柔性印刷電子噴墨技術全面解析

李勁+程濤

印刷電子噴墨技術是近年來興起的新技術，筆者近年來對柔性印刷電子噴墨技術做了大量的、有意義的研究和探索，在此詳細闡述該技術。

走近柔性印刷電子噴墨技術

柔性印刷電子噴墨技術是一種將導電線路打印在酚醛樹脂、環氧樹脂等基材上的技術，也被稱為全印制電子技術。這種技術適合制作柔性異形線路板、普通線路板、光伏電玻璃、PCB、LCD等。

“柔性”在這里有雙解，一是指柔性介質；二是指與傳統的PCB相比，不需要大批量生產，可以利用噴墨技術特點按需進行小批量生產。與常規印刷導電線路的工藝相比，利用柔性印刷電子噴墨技術制備導電線路的工藝方法具有制造速度快、環境友好、工藝簡單、成本低以及功能多樣化等優點。柔性印刷電子噴墨技術不僅可以使用導電墨水（如納米銀）制備線路板，亦可以利用特殊的半導體、碳、硅等各種介質制備電阻、電容、電感、電池、晶體管乃至于集成電路，而這一切都可以通過打印的方式在一定的介質上完成，大大提高了生產效率和降低了生產成本。

柔性印刷電子噴墨設備的構成與工作原理

柔性印刷電子噴墨設備由機械系統、驅動系統、運動控制系統和視覺檢測系統（可選）等構成，如圖1所示。具體來說，柔性印刷電子噴墨系統包括1個或1組噴頭、噴頭控制板卡、數據處理運動控制卡、PC機、介質放置平臺、墨路系統、噴頭架及噴頭架運動系統等裝置，如圖2所示。具體實現方式為：根據PC機中繪制的需要打印的電路圖，噴頭控制板卡控制1個或1組噴頭噴出特制的墨水，并通過噴頭架的運動，在介質上印制精密電路。

1.主控系統

柔性印刷電子噴墨設備要實現高速、高分辨率等性能指標，主控系統是關鍵。由于噴墨設備的噴頭較多，數據傳送速率較快，傳送量大，因此，主控系統的數據傳輸和數據處理設計是主控系統設計的要點。圖3的虛線框內是主控系統，主控系統通過IIC總線與外圍控制模塊相連，由嵌入式處理系統（MPC8548E）、USB接口電路、數據緩存、CPLD噴頭與外圍控制電路以及噴頭數據總線驅動組成。

當計算機通過RIP程序啟動噴印命令時，該命令首先通過USB接口電路的命令通道，由串口傳送到控制器MPC8548E中，MPC8548E的主控程序對命令進行分析，通過IIC總線將命令送到各控制模塊，完成對介質厚度的監測、噴頭上下位置的調整、控制噴頭小車的X和Y方向運動等。當噴墨設備完成初始設置后，RIP傳送數據到MPC8548E，MPC8548E的主控程序根據所需打印的長度，設置噴頭小車電機的行走距離及其可噴繪區域，USB接口電路啟動數據傳輸，接收RIP的圖像點陣數據，對數據緩存進行填充，當數據緩存填充滿后，USB接口電路發送指令到MPC8548E，啟動CPLD噴頭與外圍控制電路中的噴頭控制狀態系統和噴頭小車電機，當噴頭小車行走穩定后，發出噴墨脈沖及使能信號，噴頭控制狀態系統從數據緩存中讀取數據，寫入到每個噴頭中，控制其進行噴墨操作。

2.供墨系統

（1）供墨系統分析

供墨系統是噴墨設備不可或缺的重要組成部分，良好的供墨系統是噴墨設備實現高質量與高可靠性的重要保證。噴頭的屬性各異，其需要配合使用特定性能的墨水，并設置合理的墨流負壓。同時，墨水作為一種化學物質，其特性會隨著噴墨設備的環境及工作狀態的變化而發生相應改變。這就需要設計開發一種獨立工作的機電一體化供墨系統，通過對油墨特性及供墨流的控制，配合噴頭優質高效地完成打印任務。

墨水的黏度及表面張力對打印墨滴成型有很大影響。其中，墨水表面張力受環境溫度變化影響不大，而墨水黏度卻隨著溫度變化有較大的波動，對打印工作有較大影響。因此，對于供墨系統而言，控制墨水黏度是主要任務之一。墨水黏度與溫度呈負對應關系，特定的溫度范圍決定了墨水的黏度范圍。對打印工作來說，不同的噴頭對應著不同的最佳墨水黏度，而墨水黏度又與溫度相關。因此，通過控制墨水溫度，能夠有效地控制墨水黏度。墨水溫度主要受季節和早晚溫差影響，特別是低溫墨水的高黏度對噴頭影響較大，易造成堵頭故障，不僅會造成打印中斷，而且清洗噴頭會造成大量時間和墨水的損失。

此外，供墨負壓不足會造成漏墨、白線等現象，而過大又會降低噴射速度甚至噴射不暢，造成墨點不飽滿，打印圖像邊線不完整，圖面殘破等。因此，控制供墨負壓也是供墨系統的主要任務之一。供墨負壓一般采用負壓泵供給和高差負壓供給兩種方法。其中，前者通過負壓泵的控制能夠提供穩定準確的負壓，但是需要負壓傳感器、負壓泵等額外組件，會增加設備成本及結構復雜性。

（2）供墨系統結構設計

供墨系統由主墨盒、次級墨盒、墨泵、過濾器以及檢測反饋控制系統等組成，如圖4所示。小容量的次級墨盒儲存少量過濾后的墨水，并用指定壓力為噴頭提供墨流。隨著次級墨盒里的墨水被消耗，墨泵從主墨盒中抽取墨水，并通過過濾器補充次級墨盒里的墨水。檢測反饋控制系統包括次級墨盒內的液壓傳感器與溫度傳感器，主墨盒內的液位開關以及系統控制面板等部件，其通過檢測反饋控制系統內的傳感器，反饋墨水溫度及墨盒內液位等信息給系統控制面板。系統控制面板根據設定的程序對所采集的數據進行分析處理，產生對加熱片及墨泵的開關控制信號，以此控制供墨系統內的墨水溫度、調節噴頭負壓以及保證墨盒內墨水容量適宜當前打印工作需求。

3.噴頭控制與輔助電路

CPLD噴頭與外圍控制電路包括以下模塊：寄存器組，用于存儲控制器發送過來的命令以及外部I/O數據與狀態；譯碼器，完成對寄存器的地址編碼與片選；數據包計數器，完成包計數與點計數，當噴頭每個點的數據傳送到噴頭后，包計數歸零，同時發送請求中斷；噴頭控制狀態系統，完成噴頭數據的傳送，控制噴頭噴墨；I/O端口，完成一些繼電器的控制、狀態檢測等。endprint

噴頭的每個噴嘴的腔室都被相互獨立的壓電陶瓷包裹，通過圖文數據激勵觸發脈沖電壓來控制噴頭是否噴墨，通過施加在壓電陶瓷上的脈沖電壓控制噴頭噴墨的量。在噴墨打印控制軟件界面上，可通過“圖片路徑”選擇需要打印的圖像，“噴頭/噴孔選擇”選擇需要打開的噴嘴，“波形設置”設置噴頭的打印波形。計算機通過網口通信把選擇的數據發送到CPLD噴頭與外圍控制電路中，然后被轉換成電平信號發送到脈沖電源中，在需要打印時，觸發脈沖波形，噴嘴實現噴墨；在不需要打印時，不觸發脈沖波形，噴嘴不噴墨。

4.介質烘干技術

作為介質放置和輸送平臺，介質放置平臺應適合平板介質和柔性介質。為了使墨水充分干燥，保證其有效的導電率等關鍵指標，通常采用對介質底部基材進行加熱的技術與方法，加熱溫度控制在100～160℃。為了保證基材恒溫加熱，應采用溫控系統，以保證溫度合適。

柔性印刷電子噴墨技術使用的墨水

柔性印刷電子噴墨技術使用的是一種具有導電特性的特種墨水，其通常由導電銀等構成。對于噴墨系統來說，當選定噴頭之后，墨水為適應噴頭，通常需要考慮導電率、黏度、最大顆粒、張力、穩定性和pH值等參數。表1為不同與噴頭相對應的墨水特性。由此可見，墨水指標必須與噴頭性能相適應，才能使整個系統運行良好。

對于柔性印刷電子噴墨技術而言，納米導電銀墨水是最基本的墨水。如果能夠配合研制出合適的硅、鍺、硒、砷化鎵等半導體組成的墨水，就可以在任意介質上打印出電阻、電容、電感、半導體元器件、集成電路元器件。相信隨著材料科學的發展，這一天會離我們越來越近。

打印精度控制

柔性印刷電子噴墨技術的應用對象往往是一些異形柔性小型電路，因此對打印精度要求較高，一般的噴墨打印機不能保證其打印精度要求。要達到這個要求，通常可以采取以下方法。

1.選擇高精度噴頭

在選擇噴頭時，首先要考慮其墨道寬窄，以適合導電銀膠墨水、半導體類墨水等；其次，要根據打印介質、精度的要求，選擇適合的噴頭，以保證墨滴大小合適。

2.選擇合適的精細的墨水

墨水是由一些顆粒和液體組成的，顆粒的直徑和均勻性非常重要，其基本制作工藝為粉碎、研磨、攪拌等。墨水的研制與低成本的產業化始終是一個不可回避的問題。

3.保證X方向的運動精度

采用金屬光柵尺、直線電機代替傳統的塑料光柵尺和直線導軌，將會大大提到X方向的運動精度，使之由50～150μm提高到1～5μm。

4.保證機械平臺的精度

對于更高精度的要求，則需采用形變系數小的大理石平臺，可使精度提高5～10倍。endprint