多層陶瓷承印物的精細(xì)線條印刷設(shè)計(jì)

編譯 | 趙晨飛 侯亞楠

多層陶瓷承印物的精細(xì)線條印刷設(shè)計(jì)

編譯 | 趙晨飛 侯亞楠

由于成本較低，絲網(wǎng)印刷已經(jīng)成為一種占據(jù)優(yōu)勢的多層沉積的途徑。工業(yè)上已經(jīng)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，并且，自從19世紀(jì)60年代，印刷過程中的建模已經(jīng)得以發(fā)展。隨著對于更厚包裝和更高的需求的增長，絲網(wǎng)印刷已經(jīng)得以完善，從而可以生產(chǎn)出分辨率更高的印品。然而，精細(xì)線條印刷仍然很難被列入工業(yè)考慮范圍之內(nèi)。為了生產(chǎn)出分辨率更高的產(chǎn)品，必須對印刷過程進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

這篇文章主要通過統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來調(diào)查制造過程中各因素對于精細(xì)線條印刷的影響。這些因素包括印刷速度、刮墨刀硬度、刮刀壓力以及網(wǎng)間距。在與刮刀移動方向相關(guān)的平行和垂直方向上，空間行間寬度的相應(yīng)參數(shù)分別是10mil，8mil，5mil。總結(jié)得到，刮墨刀硬度和印刷速度對于印刷質(zhì)量有著重要影響。在測試值范圍之內(nèi)，刮墨刀越硬，印刷速度越慢，印刷質(zhì)量越好。觀察顯示，垂直方向上的空間行間距離比水平方向上更為狹窄。這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的操作過程中也可以顯示出來。在此，對于包括中心點(diǎn)在內(nèi)的16個(gè)設(shè)計(jì)的分析進(jìn)行詳細(xì)討論。

說明

表面安裝技術(shù)趨向于電路安裝和電路連接，因?yàn)樗軌蛑圃斐鲑|(zhì)量更輕、尺寸更小以及性能更高的產(chǎn)品?？梢詫⒈砻姘惭b技術(shù)定義為，將表面安裝的元件通過焊接直接連接在承印物的板面上。相比之下，傳統(tǒng)的技術(shù)是將元件的導(dǎo)線通過通孔和焊接嵌在承印物上。表面安裝技術(shù)于19世紀(jì)60年代中期率先使用于軍事和航空航天技術(shù)的電子產(chǎn)品中，用于實(shí)現(xiàn)最高的電子密度和性能。今天，從衛(wèi)星到汽車，再到家用電腦等各種類型的電子產(chǎn)品，都在使用這種技術(shù)。

隨著對更厚包裝和更高的需求的增長，表面安裝技術(shù)已經(jīng)從一般的表面安裝技術(shù)發(fā)展到微小間距的表面安裝技術(shù)，再到超微間距的表面安裝技術(shù)。對于微小間距有兩種定義，一種是通過電路的包裝和連接原則定義的長為100~500μm的導(dǎo)線；另一種是通過印刷電路板定義的名為的500~1000μm的間距，超微間距小于500μm。廣泛使用的是第二種對于微小間距和超微間距的定義。

從19世紀(jì)60年代中期，絲網(wǎng)印刷已經(jīng)廣泛用于制造導(dǎo)線、電阻器以及電介質(zhì)?，F(xiàn)今，絲網(wǎng)印刷已經(jīng)成為一種占據(jù)優(yōu)勢的印刷方式，優(yōu)勢在于成本低、周期短、具有良好的密封性（不容易弄臟）。然而，絲網(wǎng)印刷過程中需要顆粒更小（幾微米到幾亞微米之間）、黏度更低的油墨。除此之外，印品的厚度也很難控制。這些局限性使得使用更小間距和更高導(dǎo)線安裝的絲網(wǎng)的錫膏印刷更加困難。其主要原因是，用來連接的油墨包含更大的顆粒（75到幾微米的范圍內(nèi)）以及比多層油墨更高的黏度。

對于絲網(wǎng)印刷程序的重新修正

圖1是絲網(wǎng)印刷的圖解。絲網(wǎng)通過乳劑與孔徑相連。刮墨刀擠壓絲網(wǎng)，使絲網(wǎng)與承印物接觸。當(dāng)刮墨刀沿著絲網(wǎng)表面移動時(shí)，通過覆蓋在承印物表面特定區(qū)域的孔徑擠壓油墨。絲網(wǎng)的篩選取決于刮墨刀劃過之后油墨剝離的網(wǎng)間距以及絲網(wǎng)的張力。

許多參數(shù)都會影響到印刷的過程。印刷過程中的元件包括印刷機(jī)、承印物、絲網(wǎng)、刮墨刀、多層油墨以及各類參數(shù)。圖2總結(jié)了一些影響印刷過程的具體參數(shù)。絲網(wǎng)印刷品質(zhì)指數(shù)包括印刷的平均厚度、厚度的均勻程度、線條的分辨率以及脫墨點(diǎn)的數(shù)目。

絲網(wǎng)目數(shù)對于控制印刷厚度有決定性的作用。絲網(wǎng)目數(shù)是指每英尺內(nèi)金屬絲或者孔徑的數(shù)目（相臨兩個(gè)金屬絲之間的直線距離）。開口區(qū)域所占百分比是影響印刷質(zhì)量的另外一個(gè)重要數(shù)。

開口區(qū)域所占百分比=（1-絲網(wǎng)目數(shù)×金屬絲直徑）

在這個(gè)公式中，絲網(wǎng)目數(shù)和金屬絲直徑的單位是英尺。例如，金屬絲直徑為0.028mm的325個(gè)篩孔的絲網(wǎng)的開口區(qū)域所占百分比為41%。開口越大，絲網(wǎng)分辨率越好。篩孔的編織類型和經(jīng)緯線也會影響印刷厚度，篩孔的編織類型包括：平針編織、斜編織紋以及方紋編織。絲網(wǎng)篩孔的張力以及金屬絲的偏差是另外兩個(gè)重要因素。篩孔張力是指將篩孔拉緊時(shí)的張緊度，單位N/cm。適當(dāng)?shù)睦τ欣谟湍膭冸x。如果拉力太緊，就很難保持合適的網(wǎng)間距。如果超過了絲網(wǎng)的承受點(diǎn)，就會產(chǎn)生永久性的損壞。如果拉力太小，就會導(dǎo)致絲網(wǎng)脫落。金屬絲的偏差和篩孔角度由篩孔和圖像間的對齊角度決定。精細(xì)線條印刷要求絲網(wǎng)偏差在300之內(nèi)，因?yàn)檫@樣能夠使印刷達(dá)到一致。使用較為普遍的篩孔材料是不銹鋼（型號304）、尼龍、滌綸以及金屬性的聚脂纖維。

工業(yè)上已經(jīng)進(jìn)行了許多次實(shí)驗(yàn)，從19世紀(jì)60年代，印刷過程中的建模已經(jīng)得以發(fā)展。研究了色漿沉積數(shù)量和篩網(wǎng)過程之間的聯(lián)系，例如，篩孔尺寸、油墨流變、行寬等。描述了刮墨刀角度下的印刷厚度，刮墨刀的性質(zhì)以及承印物的變化的影響。調(diào)查了絲網(wǎng)對于分辨率較高的產(chǎn)品的影響。提出了一個(gè)有關(guān)絲網(wǎng)印刷中色漿沉積過程的理論。理論顯示，刮墨刀前的油墨流動可以看作是一個(gè)泵產(chǎn)生較高的靜水壓，在靠近刮刀邊緣時(shí)將油墨注入到絲網(wǎng)的篩孔里。描述了絲網(wǎng)印刷過程中的一個(gè)物理模型。他們發(fā)現(xiàn)，印刷時(shí)刮刀角度會減小。對于較硬的刮刀，其角度會由45°降低20°；而對于較軟的刮刀，其角度會降低30°～40°。討論了一些影響絲印的多層電路的重現(xiàn)能力的關(guān)鍵變量。

利用多種類型的多層油墨進(jìn)行精細(xì)線條印刷已經(jīng)成為一種領(lǐng)先技術(shù)，這歸因于它要求更小、更輕、密度更高的產(chǎn)品。近期分析顯示，對于薄方型平裝板和塑料球柵陣列板125μm的空間間距最合算，而對于芯片包裝所用的板材100μm的空間間距最合算。然而，工業(yè)上很難對精細(xì)線條印刷進(jìn)行大批量生產(chǎn)。為了改善絲網(wǎng)印刷中精細(xì)線條的分辨率，還需要做更多的調(diào)查和試驗(yàn)。

影響精細(xì)線條印刷質(zhì)量的變量很多。如：絲網(wǎng)偏差、乳劑的質(zhì)量、油墨濃度和黏度及印刷參數(shù)。這篇文章主要通過使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)來調(diào)查生產(chǎn)制造過程中參數(shù)對于精細(xì)線條印刷的影響。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是調(diào)查制造過程中參數(shù)對于精細(xì)線條印刷的影響。通過對印刷程序的仔細(xì)調(diào)查，得到四個(gè)有形影響的重要因素，分別是印刷速度、刮墨刀硬度、刮墨刀壓力以及網(wǎng)間距。在與刮墨刀移動方向平行和垂直方向上，相應(yīng)的空間寬度的分別為0.25mm、0.2mm和0.125mm。圖3顯示了這次實(shí)驗(yàn)的輸入和輸出數(shù)據(jù)。

圖4展示了測試的方法。包含了一組不同的行寬：平行和垂直方向上均為0.125mm、0.2mm、0.25mm。

為了限制實(shí)驗(yàn)的印張數(shù)，選擇一個(gè)包含中心點(diǎn)在內(nèi)的16個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案。中心點(diǎn)是指將所有的因素都設(shè)置在中等水平。復(fù)制精度對于評估各因素之間的相互作用是必不可少的。因此，總共進(jìn)行了34個(gè)印張數(shù)。包括中心點(diǎn)在內(nèi)的16個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案可對錯(cuò)誤進(jìn)行評估，檢測各因素之間的相互作用。表1總結(jié)了實(shí)驗(yàn)的因素及其數(shù)值。表2說明了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的數(shù)值。下一步是打亂處理的步驟，將得到的步驟按順序記錄，這是實(shí)驗(yàn)中使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的基礎(chǔ)。通過適當(dāng)?shù)拇騺y實(shí)驗(yàn)的步驟，從而證明“觀察得到的數(shù)據(jù)是獨(dú)立分布的”這一假設(shè)的正確性。

這次實(shí)驗(yàn)使用的承印物是50×50mm的純度為96%的鋁。導(dǎo)電漿料是銀和鈀的混合物。聚氨脂刮刀設(shè)置在45°，絲網(wǎng)是325個(gè)篩孔，金屬絲長為28μm乳劑7.6μm。印刷之后對承印物進(jìn)行干燥。

利用顯微鏡來測量10個(gè)點(diǎn)之間的線距寬。這次實(shí)驗(yàn)中，對每個(gè)印品的每組測量了60個(gè)線間距，總共2040個(gè)點(diǎn)。印刷沉積物的沉積高度也很重要。例如，在印刷電阻器時(shí)，阻值與層數(shù)成反比。這項(xiàng)研究還采取了另外一種方法測量每行的高度以及調(diào)查四個(gè)輸入變量對于印刷沉積物高度的影響。即使用了微掃描激光測量儀，它的傳感器的分辨率為0.75μm。然而，由于陶瓷承印品是半透明材料，因此很難用光學(xué)探針測量。這是由于光透過陶瓷表面不僅會被反射到其表面，還會反射到陶瓷里層。圖5展示了印刷樣品的測量結(jié)果。然而出現(xiàn)了兩個(gè)問題，一個(gè)是如何確定承印物的參考平面，因?yàn)橛捎诜瓷鋾?dǎo)致陶瓷承印物測量的較大偏差。此外，陶瓷承印物表面并非完全光滑，因此，參考數(shù)據(jù)必須與測量的沉積物十分接近。另一個(gè)問題就是用哪個(gè)高度值來描述輸入變量，最大高度還是平均高度。如果選擇平均高度，那么，平均高度又該如何計(jì)算？

表3 平均行寬為0.2mm的相臨兩行的方差分析

表4 平行線行寬偏差為0.25mm的方差分析

圖6和圖7展示了一些印刷沉積的圖片。這些圖片表明行寬邊窄時(shí)，印刷效果很不理想。在行寬為0.125mm和0.2mm的相臨兩行之間會看到比行寬為0.25mm的相臨兩行之間更多的脫墨或混合現(xiàn)象。

數(shù)據(jù)分析

利用方差分析對數(shù)據(jù)結(jié)果（平均行寬和行寬的標(biāo)準(zhǔn)偏差）進(jìn)行分析。

方差分析

分析方差之前，要對型號的全面性進(jìn)行調(diào)查。型號的全面性包括檢測假設(shè)性、方差的一致性以及糾錯(cuò)性。在檢測假設(shè)性時(shí)要使用常見的可能性描圖。圖8是對平均行寬為0.2mm的相臨兩行的假設(shè)性的說明。圖9對剩余的情況進(jìn)行了預(yù)測。圖10中剩余的情況表明方差的一致性以及假設(shè)的獨(dú)立性是正確的。表3展示了平均行寬為0.2mm的相臨兩行的方差分析。數(shù)值測試了每個(gè)因素的有效性。由于刮墨刀硬度和刮墨刀速度的數(shù)值小于0.05，所以這些因素對于平均行寬為0.2mm的平行線有顯著影響，置信度為95%。

表4展示了平行線行寬偏差為0.25mm的方差分析。對于行寬為0.25mm的平行線，印刷速度對于行寬的偏差有顯著影響，其置信度為95%。印刷速度越大，偏差越大。列寬為0.25mm時(shí)，四個(gè)輸入變量對于偏差無顯著影響。值得指出的是，能夠被分析到的偏差是0.25mm。由于相臨兩行經(jīng)常通過某些輸入數(shù)據(jù)的混合而被連接在一起，因此不能對0.125mm和0.2mm的寬度偏差進(jìn)行分析。這就會給出一個(gè)錯(cuò)誤的寬度數(shù)值從而改變結(jié)果。利用修改過的測試模式進(jìn)行更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，能夠給行與行之間提供更大的空間。否則的話，實(shí)驗(yàn)的條件會被改變。

表4總結(jié)了所有變量的影響?！癕ean 10 Par”表示平行線之間的平均寬度為0.25mm，“Dev 10 Per”表示垂線之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.25mm。表中未對“Mean 5 Per”進(jìn)行描述是因?yàn)橄嗯R兩行之間連接太多導(dǎo)致間距幾乎為零。

回歸模型的建立

由表5可知，刮刀硬度和刮刀速度對于精細(xì)線條印刷有重要影響，然而，網(wǎng)間距以及刮刀壓力在表1描述的設(shè)計(jì)數(shù)值內(nèi)卻無顯著影響。使用2設(shè)計(jì)方案潛在的問題就是各因素之間存在著線性關(guān)系。接下來進(jìn)行一項(xiàng)測試來確定刮刀硬度和刮刀速度之間是否存在著一種聯(lián)系。記錄所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括分析時(shí)的中心點(diǎn)?；貧w模式如下：

Y=SHSS SHSS SS+SH

Y是實(shí)驗(yàn)測量的相應(yīng)值，是系數(shù)

SH是刮墨刀硬度的數(shù)值（高等=1，中等=0，低等=-1）

SS是刮墨刀速度的數(shù)值（高等=1，中等=0，低等=-1）

在此將SS2和SH2記錄的省略，因?yàn)?2設(shè)計(jì)中加上中心點(diǎn)總共只有5個(gè)獨(dú)立的印張數(shù)，所以我們只能估算出5個(gè)系數(shù)。回歸分析顯示，刮墨刀硬度和刮墨刀速度之間存在非線形關(guān)系。圖11顯示了刮墨刀硬度和刮墨刀速度對應(yīng)時(shí)，水平線間平均寬度為0.2mm的掃描點(diǎn)的分布。由圖可知，刮墨刀越硬，速度越小時(shí)，印刷效果越好。

總結(jié)

在精細(xì)線條印刷中應(yīng)該使用硬質(zhì)刮墨刀。刮墨刀硬度是影響印刷結(jié)果的最重要變量。在這些測試中，實(shí)驗(yàn)數(shù)值中的網(wǎng)間距和刮墨刀壓力對于精細(xì)線條印刷并沒有很顯著的影響。但也許與絲網(wǎng)張力的挑選有關(guān)。

表5 影響因素分析

印刷速度對于和刮墨刀移動方向平行的行數(shù)有顯著影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，印刷速度越小，印刷效果越好。

較之0.2mm和0.25mm的印刷承印物，0.125mm的印刷承印物的生產(chǎn)量相對缺乏。行寬為0.125mm的相臨兩行之間存在更多的脫墨和混合的現(xiàn)象。這就意味著，在精細(xì)線條印刷中，操作窗口程序變得十分局限，從而需要更加嚴(yán)格的程序控制。

但是這些實(shí)驗(yàn)都只注重印刷過程，如果要是進(jìn)行更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)就要著重強(qiáng)調(diào)一下絲網(wǎng)篩孔、乳劑、油墨、承印物以及清洗技術(shù)。