喷墨打印技术的原理、发展历史及其在PCB字符中的应用优势

喷墨打印及其发展趋式

1.1  喷墨打印技术的发展历史

喷墨打印技术主要经历了连续喷墨打印技术、热泡式喷墨打印技术和压电式喷墨打印技术三个阶段。而喷墨打印技术的进步及其在工业中的应用也相应推动了工业喷墨打印头的进步与发展。

20世纪60年代，随着墨滴形成及其在电场运动等基础理论的研究，连续喷墨打印理论逐步形成并开始进入应用阶段。20世纪70年代，随着计算机技术的发展，出现了用于喷墨打印机的连续喷墨打印头。20世纪80年代，热泡式打印原理被发现。随后热泡式喷墨打印技术得以完善并出现了热泡式喷墨打印头。20世纪90年代，随着压电式喷墨打印技术的进一步发展，压电式喷墨打印头开始逐步进入实质性应用阶段。

压电式喷墨技术是将许多微小的压电陶瓷放置到打印头喷嘴附近，压电陶瓷在两端电压变化作用下具有弯曲形变的特性，当图像信息电压加到压电陶瓷上时，压电陶瓷的伸缩振动变形将随着图像信息电压的变化而变化，并使墨头中的墨水在常温常压的稳定状态下，均匀准确地喷出墨水。压电喷墨技术具有墨点形状规则、没有溅射、墨点大小可控、喷射速度可控、定位准确、可以选用更多化学成分不同的墨水、腐蚀机会减少、喷头寿命延长等优点，还可以采用颜料墨水，防止紫外线照射时所引起的变色和褪色现象。陶瓷压电式喷印系统几乎可以打印任何种类的墨水，包括水溶性、溶剂性和上面所述的加温固态喷墨。

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喷墨打印技术应用于PCB文字工艺的优势

喷墨打印技术应用于PCB文字工艺和传统工艺相比其优势主要体现在缩短流程，固有技术难点的有效克服和绿色环保。

  2.1  喷墨打印技术和传统丝网印刷工艺流程对比

喷墨打印技术和传统网版印刷工艺流程如下图1和图2所示。从图中可以看出，传统网版印刷工艺需要绷网、印刷及烘烤等13道工艺，而喷墨打印技术仅需要喷墨打印及烘烤等4道工艺。喷墨打印技术可根据CAD或CAM资料直接喷印文字图形并即时固化，可有效节约网版制作和文字烘烤流程，同时生产设备以及车间占地面积等都有很大幅度的减少，在生产成本及生产效率方面都比传统丝网印刷更具经济效益。

  2.2  克服传统丝印固有的技术难点

2.2.1  不规则的尺寸涨缩问题

不规则的尺寸胀缩问题一直以来都是PCB制造行业的技术难点，这种困扰在传统的网版印刷中表现得尤为明显，特别是高精度的高密度电路板，很容易因线路板不规则的尺寸胀缩导致文字图形偏移。而数字喷墨打印机则具有精确的CCD自动对位功能，可根据线路板不同的尺寸变化自动调整文字图形大小，使需喷印的数字图形尺寸和在制板实际尺寸相吻合，因而可有效解决尺寸胀缩带来的困扰。

2.2.2  落差位置的字符残缺不清问题

因传统网版印刷工艺本身的特点使得在高低落差位置油墨难以印平整，导致文字线条不连续，容易出现模糊不清的现象，或在低洼边沿处易出现字符变窄或变短的现象。而数字化的文字喷墨打印机可保持墨水喷墨打印的连续性，因而可轻易克服上述问题。

  2.3  绿色环保

因喷墨打印技术无需制作网版，可避免网版在制作和清洗过程中产生大量的有机废液，同时由于喷墨打印字符墨水为无溶剂型的，对车间环境以及工作人员均非常友好。另外喷墨打印文字墨水可同时满足RoHS（欧盟有害物质限制法案）、 Reach（欧盟关于化学品注册、评估、授权与限制的一项法规）和无卤素等要求，更加符合绿色环保理念。

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目前存在问题点

目前有较多的量产成功案例，但均或多或少存在一定不足之处，主要体现在解析度、附着力、以及成本较高等方面。

3.1.1  喷墨打印机

目前市面常用喷头为柯尼卡1024 I，此喷头具有工作速度快，稳定性好等优点，常被用于白色字符油墨中，但由于此喷头为14 PL，其喷孔直径为25 μm左右，喷孔间距为65 μm左右，其最大分辨率仅能达到1440×720 dpi，最小线宽为75 μm，对于一些字符要求较高的PCB，无法满足其工艺要求。当然，其它更高精度的喷头也被广泛使用，主要用于亚克力、玻璃、木板、金属板以及手机壳等领域，其特点为打印的图案较有较高清晰度，但是其打印速度或产能却相对较为低下，如果需达到较快速度，一般需要拼接10个以上甚至更多喷头，进行协同工作。

随着行业对字符油墨的要求越来越高，一款打印精度好且高效的喷头将成为未来几年设备商亟需解决的重要问题之一，也是设备供应商们带动PCB行业走向更高端、精细化、更自动化生产的必经之路。

3.1.2  墨水

图形解析度与墨水的各种参数也有着十分密切的关系，比如粘度，表面张力等。墨水的粘度和表面张力将会影响喷墨管口的堆积、墨滴形状、墨滴扩散状态等性能，当然改变喷头及二级墨盒的温度和电压也会影响这些参数。对于一些可以加热的喷头来说，墨水的原始粘度可以控制得相对高一些，可通过加热来降低使用黏度，从而达到更好的喷墨效果，同时也给墨水的开发工作让出了更多的空间。

通常在喷头参数不变的情况下，不同表面张力的墨水会形成不同大小的墨滴，表面张力越大的墨水其墨滴越小，打印的精度也越高，但当表面张力过大时，容易形成卫星点，这些尺寸较小的墨滴因重量偏小易飞溅从而致使图形精度降低，另一方面，墨水与PCB的表面张力要保持一定的一致性，使得墨滴滴落在PCB上后不易扩散且不会收缩。一般墨水的表面张力控制在20~25 mN/m（25 ℃），黏度控制在0.02~0.04 Pa·s（20~40 cp）（25 ℃），墨水可表现出最佳的解析度。

由于阻焊绿油的多样性，其不同油墨表面的表面张力有很大差异，易导致字符墨水与阻焊油墨的层间附着力不同，甚至在某些表面张力较低的阻焊绿油表面呈现出附着力不够并脱落的不良。通常情况下，阻焊的达因值分布较宽，市面上常见的为32~44 dyne均有分布，达因值越低，字符墨水对阻焊的附着力表现为逐步下降。

另一方面喷墨打印字符墨水一般为UV型，UV固化具有速度快效率高等优点，但是其固化后的字符比较脆，其固化程度或交联度比热固化类型的更低，与热固化型墨水在阻焊上的附着力相对更差。已有公司针对以上两点不足，致力于研发与不同阻焊层兼容性好、附着力佳且高温黄变性的UV+热固化字符墨水，并取得了一定的研发成果，其工艺与目前市场上常见喷墨打印字符墨水一致。

成本通常是评估一个项目或工艺的重要因素之一，对于喷墨打印白色字符油墨来说，其主要成本来源于设备成本、设备维护成本以为墨水成本。

3.3.1  喷墨打印机成本及维护成本

国内市面常见文字喷墨打印机按产地分主要可分为进口设备和国产设备，进口设备主要为奥宝科技，其设备价格一般在100万以上，随着喷墨打印技术日益成熟，国产设备也积极加入了此行列，价格一般为100万以内。

喷头作为喷墨打印机的最主要的耗件，其使用寿命主要由喷头的使用频率以及墨水的质量等因素决定。

根据每台设备每天喷印数量的不同，喷头的通常使用周期多为6~12个月，单个喷头的单价为2万元左右，一台设备按2个喷头来计，每年喷头更换费用约6万元，这相对其它工艺的设备而言，其喷墨打印机的维护成本相对较高。

3.3.2  墨水成本

早期白色字符打印墨水单价为2000元/千克以上，但近一两年成本有所下降，一般维持在1600~2000元/千克，也有少数品牌的打印墨水性价较高，其单价低于1500元/千克，墨水价格的逐年递减，给更多的PCB厂商带来的更多的福音，给喷墨打印技术在字符中的应用带来更广阔的空间。

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小结

随着喷墨打印技术的日益成熟，以及喷墨打印字符墨水性能进一步完善，喷墨打印技术在不久的将来可能会完全取代传统网版印刷工艺，实现更高效快捷的大批量生产。