉冲式喷墨系统，其喷墨的打印机和打印喷头设备商是著名的美国MicroFab公司，该公司已有行业20多年的应用经验，可以实现溶液的沉积打印，同时MicroFab的喷头可以使用的流体跨度从低温气体到高温焊料达300℃以上，是目前世界上最好的也是应用最为广泛的线路打印机喷头和打印整机设备商，MicroFab打印机如图9所示，喷墨打印出的墨滴如图10所示。MicroFab喷头的技术原理，其核心部件是其喷头由一个被压电驱动器管状包围毛细玻璃管组成。毛细管的一端形成一个喷嘴（直径20至100微米，可以定制到最小5微米），当给一个压电脉冲时，压电驱动器通过压电效应产生一个压力穿过玻璃进入液体中传播。在喷嘴处，压力波使液体加速，形成小液柱离开喷嘴，然后断开，形成一个液滴飞向空中。
         

其打印机参数如下：
喷头直径：20-80μm
单一液滴体积：25-500pl
体积变化率：约1%
使用粘度范围：1-100mPa.s(不加热)  100-10000mPa.s（加热，可达240℃）
产生液滴速率：0-2000/S
最大生产率：1μl/s
其次在这一领域的线路板喷墨打印机设备商，还有日本富士等其他设备厂家，他们的打印机均有用于喷墨导电墨水的打印和开发。
2、PCB填孔真空印刷机
针对传统的电镀孔工艺或者是电镀线路工艺，印刷技术的进步无疑是为将来的线路板工业革命打下了坚实的技术基础，印刷线路板的前身就是通过印刷方式生产，所以才叫印制线路板，为什么没有实现全印制，就是因为设备和材料都欠缺，只能通过电镀的工艺进行批量化的大规模工业生产，造成环境污染严重；因此相关的材料和设备技术的进步，无疑将来会终结这一湿法电镀工艺，为保护好人类的生存环境做出贡献。
PCB板通孔的塞孔或者导电胶的导通印刷，则有不同的要求，普通通孔树脂塞孔，其塞孔丝印工艺来讲对设备要求就不会太高，印刷机的应用选择也比较广泛，如台湾东远（ATMA）图10所示的双台面丝印印刷机等，而对于塞孔要求高的，完全无气泡的树脂塞孔填孔，采用普通印刷机是不能完全实现高质量的，那么真空的塞孔印刷技术就诞生了，其主要印刷机理是在对PCB板材的一面保持在真空条件下，而同时在PCB板材的另一面进行刮印塞孔印刷，这样基本能100%保证填孔材料的过孔性，防止填孔材料漏塞孔现象发生，在国内外这一技术已经成熟并在普遍推广使用，当前技术非常成熟的设备商是德国MASS和ITC真空塞孔机，如图12所示。该技术是印刷领域的技术独创，其价格也较昂贵。
           
、该真空塞孔技术不仅可以针对树脂过孔塞孔，而且针对过孔导电胶的塞孔同样适用，该技术的广泛应用，为PCB导电填孔打下了设备基础，因为导电填孔胶进入到PCB孔中，是否有起泡、漏塞或者连通与否，是无法预知和看到的，那么真空印刷设备可以保证100%的填塞和连接，为其全印制线路板的桥梁连接解除了后顾之忧。
四、总结
全印制电路面临的技术壁垒正逐渐被克服，一旦有新的革命性技术的突破，或者喷墨打印机技术和丝网印刷技术有实质性的突破，将会给整个线路板行业的制造工艺带来革命性的变化，也会完全将湿法的电镀工艺淘汰掉，彻底解除了电镀废水对人类的环境威胁，因此这方面还需要众多企业和研究机构的投入和攻关，才会不断取得新的进步，也将会给人类赖以生存的地球环境带来良性发展。

参考文献
1. 李景涛  喷墨纳米银导电墨水的制备及性能研究  华南理工大学  2012年                         2.聂昆深   纳米铜导电墨水的研制    广东工业大学  2013年                                                                              3. 李键     纳米铜导电油墨工艺及应用研究       华中科技大学 2012年

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