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印制电子:PCB制造从减成法走向加成法

  新一代的印制电子电路是包含了电子连接线路和元件的组件,会替代传统的印制电路板再安装元器件的功能。喷墨打印技术和喷印材料将成为印制电子技术的基础课题。

  清洁生产是印制电路版(PCB)行业实现可持续发展的必由之路。为应对环保与成本乃至效率的多重压力,印制电子技术作为一种高效、低耗、节能、环保的工艺技术成为业内人士关注的焦点。

  印制电子技术让PCB“绿”起来

  目前PCB行业的环境和资源问题以及可持续发展问题被摆到了前所未有的战略高度。中国PCB工业的发展必须加强治理,使之走上清洁生产的循环经济轨道,PCB行业才能成为资源节约型、环境友好型的行业。因此,PCB企业必须积极面对这个形势,加速对传统PCB生产进行技术创新和产业革命,真正实现节能减排,甚至无污染生产。中国印制电路行业协会(CPCA)顾问林金堵表示,印制电子(数字喷墨打印)技术将引领PCB工业走上“绿色生产”的康庄大道。目前,世界上一些发达的国家已经投入巨资来研究和开发这项技术。

  上海美维科技有限公司高级工程师龚永林对印制电子做了进一步解释,他介绍说,印制电路板常规制造工艺是铜箔蚀刻法,也称减成法。它是用覆铜箔层压板为基板,经网版印刷或光致成像形成抗蚀线路图形,由化学蚀刻得到电路;若是双面或多层PCB还要进行孔金属化与电镀,实现层间电路互连。因此,PCB制造过程复杂、工序多,势必耗用大量的水与电,也会耗用许多铜与化学品材料,产生大量的废水和污染物。电子设备的发展趋势是多功能、小型化、环保型和低成本,这就相应要求为其配套的PCB高密度、轻薄化、环保型和低成本,传统的 PCB工艺和产品显然难以达到新一代要求。目前欧美、日本、韩国以及我国台湾等地正在兴起一项PCB技术革命———印制电子(PrintedElec- tronic)或印制电子电路(PEC:PrintedElectronicCircuit),也称为加成法。此项革命性的新技术是采用功能性油墨直接在绝缘基材上印制出电子电路,如在挠性有机薄膜上印刷导电油墨得到导电线路,印刷半导体油墨得到晶体管或存储器元件等。这种新一代的印制电子电路是包含了电子连接线路和元件的组件,会替代传统的印制电路板再安装元器件的功能。

  不能再跟在别人后面

  中国印制电路行业协会秘书长王龙基表示,自从印制电路板诞生之日起,半个多世纪以来,大家梦寐以求的就是能够把工艺制造中的减成法,用加成法取代。目前该技术在工艺、材料和设备方面都取得了进展。面对这一情况,我们是坐等欧美、日、韩做出成果以后再引进,还是自己加紧研发、迎头赶上?这是一个原则问题。他表示,国内很多企业都期盼着能够早日采取加成法工艺,尤其是挠性印制电路板的企业,他们希望用喷墨打印的技术来替代字符印刷及阻焊印刷,然后再进行线路形成。这不仅可以大大减少用硬板工艺对挠性板加工中产生的废料,而且可以极大地减少工序,缩短生产周期。“加成法工艺的实现,将是我们行业的一场工艺大革命。”王龙基表示。

  目前,中国的PCB企业从规模和资金等各方面来看与国际大的集团公司相比还有一定的差距,不可能由一个企业单独承担起加成法工艺中的浆料、设备和试制的全部工作。因此,采用强强联手、分工合作、共同研制是一种好的方法和形式。王龙基告诉记者,中国印制电路行业协会最近在珠海召开了“印制电子研讨会”,成立了“印制电子产学研联盟”,并分成设备组、材料组、工艺组、信息组和规划组等几个小组。这个联盟首要的目标是攻克喷墨打印技术,将喷墨打印技术首先应用在挠性板的字符和阻焊上。“中国PCB行业绝对不能再依赖引进设备、材料、工艺以及技术求发展,绝对不能总跟在别人后面,用高价购买别人的成果,这样我们将永远落后、永远被动、永远软弱。我们必须大力开展具有自主知识产权的研发、试制、创新,迎头赶上日本、欧美。”王龙基说,“我们应该动员更多的大专院校和企业,组成更多的‘产学研’联盟,提升中国PCB行业的技术水平,拥有更多自己的专利、自己的技术、自己研制的材料和设备。使中国的PCB工业尽快跻身世界最先进行列。”

  对设备和材料提出新要求

  印制电子技术的取向是多元化的,目前这种技术还主要是对喷印技术和可以喷印的纳米材料的研究。按照产业化的发展轨迹看,喷墨打印技术将成为印制电子的核心工艺技术,因此喷墨打印技术和喷印材料将成为印制电子技术的基础课题。

  天津普林研发中心陈永生介绍说,目前喷墨打印技术可以支持的分辨率已经由之前的200dpi-300dpi发展到1000dpi。这样的能力就可以实现 10um的导电通道,这种能力如应用于HDI(高密度线路板)产品,其可搭载的线路将不到0.1um,也就是说传统的印制电子技术与集成电路的要求已经有上百倍的技术需求差异。那么喷印技术所面临的首要问题就是如何提高其分辨率,达到与集成电路相近的解析度。另外,与三维电路技术相比较,目前的喷印还只是二维的平面,要想扩大喷印技术的应用范围,三维喷印解决方案也必不可少。所以,印制电子技术的突破首先是喷墨打印技术的突破,是设备功能的突破。

  印制电子技术的材料也是一个几近全新的领域,不管是导体材料、绝缘材料还是半导体材料,最基本的要求就是可以用喷印的方式形成一定物理特性的导体或绝缘及半导体层。据了解,喷印材料整体上必须具备以下几个特性:UV固化和低温烧结,低体积收缩,高附着力,高可高性,低电阻率和低Dk、Df,环保、低成本。所有这些要求对传统的电子材料制造商是机遇也是很大的挑战。

  非导电的绝缘和半导体材料是属于UV固化的,能够在操作环境中保持其稳定性 (主要是黏度和表面张力以及触变性)来保证精确的喷印效果。陈永生介绍说,目前以环氧树脂为基础主要材料的研究取得了一些成果,但在产业化的路上还没有很成功的案例。作为电阻、电容、电感的石墨、BaTiO3及Fe3O4等半导体材料的喷印能够取代无源元件的埋嵌,可以在很大程度上降低可埋元件的技术成本和生产投入。喷印的导电材料必须具备纳米级的金属颗粒、不在喷印前沉积和低温烧结的特性。现有的喷印技术可形成10um左右厚度的银导电层,其他的导电金属材料纳米化喷印油墨的研究成果披露还比较少。