絲網印刷與印制電路板制作技朮

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一、關于印制電路板
　　了解印制電路板(PrintedCircuitBoard簡稱PCB)首先要了解何謂印制線路和印制電路。
　　所謂印制線路是指在絕緣基材上，提供元器件之間電氣連接的導電圖形，它不包括印制元件。
　　所謂印制電路是指在絕緣基材上，按預定設計制成印制線路、印制元件或由兩者組合而成的導電圖形。
　　印制電路或印制線路的成品板稱為PCB。
　　PCB是電子工業重要的基礎電子部件。几乎每一種電子設備，小到電子手表、計算器，大到每秒鐘運\行億萬次的巨型電子計算機、通訊電子設備以及宇宙飛行器，只要有集成電路等電子元器件，為了它們之間電氣互連，都離不開PCB。可以說在一切電子產品特別是智能化電子產品的研制過程中，最基本的成功因素是該產品的PCB設計、文件編制和制造技朮。
　　PCB在各種電子設備中有如下功能。
　　1 提供集成電路等各種電子元器件固定、裝配的機械支撐。
　　2 實現集成電路等各種電子元器件之間的布線和電氣連接或電絕緣。提供所要求的電氣特性，如特性阻抗等。
　　3 為自動錫焊提供阻焊圖形，為元器件插裝、檢查、維修提供識別字符和圖形。
　　電子設備采用PCB后，由于同一類PCB的一致性，從而避免了人工接線的差錯，并可實現電子元器件自動插裝或貼裝、自動錫焊、自動檢測。保証了電子設備的質量，提高了勞動生產率，降低了成本，并便于維修。
　　PCB從單面發展到雙面、多層和撓性，并仍保持各自的發展趨勢。由于不斷地向高精度、高密度和高可靠性方向發展，不斷縮小體積、減輕成本、提高性能，使得PCB在未來電子設備的發展過程中仍然保持強大的生命力。
二、印制電路板制作中的絲網印刷
1 “擠”的啟示
　　絲網印刷能夠進入PCB行業，曾經經歷過一段非常曲折的過程。在90年代前，長約20年的時間里，PCB業界對絲網印刷并沒有什么“好感”，當時的PCB專家、學者給絲網印刷所作的結論是“絲網印刷不適宜精密PCB制造”。例如，科學出版社出版的《印制電路技朮》(1987年5月第1版，北京)一書中就寫道：“絲網漏印技朮適用于分辨率和尺寸精度要求不太高的‘印制──蝕刻’和圖形電鍍制造印制板。”實事求是地說，當時的絲網印刷確實不具備為精密PCB制作服務的能力。例如70年代，筆者以絲網印刷制作PCB阻焊圖形，對阻焊網印印版制作時所付出的艱辛至今還記憶猶新。當時，由于市場上沒有好的制版材料(如網版感光膠)銷售，我們只好以漆膜轉移法制作阻焊網印印版。漆膜轉移法制作阻焊網印印版的工藝簡述如下。
　　(1)以照相法獲得阻焊圖形的陽圖照相底片。
　　(2)配制PVA(聚乙烯醇)液態感光抗蝕劑(膠)。
　　(3)以離心甩膠法為敷銅箔板(PCB基材)涂布PVA感光抗蝕劑。
　　(4)曝光→顯影→堅膜→修版→蝕刻。
　　注：(1)～(4)為傳統PCB制作工藝。
　　(5)多次噴漆，直到將敷銅箔板上經蝕刻后的凹處以漆膜填滿(敷銅箔板板面上的漆膜要清除干淨)。
　　注：(1)～(5)實際上是為阻焊網印印版制作模板。
　　(6)將噴好漆(圖形需修整好)的阻焊模板與絲網網版貼緊，在絲網版的刮印面用溶劑(松節油)快速擦拭，直到阻焊模板上的漆膜全部轉移到絲網版上。
　　(7)在漆膜轉移過程中，漆膜很難完整地轉移到絲網版上，所以，需要對轉移后的網版圖形(漆膜)進行修整，而這種修整方法將會使阻焊圖形的精度受到極大的損害。
　　上面，筆者僅僅是很簡單地介紹了阻焊網印印版的制作過程，它的繁瑣、低效、高成本、高勞動強度等弊病已躍然紙上，以這樣的工藝在PCB制造中運\作很難被PCB工作者所接受，也不可能使絲網印刷在PCB制造業中立住腳。正因為如此，絲網印刷在PCB制造業中的地位不僅不高而且岌岌可危。70年代后期，當阻焊干膜問世以后，以絲網印刷制作PCB阻焊圖形的工藝就極其自然地受到PCB制造業的冷落。
　　除了在制作PCB阻焊印版上所表現出的“低能”之外，在PCB抗蝕圖形的制作過程中，絲網印刷也曾與其它PCB制作工藝發生過激烈的碰撞。60～70年代，PCB抗蝕劑有蛋白膠、骨膠、PVA等，使用蛋白膠時必須上紅粉(氧化鐵和松香的混合物)，因此，工藝極為復雜，實際上很少采用。骨膠有令人難聞的臭味，易發霉，容易受潮，因此難顯影，尤其在潮濕的氣候條件下更是如此。另外，骨膠光固化后的膠膜吸潮后易脫落，因此限制了它的使用。70年代初至中期，PCB抗蝕劑應用最多的為PVA，到后期美國杜邦公司的抗蝕干膜問世以及國產抗蝕干膜相繼投產，PCB制作中的抗蝕劑基本上為PVA和抗蝕干膜。在這期間，絲網印刷也曾試圖擠入PCB抗蝕圖形制作的工藝，應該肯定，當時這種想法是值得大加贊揚的。然而，實際上絲網印刷在這個“戰場”上戰績不佳。究其原因，主要是抗蝕印料的不成功。初期的抗蝕印料主要成分為瀝青(加少許溶劑)，盡管這類印料具有較好的抗蝕特性，但由于其對敷銅箔板和環境的嚴重污染和對操作人員身體健康的影響等等嚴重缺陷，使得以絲網印刷制作抗蝕圖形的工藝不被看好，PCB工作者更愿意采用PVA或抗蝕干膜。
　　回顧絲網印刷在PCB制造技朮中的應用的曲折過程，我們可以深刻地感覺到在一種似乎很不經意的氛圍中，包括絲網印刷在內的各種應用技朮在PCB制作工藝中的激烈碰撞，在這種碰撞中，是擠進去還是被擠出來，全看自身的實力。這段時期的絲網印刷之所以處于慘兮兮的景況之中，實為自身實力太差、技不如人。絲網印刷如果想在PCB制造中立住腳跟并爭取有更大的作為就必須苦練“內功”、創造優勢，沒有雄厚的技朮優勢即使硬擠也擠不進去﹔只有可能被無情地擠出來。
2 苦練“內功”
　　作為一個老PCB工作者和老網印工作者，我深刻地體會到在PCB制造技朮中是否接納絲網印刷完全取決于絲網印刷是否具有過硬的網印機材和良好的工藝適性。近十年來絲網印刷技朮的巨大進步，使得PCB工作者不得不重新認識并且逐步喜愛和離不開絲網印刷。近年來的發展使得絲網印刷具備了良好的工藝適性并且成為一種可控制和易于控制的生產過程，下面我們簡略地介紹近十年來網印機材的進步。
　　(1)網印絲網
　　絲網是網印中最重要的組成部分。這是因為它控制了油墨的流動性和耗墨量，同時，它也決定了網版的耐用性和質量，從而決定了印刷的質量。近十年里，人們在市場上可以看到性能良好的高模數類網印絲網，特別是高結合力、高張力、單絲、平織聚酯(PET)絲網(絲網的絲徑可細達27μm，每厘米高達150線的平織絲網)的推出，改變了人們對印刷中一些重要影響因素的理解，這一點在精密絲網印刷的SMT技朮、集成電路制造技朮、薄膜開關制造技朮等中得到印証。除此之外，絲網與網版感光膠或感光膜片有極好的交聯性也是制作高質量網印印版的一個重要因素，為了保証絲網與網版感光材料的良好結合，傳統的做法是強調制版操作人員要做好對已繃好的絲網的預處理工作，它包括對新的絲網的機械粗化和適當的脫脂處理，目前，市場上已經有不需要經過粗化、去脂處理的高張力/高結合力絲網出售，這種產品除具有省時和簡化工藝的優點外，網版更耐用，其壽命較普通絲網延長2～3倍。同時，在新的絲網的開發、研究中，還注意到絲網的耐磨、分辨率高、曝光時限寬以及與感光材料的優良匹配特性等，上述新型絲網已經商品化，在國內市場上非常容易買到。
　　(2)網版感光材料
　　今天，我們在市場上可購買到許多牌號的高分辨率的絲網感光膠或感光膜片，特別是水基感光膜片(直接晒網感光膜片)，其使用工藝簡單，膜層厚度均勻、可控，特別是膜厚為80～140μm的水基感光膜片，可在一些較為特殊的應用場合使用，同時，它還為絲網印刷拓展新的領域提供了可靠的物資基礎。
　　據最新網印資訊介紹，美國易玲瓏公司最近推出400μm厚感光膜片可供各種電子技朮方面的應用和供高密度織物印刷。
　　

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(3)網印印料(油墨)
　　網印印料的進步，特別是功能性油墨的開發，不僅使普通的絲網印刷獲益匪淺\(例如UV油墨的永不堵網)，而且，它還直接導致了絲網印刷技朮和產品的高科技化。例如薄膜開關中的導電銀漿印刷﹔使SMT技朮中的SMD、SMC(片狀元器件)與PCB互連的錫漿(鉛錫合金)印刷﹔太陽能電池中的半導體層CdS(硫化鎘)、CdTe(碲化鎘)以及電極層碳(C)、銀(Ag)、銀＋銦(Ag＋In)的絲網印刷以及磁性油墨、厚膜IC油墨等等。僅就PCB印料而言，今日PCB印料之品質和印刷工藝與20年前相比，真是有天淵之別。表1給出了部分PCB油墨的用途與特點。
表1　PCB油墨的用途與特點
品種        用途與特點
稀鹼液顯影型
液體抗蝕劑
LPR-ER        用于多層PCB內層制作及高精度高頻PCB的圖形制
作。最小線徑可達30μm以下。曝光時間短，顯影
迅速，脫膜容易，耐腐蝕、耐電鍍性優良，操作方便
紫外固化型
液體抗蝕劑
UR-ER        多用于單面板及非金屬化孔PCB的圖形制作。固化
速度快，耐腐蝕、耐電鍍性優良，脫膜容易、保護
膜致密結實，在腐蝕液中無滲透現象
稀鹼液顯影型
阻焊油墨
LPR-SRG
LPR-SRM        用于高密度PCB的絕緣保護。具有顯影精度高（40μm），
曝光范圍廣，顯影迅速，耐熱、耐酸鹼、耐電鍍、耐潮濕性
優良，與銅箔的附著強度優良
紫外固化型
阻焊油墨
UR-SR        用于一般PCB的絕緣保護。價格便宜，印刷再現性好，與銅箔
與基材的附著強度高，耐熱、耐酸鹼、耐化學試劑性優良，
適用民用PCB的大規模生產
　　特別值得高興的是：由我們中國人自己研究、開發和制造的PCB印料完全可以與國外生產的高品質PCB印料相媲美!筆者所在單位，近年來應用國產PCB印料所生產的高精度、高密度、多層PCB已成功地裝備到曾經遠航到美國、墨西哥、秘魯、澳大利亞、菲律賓、馬來西亞、巴基斯坦等10多個國家的我國新型導彈驅逐艦上﹔同時，有更多的以絲網印刷制作的PCB還裝備到核潛艇及水下導彈發射、水下機器人等我國最現代的艦船上。造軍艦是復雜的系統工程，現代軍艦是一個國家現代工業的縮影，几乎涵括了一個國家多方面的高新尖科技：船舶、機械、電子、武器等十几門類系統。在每個大系統下，又分若干子系統，如作戰系統下又有警戒探測系統、作戰情報系統，對海導彈系統，對空導彈系統、防衛主炮系統、水聲系統、反潛系統、直升機系統、電子戰系統等。以國產PCB印料所生產的PCB已遍及上述現代軍艦的核心技朮之中，就這一點而言，應該說這是足以讓我們每一個絲網印刷工作者和整個絲網印刷業界引以為自豪的!
　　為了使更多的絲網印刷工作者和PCB工作者對國產PCB印料的性能、特點及工藝技朮有較深入的了解，作者將對部分國產PCB印料作重點介紹。
　　 液態感光抗蝕耐電鍍油墨
　　單組分、稀鹼水溶液顯影、接觸曝光型液態感光抗蝕耐電鍍油墨，主要用于制造高精度、高密度PCB及多層板之內層。采用絲網滿版印刷，曝光時照相底片與感光膜直接接觸，其分辨率比一般抗蝕干膜更高，不會出現抗蝕干膜最頭痛的余膠問題，感光膜與基板結合力比抗蝕干膜更強，耐電鍍性能更優，成本較之抗蝕干膜節約50％左右。
　　A技朮指標(見表2)
表2　液態感光抗蝕耐電鍍油墨技朮指標
項　目        指　　標
顏色        綠色
固含量（％）        75
粘度（CPS/20℃）        6000±500
組成        單組分
附著力（划格法）        100/100
硬度        1H(曝光前)，2~3H(曝光后)
耐蝕性        酸性CuCl2,FeCl3,鹼性CuCl2等
耐電鍍性        Cu、Sn/Pb、Ni、NI/Au
稀釋        專用稀釋劑
　　B工藝流程
　　基板前處理→絲網滿版印刷(絲網目數100～200目)→預烘干(70～80℃,10～20min)→曝光(4kW,35～70s)→顯影(1％無水碳酸鈉溶液，20～30℃，45～60s)→干燥(90～100℃，5min)→蝕刻或電鍍→去墨(3％～5％氫氧化鈉溶液，40～60℃，1～3min)
　　C注意事項
　　a 絲網滿版印刷：干燥后感光膜的厚度一般為15～25μm，用于電鍍時，膜應厚些，采用的絲網目數應小些(100～150目)，用于蝕刻時，絲網目數可高些(140～200目)。
　　b 印刷時應避免紫外光的照射。
　　c 預干燥：單面板干燥條件為70～75℃，15min﹔雙面板70～75℃，10min左右，預干燥時間太長或溫度過高，都會導致感光膜熱聚合/交聯，造成顯影后有余膠﹔反之，干燥不充分，溶劑仍有部分殘留在感光膜中，曝光時會出現感光膜粘底片、耐顯影性能差等現象。預干燥后的板子應輕拿輕放，千萬不能堆放在一起，以免互相粘連，并在自然冷卻后48h內曝光。
　　d 曝光：感光膜越厚，所需曝光時間越長﹔膜越薄，所需曝光時間越短，4～7kW曝光機，曝光時間為35～70s。曝光時間過短，感光膜的耐顯影性和耐蝕刻性能差，電絕緣性降低﹔曝光時間太長，分辨率降低，顯影時間變長。曝光時要注意工作間的環境溫度、濕度、最好在潔淨的環境中工作，曝光后的板子，放置15min后即可顯影。
　　e 水洗與干燥：顯影好的板子應充分水洗至中性，并在90～110℃范圍內烘干3～5min，這樣可提高固化膜與基材的附著力及電絕緣性，耐電鍍效果更佳。
　　f 蝕板：固化膜可耐FeCl3(三氯化鐵)、酸性或鹼性氯化銅(CuCl2)等蝕刻液腐蝕。
　　g 電鍍：用于電鍍時，固化膜厚度應大于鍍層厚度，以避免電鍍時出現鍍層外溢發生短路現象。
　　h 去墨：溫度越高，NaOH溶液質量分數(濃度)越大，則去墨時間越短﹔溫度越低，NaOH質量分數越小去墨時間越長，溫度對去墨時間的影響比NaOH質量分數更明顯。一般NaOH質量分數3％～5％，溫度40～60℃，固化膜膨脹且呈片狀脫落，時間1～3min。
　　D液態感光油墨與感光干膜比較(見表3)
表3　液態感光油墨與感光干膜比較
項　目        液態感光抗蝕油墨        抗蝕干膜
分辨率（μm）        30        80
曝光時間        稍長        短
填補板面划傷缺陷        能        不能
成品率        高        低
成本        低        高