印制电路板印料及其进步.doc

印制電路板印料及其進步葉洪勛摘要簡述了印制電路板生產用的專用印料：抗蝕刻印料，抗電鍍印料，阻焊印料，字符、標記印料，塞孔印料，導電印料，可剝性印料，焊膏印料等各類印料的技朮規范、工藝參數和生產操作技朮。關鍵詞電路板絲網印刷印料Abstract The article summarizes the technical specifications, process parameters and operating characteristics of some special printing pastes for PCB, including photoresist solution, electroplating resist paste, solder resist, character release paste, plugging paste, conductive ink, movable ink, soldering medium, and etc.Key words PCB; screen printing; printing paste印制電路板生產離不開絲網印刷和印料，印料亦稱油墨，在印制電路制造工藝中被廣泛使用。如今，電子產品朝高精度、高密度、高可靠性、微細技朮方向發展，對印制電路制造技朮中包括的絲網印刷提出更高的要求。隨著近几年來網印材料的飛速發展和進步，研制和開發出許多新型的印料，并不斷加以改進，滿足了精飾印制電路板的生產工藝要求。目前，印制板制造業已經形成一系列專用的印料，其種類大致分類如下：(1)抗蝕刻印料(2)抗電鍍印料(3)阻焊印料(4)字符、標記印料(5)塞孔印料(6)導電印料(7)可剝性印料(8)焊膏印料。一、抗蝕刻印料抗蝕刻印料是印制板生產中最早開發和使用的最為普遍的印料之一，在減成法工藝中使用。它的作用是網印在銅箔上，保護線路圖形不被蝕刻液蝕刻掉。目前已形成眾多的品牌，但歸納起來分為二大類：(1)自干型或熱固型(2)光固型。(1)自干型或熱固型自干型或熱固型抗蝕印料是由合成樹脂、填料、顏料、助劑和溶劑組成的一液型印料。自干型印料在常溫下一小時或者更短的時間干燥成膜熱固型印料則要求在熱風循環烘箱內80100、810 min(分鐘)干燥，干燥后的膜層硬度可達2H。有的品種只耐酸性蝕刻液，而有的品種既耐酸性又抗鹼性蝕刻液。去膜通常用1%3%的NaOH溶液去除，印料的貯存期限為一年，顏料多為藍色或黑色。(2)光固型光固型抗蝕印料一般由感光樹脂、感光性單體、感光劑、填料、助劑和顏料組成。它的主要特點是在絲網印刷時在網版上不會干燥，也不會堵網，但在紫外線(UV光)的照射下，在短短的几秒鐘內產生光交聯聚合反應，快速固化，膜層硬度也達2H，同樣能抗酸性和鹼性蝕刻液同時由于不含溶劑，故不會污染環境，適合單面印制板的自動化流水線生產。印料的儲存期約為46個月。印料通常的固化條件為：高壓水銀燈80 W/cm3，照射距離10 cm，光固機的輸送速度為46 m /min，去膜用3%5% NaOH溶液，溫度3050。熱固型和光固型印料的分辨率約為200m左右，制作線寬和間距在0.25 mm以上的圖形。二、抗電鍍印料抗電鍍印料和抗蝕刻印料一樣，也是一液型稀鹼溶解的印料。主要用于雙面或多層印制板外層線路圖形的制作，它的功能是網印負性線路圖形，在圖形電鍍時阻止金屬離子在其上面形成電鍍層，抗電鍍印料也可作為抗蝕刻印料使用。抗電鍍印料主要分為熱固型和液態感光型二大類。(1)熱固型熱固型印料由合成樹脂、填料、助劑、顏料和溶劑組成。膜層的干燥溫度為80100，時間810 min，干燥后的膜層鉛筆硬度約為2H，能耐電鍍銅、錫鉛合金、鎳、金鍍液并耐酸性或鹼性蝕刻液，適宜線寬和間距為0.25 mm以上的印制板生產。抗電鍍印料的印刷要求干燥后的膜層厚度達到一定的要求，如果膜層過薄在圖形電鍍時線路圖形會向兩側延伸，產生電鍍溢懸，即所謂的“蘑菇”現象，嚴重的還會造成短路，在退除印料時造成去墨困難或去墨不干淨，蝕刻時殘留膜層造成圖形導線鋸齒或蝕刻不潔。光固型印料的使用不很普及，雖然光固型印料有網印性能好、涂層較厚的優點，但因固化程度較難掌握以及去墨不方便則影響到它的推廣使用。網印技朮的平均水准為線寬和間距在0.2 mm左右，采用熱固型印料操作工藝突破這個水准是很困難的。去墨采用3%5%的NaOH溶液，印料的貯存期限為一年。(2)液態感光型液態感光型抗電鍍印料是解決精細導線圖形制作而研制的一種印料，俗稱濕膜。它克服了熱固型抗電鍍印料和干膜生產工藝中的一些難題，適合細導線和超細導線的生產。最細線寬可達在2.54 mm為中心的兩焊盤之間形成三根導線(0.125 mm)或四根導線(0.075 mm)，也可用于高精度的工藝品、STM鏤空模板、移印凹版制作之用。液態感光抗電鍍印料還可用于多層板內層精細導線的制作，作為抗蝕刻印料使用。它由感光樹脂、感光劑、填料、助劑、顏料和溶劑組成。印料的解像度達50100 m，和覆銅箔板的附著力良好，不存在干膜生產中出現界面性氣泡而引發邊緣滲鍍從而造成的導線毛刺、缺口、短路等疵病。印料通常在安全黃色光區域范圍內操作，貯存期約為一年。液態感光抗電鍍印料的簡要工藝操作流程如下：涂布 預烘 冷卻 曝光 顯像 固化 電鍍 去除印料 蝕刻a. 涂布150300目絲網，手工網印滿版印刷，印刷A、B面，用于雙面板圖形電鍍工藝時，選用較低目數絲網，用于多層板內層的蝕刻工藝時，選用高目數的絲網。b. 預烘熱風循環烘箱80100，810 min，A、B面雙面同時烘烤。烘烤后取出冷卻至室溫。c. 曝光冷卻后曝光時，紫外光波長為300400 nm，曝光能量控制在100300 mJ/cm2，斯圖弗21級光密度計為78級。d. 顯像1% Na2CO3溶液，顯像液溫度2832，噴淋壓力0.20.3 MP/cm2，時間3060 s(秒)。e. 電鍍抗電鍍銅、錫鉛合金、鎳、金溶劑。f. 去墨3%6% NaOH溶液，在5060溫度下膜層溶脹、膨潤剝離。g. 蝕刻耐酸性或鹼性蝕刻液，但要求蝕刻液溫度不要過高。三、阻焊印料阻焊印料也是印制板最常用的印料之一，它是在印制板表面涂覆一層永久性的保護膜層有選擇性地掩蔽導線圖形不受損傷，在 焊時不會發生短路，同時成膜物質抗化學藥品、耐溶劑、耐熱、絕緣性能良好，有防潮、防霉、防鹽霧的功能，并對印制板起到美觀作用。防焊印料的主要顏色為綠色，也有紅色、黃色、藍色、透明等色彩。其成膜的表面狀況可分為布紋、平光、啞光和光亮几種。阻焊印料的分類也可分為熱固型、光固型和液態感光型三大類，不管何種類型的阻焊印料，其成膜物質必須具有以下良好的性能(見表1)。表1成膜物質的性能特性硬度鉛筆硬度6H附著力100%(3M膠帶測試)耐熱沖擊性260 10 s5次絕緣性常溫1013 潮熱后1012耐溶劑及酸鹼溶液良好耐燃燒性美國UL標准94V0級(1)熱固型熱固型阻焊印料主要是由環氧樹脂或改性環氧樹脂、固化劑以及填料、助劑、顏料和溶劑組成。通過固化劑的作用，產生交聯反應形成三維網狀結構，分為一液型和二液型。a. 一液型印料中已添加固化劑，使用起來很方便，因不必再添加固化劑，故不存在二者之間的稱量不准確、攪拌不均勻等人為因素。印料在網版上不會固化，但印料的有效使用時間較短，僅為12月的時間且貯存條件要求較高。b. 二液型分為主劑和助劑，使用前要按配比稱量，混合并攪拌均勻后靜置30 min，消除氣泡，充分熟化。多數品牌的印料混合后的使用期限為24 h(小時)。最佳使用時期是其使用期限的1/41/2。在這段時間，當越接近其使用壽命時，其印刷適性會降得越低，如流平性變差，容易堵網，使用不完的印料報廢要扔掉，但由于主劑和助劑分開，故貯存時間較長，達6個月之久。熱固型阻焊印料的膜層物理性能如鉛筆硬度、附著力、韌性等工藝參數與干燥溫度、干燥時間、膜層厚度有較大關系，固化溫度越高，時間越長，涂層越厚，可以得到交聯架橋致密良好、分子量大的涂層。干燥固化條件為：熱風循環烘箱、溫度140150，時間3040 min，在以環氧玻璃布為基材的雙面和多層板中使用較為普遍。(2)光固型紫外光(UV)固化印料是由具有雙鍵的不飽和樹脂、感光單體、感光劑、填料以及助劑組成。在紫外光(200400 nm)照射下，印料的自由基產生連鎖聚合反應，這種反應速度很快，在瞬間(數秒鐘內)完成，形成不溶不融的高分子聚合物。操作工藝條件為：高壓水銀燈80 W/cm3支，照射距離為10cm，輸送速度46m/min。紫外光固化印料有許多優點，由于不含溶劑，固體含量100%，在網印時粘度不會變化，不會產生膜層變薄以及收縮變形，也不存在對環境的污染問題，網印時不堵塞網版，吸收紫外光后固化速度快、生產效率高，很適合大批量的流水線自動化生產。單面印制板生產多采用光固型，除以上原因外，還因為單面印制板多使用紙基板，要求烘烤時間短、溫度低。如果溫度高、時間長，會使板材翹曲變形，同時單面印制板的覆銅箔厚度為35m，印料膜層較薄，紫外光容易穿透膜層。而雙面或多層印制板大多采用熱固型，由于一次銅、二次銅電鍍加厚，銅箔厚度達5070m，紫外光穿透能力受到限制，有時造成底部局部會有少許印料不能固化或固化不徹底，在熱風整平或波峰焊接時使阻焊膜層產生起皺或局部脫落(圖1)。圖1單、雙面板的阻焊膜層精細印制板的阻焊膜層采用傳統的網印工藝時，由于線條細、間距窄，會出現跳印現象。當刮刀自右向左刮印時，在刮刀背面的A處有一台階，油墨量較少、覆蓋不完全，邊緣的銅箔會顯露出來，在導線的拐角處也會產生阻焊層較薄的現象，易產生導線間絕緣不良同時在面向刮刀的B處，由于油墨的滲展，在連接盤上也會沾有油墨、在熱風整平時沾不上焊料，或在焊接時產生虛焊等焊接不良現象(圖2)。圖2精細印制板阻焊膜層的絲網印刷(3)液態感光型液態感光型阻焊印料是與液態感光抗電鍍印料配套的印料，適用于細導線與超細導線的生產，主要由感光性樹脂和熱固性樹脂為主體，以及感光劑、熱固化劑、熱聚合抑制劑、填料、助劑、顏料、溶劑等組成，分主劑(綠色)和助劑(白色)兩部分。網印前，按配比要求稱量混合，加少量稀釋劑，攪拌均勻并靜置30 min以上，消除氣泡充分熟化。固化后生成交叉聚合的網狀結構。液態感光型阻焊印料的簡要工藝操作流程如下：基板處理 涂布 靜置 預烘 冷卻 曝光 靜置 顯像 檢驗 后烘烤a. 基板前處理浸稀酸液，刷磨機刷光，水洗烘干。b. 涂布100150目絲網，手工網印滿板印刷A、B面。c. 靜置靜置1015 min。d. 預烘熱風循環烘箱，雙面同時烘烤，溫度7080，時間3040 min，冷卻至室溫。e. 曝光冷卻式曝光機，57 kW，光能量控制在300500 mJ/cm2，曝光箱內溫度不要超過40。f. 顯像自動噴淋顯影機，1%濃度Na2CO3溶液，噴壓為0.20.3 MP/cm2，溫度2832，時間6080 s，顯出點控制在50%60%。g. 后烘烤熱風循環烘箱，150，4050 min。如果不做后烘烤處理，液態感光阻焊印料也可作抗蝕刻印料使用。四、字符、標記印料字符、標記印料用于印制板一面或兩面文字符號的印刷，這些文字符號為元器件裝聯插件和修理之用。網印后要求文字標記清晰、色澤美觀、立體鮮明、耐化學溶劑和化學藥品、耐熱、附著力和絕緣性能良好、耐錫鉛合金 焊料沖擊。顏色以白色為主，分為熱固型和光固型兩大類。與阻焊印料一樣，單面板大都采用光固型。而雙面和多層板采用熱固型。主要的技朮指標和操作工藝如主劑和助劑的配比、固化時間和溫度以及成膜特性、印料的貯存期限等和相對應類型的阻焊印料基本相同。五、塞孔印料塞孔印料是一種一液型稀鹼溶性印料，用于雙面或多層板正片制版時，塞住貫通孔(金屬化孔)，使其不被蝕刻液破壞，與干膜掩蔽有相似之處，在堵孔法制造雙面或多層印制板工藝中使用。無需鍍錫鉛合金、退錫鉛合金，減少了加工工序，經濟實用。塞孔印料的塞孔方式有滾涂、浸涂，也可用專門的塞孔設備把印料壓進孔內，隨后固化即可。作為塞孔印料，固化厚度只要達到單側0.7 mm時，中間是否固化不影響抗蝕能力，塞孔印料有熱固型和光固型兩種。熱固型塞孔印料常溫干燥46 h(小時)，或溫度80烘烤1 h。要求塞孔平整、 附著力好、磨損時不破壞涂層、耐酸性或鹼性蝕刻液，可用2%4% NaOH液退除。由于熱固型印料的固體含量為75%左右，含有溶劑，在固化時溶液揮發、印料易產生內凹現象，而光固型由于不含溶劑，故塞孔印料平整、飽滿，不會產生內凹現象(圖3)。熱固型光固型圖3熱固型和光固型塞孔印料六、導電印料導電印料是一種功能性印料。在印制板上應用的印料有碳漿、銅漿和銀漿。單、雙面印制板(剛性)的按鍵、橋接導線、貫孔、缺口斷線修補及撓性印制板導線圖形的制作都使用導電印料。(1)碳漿印料碳漿印料是一種一液型熱固型印料，其成膜后有以下的特性：a. 導電印料固化后能起到保護銅箔和傳導電流的作用，具有良好的導電性能和較低的阻抗，碳漿印料的表面方阻為2025 /。而銅漿印料表面方阻為0.06 /。b. 不易氧化，性能穩定，固化后耐酸、鹼和化學溶劑的侵蝕。c. 附著力強，抗剝離與銅箔或玻璃布板結合良好。d. 耐磨性好，固化后鉛筆硬度達6H以上。抗磨損，鍵盤接觸次數可達100萬次以上。e. 抗熱沖擊性能好，耐焊接試驗260，50 s(秒)5次不受影響，熱風整平工序不沾錫。在網印時，根據碳漿印料的顆粒細度以及印刷導線寬度與間距來選擇絲網，對于0.25 mm以上的可選用100150目絲網，而在0.25 mm以下的可選用150200目絲網。因為碳漿印料印刷對位精確，故應選用可調式自繃網框。碳漿印料在使用前要充分攪拌，因為碳漿中的填料主要是石墨碳黑，貯存時易產生沉澱，絲網印刷時應盡量少加或不添加稀釋劑，同時在固化工藝范圍之內溫度越高時間越長越好，這樣膜層色澤光亮、飽滿，膜層厚度可以得到保証，通常的固化條件為：溫度120150，時間3040 min。(2)銀漿印料銀漿印料是由超細銀粉和熱塑性樹脂為主體而組成的一液型印料，主要用于撓性印制電路以及薄膜接觸開關、電磁屏蔽、發熱元件的預涂層等，在PET、PC、PVC片材上均可使用，有極強的附著力和遮蓋力，低溫固化，可控的導電性和很低的電阻值，表面方阻為0.007 /。銀漿印料的主要技朮規范如下：固體含量65%70%粘度600900 PS貯存期180 d(天)(在5以下)印刷時選用200250目的不鏽鋼或聚酯絲網，而固化條件要根據基材的種類合理選擇，原則上是：選用的固化溫度越低，固化的時間就越長反之，固化的時間就越短。如溫度為70時，固化時間為30 min，在90時，需15 min，而120時，僅需5 min。印料固化后線路性能良好，粘附力強，用3 M膠帶剝離不了，抗彎性良好，阻值變化小。七、可剝性印料可剝性印料是一種在生產加工時起臨時性保護遮蔽作用的印料，通常要求膜層具有韌性，耐酸、鹼、化學藥品，耐錫鉛焊料浸漬，有適當的抗機械沖擊強度，有較好的穩定性，完工后用手工或簡單的工具剝離去除。印制板用的可剝性印料主要是用于保護導電印料碳漿印刷的按鍵以及鍍金按鍵、插頭部位，作為電子元件裝配、局部焊接時的抗焊料以及外形機加工抗損傷之用。其印料的操作工藝條件如下：采用60100目絲網、感光膜厚度100120m，刮刀硬度選用6065度，熱固化溫度150，58 min。如有的光固化型用紫外光(UV)硬化，80 W/cm2燈3支，距離10 cm，輸送速度23 m/min，因膜層厚，故固化時間要長得多。清洗網版采用苯類醇類溶液或專用洗網版溶劑。在完成裝聯或加工后，去除膜層可用手工或鑷子剝離，且對掩蔽底層不會產生不良影響。八、焊膏印料焊膏印料是在SMT(表面安裝技朮)印制板上使用，也是一種特殊功能的印料。它的作用是為了給無引線或短引線的片式元器件