柔性电路数字印刷的导电油墨技术
时间：10-02
整理：3721RD
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越来越多的高产量电子制造不断转移至低成本国家，西方国家正谋求新技术以在低产量、高利润生产领域站稳脚跟。
导电材料数字印刷是一种生产柔性和刚性PCB的灵活方法，无需预先提供昂贵的加工程序。非重复性加工使低产量成本和周转时间大大减少，并提供了代替历来用于PCB生产的劳力密集程度较高工艺的方法。
传统上，PCB生产是一种劳动力密集程度相当高的工艺，其步骤繁多，而且每个步骤都需要一定的人工干预。传统PCB生产还依赖于前端非重复性工程（NRE）初期费用。它通常以诸如光掩模或丝网等生产工具的形式体现。这表明初期加工成本将对小批量生产运营带来严重影响，而相关劳力和基础设施成本将决定大批量生产成本。因此，高产量PCB生产不得不转至低成本国家以减少成本。
小型生产运营通常要求具备的便捷性促使生产地点相对而言保持在本地范围内。但加工和劳力成本仍表明这是一种昂贵的工艺，其低产量的单位零部件成本相对较高。导电材料数字印刷为非劳力密集型生产工艺提供了可能性，该工艺还通过排除对诸如丝网或光掩模等初期加工工具需求减少了成本。
导电材料数字沉积
过去十年里，数字印刷导电材料的可行性引起了人们的极大关注。这项研究的绝大部分源自有机电子产品领域，其中生产全印电子设备和显示器的前提要求具备可印式接触导线和信号总线。大部分初期研究聚焦于诸如聚二氧乙基噻吩/聚对苯乙烯磺酸（PEDOT：PSS）等传导聚合体，后期解决方案采用碳和金属微粒材料。
传导聚合体存在传导性相对较低的问题，而较厚的丝网印刷银材料可产生较高传导性，但这些材料必须经历一个高温烧结阶段来获得最佳传导性，这因而限制了基底材料的选择范围。然而，采用金属颗粒墨通常无法对印刷线路板（PWB）进行喷墨印刷，因为颗粒大小和凝结方向会严重影响印刷工艺的可靠性。在油墨中开发金属纳米颗粒取得的新发展使喷墨印刷成为可能，但其生成的薄墨层和烧结需求仍然限制了该工艺的实用性。
提供极大传导性的低温数字工艺将带来一种在低成本柔性和刚性基底上完成快速原型制造和中小型批量生产的快速而灵活的途径。
新工艺
可印式导电金属材料往往须在材料的流变性和传导性之间做出折衷。用来在印刷和粘附基底期间提供流动性的粘结剂和载体影响了最终复合层的传导性，并阻止电流经过导线。
但有一种工艺提供了使加成制备和基底粘附不受印刷部分传导要求限制的途径。导电油墨技术（CIT）开发了一种工艺，其中将催化墨印在基底上，并将紫外线进行固化以提供一种快速加工而成的粘着基层。该基层本身不具备传导性，但其对金属层的无电镀沉积发挥着催化剂作用。
已印刷的固化基底被浸入商业可用的无电解镀槽内，并对基槽顶部厚金属层进行沉积处理。这种由两个阶段组成的工艺使电镀槽得以分别为适应不同基底材料和不同印刷工具而得到最优化，并不影响最终工序的传导性。该工艺可使用大部分标准无电镀金属，其中包括镍、钴和钯，但使用最普遍和最广泛的是铜。可在线内执行该工艺的两个阶段，或在之后执行无电解镀作为批次处理。
铜的通常增长率范围在每分钟20纳米到每分钟90纳米（相当于大体积铜）之间，其在10分钟左右的电镀过程中会产生30欧姆的薄膜电阻。通常电阻系数是大体积金属（铜）的2.5倍，但据电镀槽和所用条件而定。
CIT工艺的最佳传导范围大于10欧姆（相当于1.5至2微米的大体积铜）。它适用于广泛应用，其中包括超高频无线射频识别（UHF RFID）、键盘膜、低电流PCB（信号）、低功率加热器组件、广泛的传感器应用及许多其它柔性和刚性应用。若需要更高的传导性和更大的载流量，还可执行工艺后电镀。
喷墨印刷分辨率
CIT工艺专为像由赛尔、柯尼卡美能达和Spectra生产的压电可控制喷印式印刷头而设计。这些印刷头的通常原始分辨率在每英寸大约180个到360个喷嘴，其专为以高于每英寸360个点的分辨率印刷而设计，其滴量在约40 pl以下。此类印刷分辨率通常可提供等同于聚酯或聚酰亚胺基底上100微米线宽的尺寸。然而，新一代灰度印刷头支持低至32 pl左右的可变滴量，这使其获得了约50微米或更小的数字印刷尺寸。
数字制造系统
广泛系统可用于柔性电路的数字生产。位于该范围低端部分的是诸如Dimatix的DMP系列等小型开发系统。此类印刷机将通过采用即抛型16个喷嘴印刷头，以不同分辨率生产A4纸张。由于印刷头上的喷嘴数量较少，因而此类系统的产量较低，但其可完美地用于开发和精确研究。
诸如Xennia科技推出的X4000系列或柯尼卡美能达推出的XY100等系统将更加适用于生产。这些系统也基于A4格式，其采用诸如Xaar Omnidot系列或柯尼卡美能达KM512系列等较大型工业印刷头。这些系统的印刷带宽高达70毫米，生产率高达每分钟1至2平方米。类似系统也可提供1米或更长的宽度，生产率据印刷头和所需配置而定。
CIT还与普雷科联手开发了用于对柔性电路和无线射频识别（RFID）天线进行线内卷带式生产的窄网数字印刷工具--MetalJet 6000。该系统可在140毫米平台上进行印刷和固化，并可执行我们的专利电镀模块，它大大减少了对网络材料进行线内无电解镀所需具备的足迹大小和复杂度。当前的印刷头技术使该系统能以每毫秒0.56（等于每分钟4.7平方米）的速度生产柔性电路，其生产诸如UHF RFID天线等产品的通常速度为每毫秒0.3（等于每分钟2.5平方米）。该系统具模组性，可进行相关配置以提高生产速度和/或沉积厚度。
这些解决方案在多数情况下，提交CAD图可使10平方米单层板的通常周转时间不超过1小时。
总结
新数字技术提供了采用NRE最少的快速工艺生产中小批量规模PCB的加成、免加工方法。将喷射特点和油墨粘附性从材料电特性中分离出来的能力提供了对导线传导性的独立控制。采用喷墨印刷作为一种生产方法提供了高产能和简短的周转时间，并未增添前端加工成本。
Steve Thomas博士曾获材料科学和冶金术学士学位，Steve在剑桥大学的卡文迪什实验室完成了有机半导体和设备领域的博士和博士后研究。继在瑞士苏黎世的一家电信新兴企业担任多种研发和工程管理职务后，他返回英国就职于各种咨询、知识产权和技术转让公司，其中包括剑桥大学的技术转让办公室。2004年9月，Steve加盟Conductive Inkjet Technology任应用工程师，他在其中参与了多种导电材料数字沉积开发工作。
导电材料数字印刷是一种生产柔性和刚性PCB的灵活方法，无需预先提供昂贵的加工程序。非重复性加工使低产量成本和周转时间大大减少，并提供了代替历来用于PCB生产的劳力密集程度较高工艺的方法。
传统上，PCB生产是一种劳动力密集程度相当高的工艺，其步骤繁多，而且每个步骤都需要一定的人工干预。传统PCB生产还依赖于前端非重复性工程（NRE）初期费用。它通常以诸如光掩模或丝网等生产工具的形式体现。这表明初期加工成本将对小批量生产运营带来严重影响，而相关劳力和基础设施成本将决定大批量生产成本。因此，高产量PCB生产不得不转至低成本国家以减少成本。
小型生产运营通常要求具备的便捷性促使生产地点相对而言保持在本地范围内。但加工和劳力成本仍表明这是一种昂贵的工艺，其低产量的单位零部件成本相对较高。导电材料数字印刷为非劳力密集型生产工艺提供了可能性，该工艺还通过排除对诸如丝网或光掩模等初期加工工具需求减少了成本。
导电材料数字沉积
过去十年里，数字印刷导电材料的可行性引起了人们的极大关注。这项研究的绝大部分源自有机电子产品领域，其中生产全印电子设备和显示器的前提要求具备可印式接触导线和信号总线。大部分初期研究聚焦于诸如聚二氧乙基噻吩/聚对苯乙烯磺酸（PEDOT：PSS）等传导聚合体，后期解决方案采用碳和金属微粒材料。
传导聚合体存在传导性相对较低的问题，而较厚的丝网印刷银材料可产生较高传导性，但这些材料必须经历一个高温烧结阶段来获得最佳传导性，这因而限制了基底材料的选择范围。然而，采用金属颗粒墨通常无法对印刷线路板（PWB）进行喷墨印刷，因为颗粒大小和凝结方向会严重影响印刷工艺的可靠性。在油墨中开发金属纳米颗粒取得的新发展使喷墨印刷成为可能，但其生成的薄墨层和烧结需求仍然限制了该工艺的实用性。
提供极大传导性的低温数字工艺将带来一种在低成本柔性和刚性基底上完成快速原型制造和中小型批量生产的快速而灵活的途径。
新工艺
可印式导电金属材料往往须在材料的流变性和传导性之间做出折衷。用来在印刷和粘附基底期间提供流动性的粘结剂和载体影响了最终复合层的传导性，并阻止电流经过导线。
但有一种工艺提供了使加成制备和基底粘附不受印刷部分传导要求限制的途径。导电油墨技术（CIT）开发了一种工艺，其中将催化墨印在基底上，并将紫外线进行固化以提供一种快速加工而成的粘着基层。该基层本身不具备传导性，但其对金属层的无电镀沉积发挥着催化剂作用。
已印刷的固化基底被浸入商业可用的无电解镀槽内，并对基槽顶部厚金属层进行沉积处理。这种由两个阶段组成的工艺使电镀槽得以分别为适应不同基底材料和不同印刷工具而得到最优化，并不影响最终工序的传导性。该工艺可使用大部分标准无电镀金属，其中包括镍、钴和钯，但使用最普遍和最广泛的是铜。可在线内执行该工艺的两个阶段，或在之后执行无电解镀作为批次处理。
铜的通常增长率范围在每分钟20纳米到每分钟90纳米（相当于大体积铜）之间，其在10分钟左右的电镀过程中会产生30欧姆的薄膜电阻。通常电阻系数是大体积金属（铜）的2.5倍，但据电镀槽和所用条件而定。
CIT工艺的最佳传导范围大于10欧姆（相当于1.5至2微米的大体积铜）。它适用于广泛应用，其中包括超高频无线射频识别（UHF RFID）、键盘膜、低电流PCB（信号）、低功率加热器组件、广泛的传感器应用及许多其它柔性和刚性应用。若需要更高的传导性和更大的载流量，还可执行工艺后电镀。
喷墨印刷分辨率
CIT工艺专为像由赛尔、柯尼卡美能达和Spectra生产的压电可控制喷印式印刷头而设计。这些印刷头的通常原始分辨率在每英寸大约180个到360个喷嘴，其专为以高于每英寸360个点的分辨率印刷而设计，其滴量在约40 pl以下。此类印刷分辨率通常可提供等同于聚酯或聚酰亚胺基底上100微米线宽的尺寸。然而，新一代灰度印刷头支持低至32 pl左右的可变滴量，这使其获得了约50微米或更小的数字印刷尺寸。
数字制造系统
广泛系统可用于柔性电路的数字生产。位于该范围低端部分的是诸如Dimatix的DMP系列等小型开发系统。此类印刷机将通过采用即抛型16个喷嘴印刷头，以不同分辨率生产A4纸张。由于印刷头上的喷嘴数量较少，因而此类系统的产量较低，但其可完美地用于开发和精确研究。
诸如Xennia科技推出的X4000系列或柯尼卡美能达推出的XY100等系统将更加适用于生产。这些系统也基于A4格式，其采用诸如Xaar Omnidot系列或柯尼卡美能达KM512系列等较大型工业印刷头。这些系统的印刷带宽高达70毫米，生产率高达每分钟1至2平方米。类似系统也可提供1米或更长的宽度，生产率据印刷头和所需配置而定。
CIT还与普雷科联手开发了用于对柔性电路和无线射频识别（RFID）天线进行线内卷带式生产的窄网数字印刷工具--MetalJet 6000。该系统可在140毫米平台上进行印刷和固化，并可执行我们的专利电镀模块，它大大减少了对网络材料进行线内无电解镀所需具备的足迹大小和复杂度。当前的印刷头技术使该系统能以每毫秒0.56（等于每分钟4.7平方米）的速度生产柔性电路，其生产诸如UHF RFID天线等产品的通常速度为每毫秒0.3（等于每分钟2.5平方米）。该系统具模组性，可进行相关配置以提高生产速度和/或沉积厚度。
这些解决方案在多数情况下，提交CAD图可使10平方米单层板的通常周转时间不超过1小时。
总结
新数字技术提供了采用NRE最少的快速工艺生产中小批量规模PCB的加成、免加工方法。将喷射特点和油墨粘附性从材料电特性中分离出来的能力提供了对导线传导性的独立控制。采用喷墨印刷作为一种生产方法提供了高产能和简短的周转时间，并未增添前端加工成本。
Steve Thomas博士曾获材料科学和冶金术学士学位，Steve在剑桥大学的卡文迪什实验室完成了有机半导体和设备领域的博士和博士后研究。继在瑞士苏黎世的一家电信新兴企业担任多种研发和工程管理职务后，他返回英国就职于各种咨询、知识产权和技术转让公司，其中包括剑桥大学的技术转让办公室。2004年9月，Steve加盟Conductive Inkjet Technology任应用工程师，他在其中参与了多种导电材料数字沉积开发工作。