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PCB线路板发展之喷墨技术应用

亿方电子  2017-06-29

PCB发展之喷墨技术应用,整理发布于2017年6月29日

pcb线路板发展


  一、喷墨型电路技术概叙
PCB最初起源就是以印刷制程制作电路板的电路图型,只是后来因为对于线路的解析(analysis 剖析;深入分析)度要求提高,而印刷制程又无法满足,故改以具有较高线路解析度的黄光微影制程取代。线路板可称为印刷线路板或印刷电路板,英文名称为(Printed Circuit Board)PCB。不过近年印刷技术不断的改良,一些先进的印刷术如喷墨(Ink Jet Printing)、网印(Screen Printing)、平版印刷(Flexography Printing)及凹版印刷(Gravure Printing),可以将线路印制的解析度由数百um提升到数十um让使用印刷术进行线路制作又重获得探讨(probe into)。近年不断强调的绿色环保制程也是另一个拉升印刷术广为讨论的原因,因为印刷术的使用可以减少电路制作过程中材料的浪费,同时可以减缩制程的步骤达到节能及减废。印制技术具有的优点如下。
1.制程步骤减少:可将电路板(Printed Circuit Board)线路制作的上光阻、曝光(exposure)、显影、蚀刻以及光阻剥离(exfoliate)步骤减缩,改以印制光阻、导体线路以及绝缘材料在基板上,免除使用工作底片以及光罩。
2.材料使用减少:可以减少光阻、显影液、蚀刻液以及剥膜剂等化学药剂的使用,同时也免除制程的废弃物及废液的处理。
3.制程转换容易:可直接藉由电脑数位化处理,直接将所要的线路印制在基材上,不用再配合产品的不同而准备光置以及模具及设备
4.细线化线路:黄光制程的PCB线路制程能力为L/S=3 mil/3mil,研发能力为2mil/2mil,印制线路若是搭配(collocation)良好的材料及设备可以达到1mil/1mil的解析度。线路板可称为印刷线路板或印刷电路板,英文名称为(Printed Circuit Board)PCB。
5.低成本制程:可以减少光阻、显影液、蚀刻液以及剥膜剂等化学药剂的使用,减少材料成本,此外因为制程步骤减少,也可以增加厂房空间使用弹性。
以喷墨技术制作PCB的实例当以EPHOTOSHOPON为范例,EPSON利用喷墨原有技术进行改良,目前已有CBIT(Circuit Board Innovation by Ink Jet Technology)透过其量产的喷墨机台搭配(collocation)金属导体及绝缘材料在PI上做十层板,并以此为基础选定COF为首例标的。


  二、市场概况
1.市场规模
喷墨技术制作线路能否成功的应用于PCB线路制作,影响因子分别有制程、成本、材料进行观察。
制程:喷墨技术目前还在持续发展中,PCB是需要大量快速生产(Produce)的行业,所以喷墨技术的生产速度及良率能否与现有黄光制程相同,或更佳会是影响能否在未来取代黄光制程成为主流的原因。线路板可称为印刷线路板或印刷电路板,英文名称为(Printed Circuit Board)PCB。
成本:由于喷墨技术仍在发展中,目前的材料以及设备的成本都相当高,所以材料以及设备的成本都偏高,未来能够降低的幅度有多大,会是影响其能否进入主流市场原因之一。
材料:导电油墨是否可以与设备达到良好配合,包括黏度/流量(单位:立方米每秒)以及分子量、不会堵住喷墨头、导电油墨的奈米金属导体配方(formula),目前已商品化的材料以使用银Ag的材料为主,因为铜(化学式Cu)还必需要克服氧化的问题。PCB电路板加工焊盘:用于焊接元器件引脚的金属孔。但是银为贵金属、价格高,能否降低成本或是开发奈米铜的导电浆体将是重点。
因为材料是由金属粉体浆化制成,在喷墨线路后仍需要经过烧结(把粉状物料转变为致密体的过程),但也因为混合其它物质浆化让金属粉体分布平均,所以使的烧结过的导体线路有阻抗的问题存在,故过细的线路电性的传导就会产生问题,故也因为这个原因初期仅能运用在不讲求细线路的一般家电用单/双面板为主。
因为以上种种限制,所以PCB厂商对于采用喷墨技术裹足不前,也让喷墨技术发展的资讯在市场上高度不透明,阻隔了对喷墨技术有兴趣想尝试的厂商投入,故IEK预估在2012年之前仅有极少数厂商利用喷墨技术,应用在PCB上光阻以及丝网印刷用以标示PCB上其它零组件的位置。使用喷墨技术用于线路制作仅止于研发以及原型产品的生产,且成功开发的厂商相当少,真正要能够将IJP用于制作导电线路的产品也以线宽线距70um~100um的单、双面软板以及硬板为主,超过100um的线路产品考量成本会以网印技术进行生产,故让喷墨技术制造的PCB市场成长相当缓慢。预估2012年全球使用喷墨技术用在电路板导电线路制作上的市场规模可以达到0.09百万美元,2013年市场规模可以达到0.5百万美元,如图1。2012年之前?大多数的厂商仅止于试制品,不会量产。到2013年喷墨技术对电路板产业仍仅为尝试性的技术,能否在2013年之后有机会导入到较宽线路电路板的应用,仍需要仰赖材料特性、材料及设备成本以及喷头所能够制作的线路宽窄而订。


  三、投资(意义:是未来收益的累积)喷墨线路基板要件
PCB厂商是否愿意以喷墨技术进行PCB的生产(Produce),需要考量厂商的营运策略、以及喷墨技术本身的材料、设备发展情况。
1.营运策略
PCB厂商本身所生产的产品类型会影响是否适合导入喷墨线路生产技术,目前的喷墨线路制作导体线路,目前还不够成熟以致无法量产,若在未来五年之内可以量产,也会以应用在层数低、线路宽、导体要求阻抗较宽松的产品上,所以商品化的初期较有机会出现在单、双面板以及RFID基板上,由于这些产品的线路较宽,对线路的阻抗要求也较宽松较有机会切入。PCB电路板加工过孔:有金属过孔 和 非金属过孔,其中金属过孔用于连接各层之间元器件引脚。
由于喷墨线路基板相较曝光、显影、蚀刻制程在线路制作的速度仍然慢上许多,所以讲求大量快速生产的PCB业者对于采用喷墨技术较无诱因,反而是产品多样化、多批次生产的业者有较大的诱因采用喷墨技术。长远的观察喷墨线路技术的确是可以减少PCB制程中的废料,以达到环保以及节能的目的,若是PCB厂商对于导入环保制程有急迫需求,可以考虑使用喷墨线路技术于线路要求较低的产品上,至于细线路则仍然是以采用现有制程为主。
2.材料发展
喷墨线路基板能否商品化最重要的就是材料以及设备的相搭配发展。包括材料使用奈米级金属粉体混合浆料,金属粉体粒子不能过大以免堵塞设备喷头,此外由于金属粉体浆料做为线路后仍需要经高温烧结(把粉状物料转变为致密体的过程)才能够达到导电良好的特性,所以考量基板本身的特性,金属粉子需达到40nm以下才能够以200℃以下的温度(temperature)进行烧结,这也才是基板所能够承受的温度。
目前所使用的金属粉体浆料以奈米银为主,不过银为贵金属所以成本也相对的高,至于目前用在线路制作的奈米铜,则是因为铜易氧(Oxygen)化的问题难以克服,所以目前没有使用铜的金属粉体浆料使为材料。
3.设备发展及投资
目前喷墨线路的设备各厂仍在发展中,许多都仍然是实验室设备,或是出售后必需签保密合约不能公开。日本的设备厂商算是相当早投入开发的,挟带着日本的材料以及设备优势(解释:能压倒对方的有利形势)共同开发,目前喷墨线路设备依机台的大小约在台币600~1000多万之间。以目前设备的成熟度,以及其与材料商紧密配合的程度,使用某家厂商的设备必需会使用搭配的材料,以避免喷墨头损害,故目前不管是购置成本或是材料专属性都很高,短期内成本难以降低(reduce)。

PCB表面处理技术:OSP


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