絲網(wǎng)印刷在PCB制造中的應用
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作者:jxwsdcom
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發(fā)布時(shí)間: 2018-09-21
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印制電路板(PCB)的出現與發(fā)展，給電子工業(yè)帶來(lái)了重大變革，它已經(jīng)成為各種電子設備和儀器中必不可少的部件。隨著(zhù)網(wǎng)印技術(shù)的不斷發(fā)展，用于PCB行業(yè)的新型網(wǎng)印材料、網(wǎng)印工藝及檢測設備已日臻完善，使得當前的網(wǎng)印工藝技術(shù)能夠適應高密度的PCB生產(chǎn)。絲網(wǎng)印刷在PCB制造中的應用主要有以下三個(gè)方面：
a． PCB表面阻焊層的應用；
b． PCB圖形轉移過(guò)程和抗蝕抗電鍍層的應用；
c． PCB表面標記符號的應用。
由于前兩種應用在技術(shù)上的實(shí)現較為困難，本文將針對性地予以介紹，同時(shí)針對PCB工藝的絲網(wǎng)印刷材料作概要性介紹。
一、絲網(wǎng)印刷材料
1．絲網(wǎng)
絲網(wǎng)是網(wǎng)印制版中最重要的組成部分，這是因為它是控制油墨的流動(dòng)性和印刷厚度的關(guān)鍵，同時(shí)它決定了網(wǎng)版的耐用性和質(zhì)開(kāi)關(guān)制造技術(shù)中得到廣泛應用。除此之外，絲網(wǎng)與網(wǎng)版感光材料有極好的結合性也是制作高質(zhì)量、高精度網(wǎng)印版的一個(gè)重要因素。為了保證絲網(wǎng)與感光材料的良好結合，傳統的做法是對新的絲網(wǎng)進(jìn)行粗化及脫脂處理，這樣可以保證網(wǎng)版質(zhì)量及延長(cháng)絲網(wǎng)使用壽命。
2.印版感光材料
印版感光材料常用的有重氮感光劑、感光膜片等。在絲網(wǎng)印刷網(wǎng)版制作中普遍采用的是重氮型感光乳劑。感光膜片具有膜層厚度均勻可控、高解像力、高清晰度、耐磨、與絲網(wǎng)有強附著(zhù)性等特點(diǎn)，在印制板的字符印刷中得到了廣泛的應用。
3.網(wǎng)框
網(wǎng)框的材質(zhì)和截面的形狀非常重要，相對于某種規格的網(wǎng)框，如果網(wǎng)框強度不夠，則不能保證張力的一致性?，F在一般使用的是高張力鋁質(zhì)網(wǎng)框。
4.網(wǎng)印油墨
下面主要介紹應用于PCB行業(yè)的部分網(wǎng)印油墨，具體用途及特性見(jiàn)表l。
二、PCB表面阻焊層的應用
印制電路板的阻焊膜是一個(gè)永久性的保護層，它不僅在功能上具有防焊、保護、提高絕緣電阻等作用，而且對電路板的外觀(guān)質(zhì)量也有很大影響。早期阻焊膜印刷是先使用阻焊底片制作網(wǎng)版圖形，再印刷UV光固化型阻焊油墨。每次印刷后，由于絲網(wǎng)變形、定位不準等原因造成焊盤(pán)上殘留多余的阻焊膜，需要很長(cháng)的時(shí)間來(lái)刮除，消耗大量的人力與時(shí)間。液態(tài)感光阻焊油墨不需要制作網(wǎng)版圖形，采用空網(wǎng)印刷，接觸式曝光。這種工藝對位精度高、阻焊膜附著(zhù)力強、耐焊性好、生產(chǎn)效率高，現已逐漸代替光固型油墨。
1．工藝流程
制阻焊膜底片→沖底片定位孔→清洗印制板→配制油墨→雙面印刷→預烘→曝光→顯影→熱固
2．關(guān)鍵工藝過(guò)程分析
(1) 預烘
預烘的目的是為了蒸發(fā)油墨中所含的溶劑，使阻焊膜成為不粘的狀態(tài)。針對油墨的不同，其預烘的溫度、時(shí)間各不相同。預烘溫度過(guò)高，或干燥時(shí)間過(guò)長(cháng)，會(huì )導致顯影不良，降低解像度；預烘時(shí)間過(guò)短，或溫度過(guò)低，在曝光時(shí)會(huì )粘連底片，在顯影時(shí)，阻焊膜會(huì )受到碳酸鈉溶液的侵蝕，引起表面失去光澤或阻焊膜膨脹脫落。
(2)曝光
曝光是整個(gè)工藝過(guò)程的關(guān)鍵。對于陽(yáng)圖片，曝光過(guò)度時(shí)，由于光的散射，圖形或線(xiàn)條邊緣的阻焊膜與光反應(主要是阻焊膜中含有的感光性聚合物與光反應)，生成殘膜，而使解像度降低，造成顯影出的圖形變小，線(xiàn)條變細；若曝光
不足時(shí)，結果與上述情況相反，顯影出的圖形變大，線(xiàn)條變粗。這種情況通過(guò)測試可以反映出：曝光時(shí)間長(cháng)的，測出的線(xiàn)寬是負公差；曝光時(shí)間短的，測出的線(xiàn)寬是正公差。在實(shí)際工藝過(guò)程中，可選用“光能量積分儀”來(lái)測定最佳曝光時(shí)間。
(3)油墨粘度調節
液態(tài)感光阻焊油墨的粘度主要是通過(guò)硬化劑與主劑的配比以及稀釋劑添加量來(lái)控制。如果硬化劑的加入量不夠，可能會(huì )產(chǎn)生油墨特性的不平衡。硬化劑混合后，在常溫下會(huì )進(jìn)行反應，其粘度變化如下。
30min以?xún)龋河湍鲃┖陀不瘎┻€沒(méi)有充分融合，流動(dòng)性不夠，印刷時(shí)會(huì )堵塞絲網(wǎng)。
30min～10h：油墨主劑和硬化劑已充分融合，流動(dòng)性適當。
10h以后：油墨本身各材料間的反應一直主動(dòng)進(jìn)行，結果造成流動(dòng)性變大，不好印刷，硬化劑混合后的時(shí)間越長(cháng)，樹(shù)脂和硬化劑的反應也越充分，隨之油墨光澤也變好。為使油墨光澤均勻、印刷性好，最好在硬化劑混合后放置30min開(kāi)始印刷。
如果稀釋劑加入過(guò)多，會(huì )影響油墨的耐熱性及硬化性?？傊?，液態(tài)感光阻焊油墨的粘度調節十分重要：粘度過(guò)稠，網(wǎng)印困難。網(wǎng)版易粘網(wǎng)；粘度過(guò)稀，油墨中的易揮發(fā)溶劑量較多，給預固化帶來(lái)困難。
油墨的粘度采用旋轉式粘度計測量。在生產(chǎn)中，還要根據不同的油墨及溶劑，具體調整粘度的最佳值。
三、PCB圖形轉移過(guò)程中抗蝕抗電鍍層的應用
在印制板的制作工藝中，圖形轉移是關(guān)鍵工序，以前常用干膜工藝來(lái)進(jìn)行印制電路圖形的轉移?，F在，濕膜主要用于多層印制板的內層線(xiàn)路圖形的制作和雙面及多層板的外層線(xiàn)路圖形的制作。
1．工藝過(guò)程
前處理→網(wǎng)印→烘烤→曝光→顯影→抗電鍍或抗腐蝕→去膜→下道工序
2．關(guān)鍵工藝過(guò)程分析
(1) 涂布方式的選擇
濕膜涂布的方式有網(wǎng)印型、滾涂型、簾涂型、浸涂型。
在這幾種方法中，滾涂型方法制作的濕膜表面膜層不均勻，不適合制作高精度印制板；簾涂型方法制作的濕膜表面膜層均勻一致，厚度可精確控制，但簾涂式涂布設備價(jià)格昂貴、適合大批量生產(chǎn)；浸涂型方法制作的濕膜表面膜層厚度較薄，抗電鍍性差。根據現行PCB生產(chǎn)要求，一般采用網(wǎng)印型方法進(jìn)行涂布。
(2)前處理
濕膜和印制板的粘合是通過(guò)化學(xué)鍵合來(lái)完成，通常濕膜是一種以丙稀酸鹽為基本成分的聚合物，它是通過(guò)自由移動(dòng)的未聚合的丙稀酸鹽團與銅結合。本工藝采用先化學(xué)清洗再機械清洗的方法來(lái)確保上述的鍵合作用，從而使表面無(wú)氧化、無(wú)油污、無(wú)水跡。
(3)粘度與厚度的控制
油墨粘度與稀釋劑的關(guān)系見(jiàn)圖l。
由圖中可以看出，在5％的點(diǎn)上，濕膜的枯度為150PS，低于此粘度印刷的厚度，達不到要求。濕膜印刷原則上不加稀釋劑，如要添加應控制在5％以?xún)取?/span>
濕膜的厚度是通過(guò)下述公式來(lái)計算：
hw＝[hs- (S + hs)]+P％
式中，hw為濕膜厚度；hs為絲網(wǎng)厚度；S為填充面積；P為油墨固體含量。
以100目的絲網(wǎng)為例：
絲網(wǎng)厚度：60 μm；開(kāi)孔面積：30％；油墨的固體含量：50％。
濕膜的厚度=[60-(60×70％)]× 50％=9μm
當濕膜用于抗腐蝕時(shí)，其膜厚一般要求為15～20μ m；當用于抗電鍍時(shí)其膜厚一般要求為20～30μm。因此，濕膜用于抗腐蝕時(shí)，應印刷2遍，此時(shí)厚度為18μm左右，符合抗腐蝕要求；用于抗電鍍時(shí)，應印刷3遍，此時(shí)厚度為27μm左右，符合抗電鍍膜厚要求。濕膜過(guò)厚時(shí)易產(chǎn)生曝光不足、顯像不良、耐蝕刻差等缺點(diǎn)，抗電鍍時(shí)會(huì )被藥水浸蝕，造成脫膜現象，且感壓性高，在貼合底片時(shí)易產(chǎn)生粘底片情況；膜過(guò)薄時(shí)容易產(chǎn)生曝光過(guò)度、電鍍絕緣性差、脫膜和在膜層上出現電鍍金屬的現象等缺點(diǎn)，另外，曝光過(guò)度時(shí)，去膜速度也較慢。
四、結論
隨著(zhù)網(wǎng)印技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)印技術(shù)在印制電路制造業(yè)中占有越來(lái)越重要的地位，它的應用，不僅提高了印制電路的生產(chǎn)效率，降低了印制電路的生產(chǎn)成本，還提高了印制電路板的加工質(zhì)量。另一方面，由于網(wǎng)印材料的研究、開(kāi)發(fā)與應用，特別是功能性油墨的開(kāi)發(fā)，使絲網(wǎng)印刷的應用領(lǐng)域更加多樣化，并且得到了不斷擴展，例如薄膜開(kāi)關(guān)制造技術(shù)中的銀漿印刷；SMT制造技術(shù)中焊膏的印刷與模板制造；PCB可剝性油墨的應用等。
a． PCB表面阻焊層的應用；
b． PCB圖形轉移過(guò)程和抗蝕抗電鍍層的應用；
c． PCB表面標記符號的應用。
由于前兩種應用在技術(shù)上的實(shí)現較為困難，本文將針對性地予以介紹，同時(shí)針對PCB工藝的絲網(wǎng)印刷材料作概要性介紹。
一、絲網(wǎng)印刷材料
1．絲網(wǎng)
絲網(wǎng)是網(wǎng)印制版中最重要的組成部分，這是因為它是控制油墨的流動(dòng)性和印刷厚度的關(guān)鍵，同時(shí)它決定了網(wǎng)版的耐用性和質(zhì)開(kāi)關(guān)制造技術(shù)中得到廣泛應用。除此之外，絲網(wǎng)與網(wǎng)版感光材料有極好的結合性也是制作高質(zhì)量、高精度網(wǎng)印版的一個(gè)重要因素。為了保證絲網(wǎng)與感光材料的良好結合，傳統的做法是對新的絲網(wǎng)進(jìn)行粗化及脫脂處理，這樣可以保證網(wǎng)版質(zhì)量及延長(cháng)絲網(wǎng)使用壽命。
2.印版感光材料
印版感光材料常用的有重氮感光劑、感光膜片等。在絲網(wǎng)印刷網(wǎng)版制作中普遍采用的是重氮型感光乳劑。感光膜片具有膜層厚度均勻可控、高解像力、高清晰度、耐磨、與絲網(wǎng)有強附著(zhù)性等特點(diǎn)，在印制板的字符印刷中得到了廣泛的應用。
3.網(wǎng)框
網(wǎng)框的材質(zhì)和截面的形狀非常重要，相對于某種規格的網(wǎng)框，如果網(wǎng)框強度不夠，則不能保證張力的一致性?，F在一般使用的是高張力鋁質(zhì)網(wǎng)框。
4.網(wǎng)印油墨
下面主要介紹應用于PCB行業(yè)的部分網(wǎng)印油墨，具體用途及特性見(jiàn)表l。
二、PCB表面阻焊層的應用
印制電路板的阻焊膜是一個(gè)永久性的保護層，它不僅在功能上具有防焊、保護、提高絕緣電阻等作用，而且對電路板的外觀(guān)質(zhì)量也有很大影響。早期阻焊膜印刷是先使用阻焊底片制作網(wǎng)版圖形，再印刷UV光固化型阻焊油墨。每次印刷后，由于絲網(wǎng)變形、定位不準等原因造成焊盤(pán)上殘留多余的阻焊膜，需要很長(cháng)的時(shí)間來(lái)刮除，消耗大量的人力與時(shí)間。液態(tài)感光阻焊油墨不需要制作網(wǎng)版圖形，采用空網(wǎng)印刷，接觸式曝光。這種工藝對位精度高、阻焊膜附著(zhù)力強、耐焊性好、生產(chǎn)效率高，現已逐漸代替光固型油墨。
1．工藝流程
制阻焊膜底片→沖底片定位孔→清洗印制板→配制油墨→雙面印刷→預烘→曝光→顯影→熱固
2．關(guān)鍵工藝過(guò)程分析
(1) 預烘
預烘的目的是為了蒸發(fā)油墨中所含的溶劑，使阻焊膜成為不粘的狀態(tài)。針對油墨的不同，其預烘的溫度、時(shí)間各不相同。預烘溫度過(guò)高，或干燥時(shí)間過(guò)長(cháng)，會(huì )導致顯影不良，降低解像度；預烘時(shí)間過(guò)短，或溫度過(guò)低，在曝光時(shí)會(huì )粘連底片，在顯影時(shí)，阻焊膜會(huì )受到碳酸鈉溶液的侵蝕，引起表面失去光澤或阻焊膜膨脹脫落。
(2)曝光
曝光是整個(gè)工藝過(guò)程的關(guān)鍵。對于陽(yáng)圖片，曝光過(guò)度時(shí)，由于光的散射，圖形或線(xiàn)條邊緣的阻焊膜與光反應(主要是阻焊膜中含有的感光性聚合物與光反應)，生成殘膜，而使解像度降低，造成顯影出的圖形變小，線(xiàn)條變細；若曝光
不足時(shí)，結果與上述情況相反，顯影出的圖形變大，線(xiàn)條變粗。這種情況通過(guò)測試可以反映出：曝光時(shí)間長(cháng)的，測出的線(xiàn)寬是負公差；曝光時(shí)間短的，測出的線(xiàn)寬是正公差。在實(shí)際工藝過(guò)程中，可選用“光能量積分儀”來(lái)測定最佳曝光時(shí)間。
(3)油墨粘度調節
液態(tài)感光阻焊油墨的粘度主要是通過(guò)硬化劑與主劑的配比以及稀釋劑添加量來(lái)控制。如果硬化劑的加入量不夠，可能會(huì )產(chǎn)生油墨特性的不平衡。硬化劑混合后，在常溫下會(huì )進(jìn)行反應，其粘度變化如下。
30min以?xún)龋河湍鲃┖陀不瘎┻€沒(méi)有充分融合，流動(dòng)性不夠，印刷時(shí)會(huì )堵塞絲網(wǎng)。
30min～10h：油墨主劑和硬化劑已充分融合，流動(dòng)性適當。
10h以后：油墨本身各材料間的反應一直主動(dòng)進(jìn)行，結果造成流動(dòng)性變大，不好印刷，硬化劑混合后的時(shí)間越長(cháng)，樹(shù)脂和硬化劑的反應也越充分，隨之油墨光澤也變好。為使油墨光澤均勻、印刷性好，最好在硬化劑混合后放置30min開(kāi)始印刷。
如果稀釋劑加入過(guò)多，會(huì )影響油墨的耐熱性及硬化性?？傊?，液態(tài)感光阻焊油墨的粘度調節十分重要：粘度過(guò)稠，網(wǎng)印困難。網(wǎng)版易粘網(wǎng)；粘度過(guò)稀，油墨中的易揮發(fā)溶劑量較多，給預固化帶來(lái)困難。
油墨的粘度采用旋轉式粘度計測量。在生產(chǎn)中，還要根據不同的油墨及溶劑，具體調整粘度的最佳值。
三、PCB圖形轉移過(guò)程中抗蝕抗電鍍層的應用
在印制板的制作工藝中，圖形轉移是關(guān)鍵工序，以前常用干膜工藝來(lái)進(jìn)行印制電路圖形的轉移?，F在，濕膜主要用于多層印制板的內層線(xiàn)路圖形的制作和雙面及多層板的外層線(xiàn)路圖形的制作。
1．工藝過(guò)程
前處理→網(wǎng)印→烘烤→曝光→顯影→抗電鍍或抗腐蝕→去膜→下道工序
2．關(guān)鍵工藝過(guò)程分析
(1) 涂布方式的選擇
濕膜涂布的方式有網(wǎng)印型、滾涂型、簾涂型、浸涂型。
在這幾種方法中，滾涂型方法制作的濕膜表面膜層不均勻，不適合制作高精度印制板；簾涂型方法制作的濕膜表面膜層均勻一致，厚度可精確控制，但簾涂式涂布設備價(jià)格昂貴、適合大批量生產(chǎn)；浸涂型方法制作的濕膜表面膜層厚度較薄，抗電鍍性差。根據現行PCB生產(chǎn)要求，一般采用網(wǎng)印型方法進(jìn)行涂布。
(2)前處理
濕膜和印制板的粘合是通過(guò)化學(xué)鍵合來(lái)完成，通常濕膜是一種以丙稀酸鹽為基本成分的聚合物，它是通過(guò)自由移動(dòng)的未聚合的丙稀酸鹽團與銅結合。本工藝采用先化學(xué)清洗再機械清洗的方法來(lái)確保上述的鍵合作用，從而使表面無(wú)氧化、無(wú)油污、無(wú)水跡。
(3)粘度與厚度的控制
油墨粘度與稀釋劑的關(guān)系見(jiàn)圖l。
由圖中可以看出，在5％的點(diǎn)上，濕膜的枯度為150PS，低于此粘度印刷的厚度，達不到要求。濕膜印刷原則上不加稀釋劑，如要添加應控制在5％以?xún)取?/span>
濕膜的厚度是通過(guò)下述公式來(lái)計算：
hw＝[hs- (S + hs)]+P％
式中，hw為濕膜厚度；hs為絲網(wǎng)厚度；S為填充面積；P為油墨固體含量。
以100目的絲網(wǎng)為例：
絲網(wǎng)厚度：60 μm；開(kāi)孔面積：30％；油墨的固體含量：50％。
濕膜的厚度=[60-(60×70％)]× 50％=9μm
當濕膜用于抗腐蝕時(shí)，其膜厚一般要求為15～20μ m；當用于抗電鍍時(shí)其膜厚一般要求為20～30μm。因此，濕膜用于抗腐蝕時(shí)，應印刷2遍，此時(shí)厚度為18μm左右，符合抗腐蝕要求；用于抗電鍍時(shí)，應印刷3遍，此時(shí)厚度為27μm左右，符合抗電鍍膜厚要求。濕膜過(guò)厚時(shí)易產(chǎn)生曝光不足、顯像不良、耐蝕刻差等缺點(diǎn)，抗電鍍時(shí)會(huì )被藥水浸蝕，造成脫膜現象，且感壓性高，在貼合底片時(shí)易產(chǎn)生粘底片情況；膜過(guò)薄時(shí)容易產(chǎn)生曝光過(guò)度、電鍍絕緣性差、脫膜和在膜層上出現電鍍金屬的現象等缺點(diǎn)，另外，曝光過(guò)度時(shí)，去膜速度也較慢。
四、結論
隨著(zhù)網(wǎng)印技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)印技術(shù)在印制電路制造業(yè)中占有越來(lái)越重要的地位，它的應用，不僅提高了印制電路的生產(chǎn)效率，降低了印制電路的生產(chǎn)成本，還提高了印制電路板的加工質(zhì)量。另一方面，由于網(wǎng)印材料的研究、開(kāi)發(fā)與應用，特別是功能性油墨的開(kāi)發(fā)，使絲網(wǎng)印刷的應用領(lǐng)域更加多樣化，并且得到了不斷擴展，例如薄膜開(kāi)關(guān)制造技術(shù)中的銀漿印刷；SMT制造技術(shù)中焊膏的印刷與模板制造；PCB可剝性油墨的應用等。
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