噴墨打印技術的原理、發展歷史及其在PCB字符中的應用優勢

噴墨打印及其發展趨式

1.1 噴墨打印技術的發展歷史

噴墨打印技術主要經歷了連續噴墨打印技術、熱泡式噴墨打印技術和壓電式噴墨打印技術三個階段。而噴墨打印技術的進步及其在工業中的應用也相應推動了工業噴墨打印頭的進步與發展。

20世紀60年代，隨著墨滴形成及其在電場運動等基礎理論的研究，連續噴墨打印理論逐步形成并開始進入應用階段。20世紀70年代，隨著計算機技術的發展，出現了用于噴墨打印機的連續噴墨打印頭。20世紀80年代，熱泡式打印原理被發現。隨后熱泡式噴墨打印技術得以完善并出現了熱泡式噴墨打印頭。20世紀90年代，隨著壓電式噴墨打印技術的進一步發展，壓電式噴墨打印頭開始逐步進入實質性應用階段。

壓電式噴墨技術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，當圖像信息電壓加到壓電陶瓷上時，壓電陶瓷的伸縮振動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定狀態下，均勻準確地噴出墨水。壓電噴墨技術具有墨點形狀規則、沒有濺射、墨點大小可控、噴射速度可控、定位準確、可以選用更多化學成分不同的墨水、腐蝕機會減少、噴頭壽命延長等優點，還可以采用顏料墨水，防止紫外線照射時所引起的變色和褪色現象。陶瓷壓電式噴印系統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噴墨。

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噴墨打印技術應用于PCB文字工藝的優勢

噴墨打印技術應用于PCB文字工藝和傳統工藝相比其優勢主要體現在縮短流程，固有技術難點的有效克服和綠色環保。

2.1 噴墨打印技術和傳統絲網印刷工藝流程對比

噴墨打印技術和傳統網版印刷工藝流程如下圖1和圖2所示。從圖中可以看出，傳統網版印刷工藝需要繃網、印刷及烘烤等13道工藝，而噴墨打印技術僅需要噴墨打印及烘烤等4道工藝。噴墨打印技術可根據CAD或CAM資料直接噴印文字圖形并即時固化，可有效節約網版制作和文字烘烤流程，同時生產設備以及車間占地面積等都有很大幅度的減少，在生產成本及生產效率方面都比傳統絲網印刷更具經濟效益。

2.2 克服傳統絲印固有的技術難點

2.2.1 不規則的尺寸漲縮問題

不規則的尺寸脹縮問題一直以來都是PCB制造行業的技術難點，這種困擾在傳統的網版印刷中表現得尤為明顯，特別是高精度的高密度電路板，很容易因線路板不規則的尺寸脹縮導致文字圖形偏移。而數字噴墨打印機則具有精確的CCD自動對位功能，可根據線路板不同的尺寸變化自動調整文字圖形大小，使需噴印的數字圖形尺寸和在制板實際尺寸相吻合，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

因傳統網版印刷工藝本身的特點使得在高低落差位置油墨難以印平整，導致文字線條不連續，容易出現模糊不清的現象，或在低洼邊沿處易出現字符變窄或變短的現象。而數字化的文字噴墨打印機可保持墨水噴墨打印的連續性，因而可輕易克服上述問題。

2.3 綠色環保

因噴墨打印技術無需制作網版，可避免網版在制作和清洗過程中產生大量的有機廢液，同時由于噴墨打印字符墨水為無溶劑型的，對車間環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滿足RoHS（歐盟有害物質限制法案）、 Reach（歐盟關于化學品注冊、評估、授權與限制的一項法規）和無鹵素等要求，更加符合綠色環保理念。

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目前存在問題點

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

3.1.1 噴墨打印機

目前市面常用噴頭為柯尼卡1024 I，此噴頭具有工作速度快，穩定性好等優點，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到1440×720 dpi，最小線寬為75 μm，對于一些字符要求較高的PCB，無法滿足其工藝要求。當然，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、金屬板以及手機殼等領域，其特點為打印的圖案較有較高清晰度，但是其打印速度或產能卻相對較為低下，如果需達到較快速度，一般需要拼接10個以上甚至更多噴頭，進行協同工作。

隨著行業對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備商亟需解決的重要問題之一，也是設備供應商們帶動PCB行業走向更高端、精細化、更自動化生產的必經之路。

3.1.2 墨水

圖形解析度與墨水的各種參數也有著十分密切的關系，比如粘度，表面張力等。墨水的粘度和表面張力將會影響噴墨管口的堆積、墨滴形狀、墨滴擴散狀態等性能，當然改變噴頭及二級墨盒的溫度和電壓也會影響這些參數。對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高一些，可通過加熱來降低使用黏度，從而達到更好的噴墨效果，同時也給墨水的開發工作讓出了更多的空間。

通常在噴頭參數不變的情況下，不同表面張力的墨水會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，但當表面張力過大時，容易形成衛星點，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上后不易擴散且不會收縮。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出附著力不夠并脫落的不良。通常情況下，阻焊的達因值分布較寬，市面上常見的為32~44 dyne均有分布，達因值越低，字符墨水對阻焊的附著力表現為逐步下降。

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點，但是其固化后的字符比較脆，其固化程度或交聯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更差。已有公司針對以上兩點不足，致力于研發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成果，其工藝與目前市場上常見噴墨打印字符墨水一致。

成本通常是評估一個項目或工藝的重要因素之一，對于噴墨打印白色字符油墨來說，其主要成本來源于設備成本、設備維護成本以為墨水成本。

3.3.1 噴墨打印機成本及維護成本

國內市面常見文字噴墨打印機按產地分主要可分為進口設備和國產設備，進口設備主要為奧寶科技，其設備價格一般在100萬以上，隨著噴墨打印技術日益成熟，國產設備也積極加入了此行列，價格一般為100萬以內。

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

根據每臺設備每天噴印數量的不同，噴頭的通常使用周期多為6~12個月，單個噴頭的單價為2萬元左右，一臺設備按2個噴頭來計，每年噴頭更換費用約6萬元，這相對其它工藝的設備而言，其噴墨打印機的維護成本相對較高。

3.3.2 墨水成本

早期白色字符打印墨水單價為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，也有少數品牌的打印墨水性價較高，其單價低于1500元/千克，墨水價格的逐年遞減，給更多的PCB廠商帶來的更多的福音，給噴墨打印技術在字符中的應用帶來更廣闊的空間。

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小結

隨著噴墨打印技術的日益成熟，以及噴墨打印字符墨水性能進一步完善，噴墨打印技術在不久的將來可能會完全取代傳統網版印刷工藝，實現更高效快捷的大批量生產。