零污染零排放噴納線路板的創(chuàng)新研究

劉毅 ,劉揚名

（深圳市企業(yè)創(chuàng)新促進會，廣東 深圳 518048）

【博士論壇】

零污染零排放噴納線路板的創(chuàng)新研究

劉毅 ,劉揚名

（深圳市企業(yè)創(chuàng)新促進會，廣東 深圳 518048）

噴納線路板是一種零污染、零排放、全數(shù)字加工的線路板。不用覆銅板、不用腐蝕、不用水、不用感光顯影、不用制網(wǎng)版就能將導(dǎo)電線路制作在樹脂板、塑膠板、玻璃板、陶瓷板和PET、PI薄膜等絕緣材質(zhì)上。經(jīng)電路實測應(yīng)用，完全達到使用標準。只需將CAD線路圖輸入線路板噴納機，即可加工出線路板。非常適合電路實訓(xùn)，線路板設(shè)計制作現(xiàn)場演示教學(xué)，滿足高新技術(shù)企業(yè)和科研機構(gòu)對線路板快新奇特的要求。是線路連接領(lǐng)域的技術(shù)突破。

清潔電子；“零排放”關(guān)鍵技術(shù)；噴納線路板

1 觸目驚心的危害與損失

傳統(tǒng)蝕刻線路板生產(chǎn)帶來的弊端:

（1）對銅材的驚人流失。腐蝕線路板對銅材的浪費，按國內(nèi)PCB產(chǎn)量1.3億平方米計算，假設(shè)：平均為四層板，所采用的覆銅板厚度為18um，被蝕刻掉的銅箔占65%，則計算出蝕刻液中銅的含量至少（因為還有成品PCB四周邊框和電鍍上銅的厚度被蝕刻的銅未計入）為54.6萬噸，相當于五個年產(chǎn)十萬噸以上銅礦的年產(chǎn)量被付諸東流。按銅箔價（PCB用）：12um銅箔15～19美元/kg；18um銅箔12美元/kg；35um銅箔10.7美元/kg。估算年流失65.5億美元。

（2）對環(huán)境的嚴重污染。PCB行業(yè)的工序分為干處理和濕處理兩大類，濕處理包括粗化、活化、敏化、氧化、蝕刻、電鍍、退錫、沉鎳金等二十多道工序，每道工序都產(chǎn)生污染廢液（濃度高）和廢水（洗滌水等，濃度較低）。根據(jù)國家污水排放標準，印制板生產(chǎn)中電鍍、蝕刻、成像和阻焊等工序產(chǎn)生的含有鉛、鎳等有劇毒性的為第一類污染物；含有酸/堿、化學(xué)需氧量（COD）、懸浮物（SS）、銅、氟化物、氰化物等為第二類污染物。深圳將線路板和電鍍并列為兩大重污染行業(yè)，重金屬污染物排放量占全市95%以上，是深圳市有毒物的主要來源。其危害之大，治理之難可想而知。

(3) 對水的巨量消耗 生產(chǎn)一平方米PCB最大用水量表

PCB類型單面雙面4層6層8層10層用水／T/ M2 1．20 1．50 2．25 3．38 5．06 7．59

仍按國內(nèi)年產(chǎn)1．3億平方米PCB，平均為4層板計算，則PCB行業(yè)用水量為2.9億噸，且產(chǎn)量越大用水量越大，排量越大，污染也越大，陷入惡性循環(huán)。不少企業(yè)就是偷排到江河湖海，才造成大面積污染，危害四方。

（4）對電的無端浪費。蝕刻法采用化學(xué)蝕銅，覆銅板中65%左右的銅箔靠化學(xué)溶液和強大電流將其蝕解，是名副其實的“電老虎”，將上述銅箔蝕解每年大概要耗費兩百多億度電。

2 創(chuàng)新的思路

改革開放以來，新技術(shù)、新材料、新工藝、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，拓寬了視野，增長了見識，尤其是數(shù)字技術(shù)、微納米技術(shù)、精細化工技術(shù)、高分子粘結(jié)技術(shù)的突飛猛進，覺得有實現(xiàn)的可能。近十年來沉迷于探尋線路板加工的新方法，做了不少試驗，反復(fù)捉摸，最終發(fā)現(xiàn)如果能象打印機似的打印出線路是最理想的，多年來我與同伴們曾用各種類型的打印機做過數(shù)十次模擬試驗，受到很大啟發(fā)，雖未成功，卻找到原因：①水性/油性油墨所含固化成份（金屬導(dǎo)電物）低，達不到導(dǎo)電要求；②如果增加固化物含量，則流動性差，噴墨打印機的壓電/汽泡方式驅(qū)動力小，必須尋求新的動力源；③檔次越高的打印機噴嘴越多，它能使色彩幾乎在霧化狀態(tài)下調(diào)合得細膩逼真，但線路板生產(chǎn)謀求的是線條清晰、間隔分明，這恰恰是國內(nèi)外現(xiàn)有打印機的弱項，說明對線路板生產(chǎn)而言，噴嘴不是越多越好；④逐行掃描、逐點噴印、以點連線的組線方式高頻特性差，而且線越細越容易斷線。實踐告訴我用噴墨打印法直接生產(chǎn)線路板在現(xiàn)有條件下行不通，必須另辟溪徑。

經(jīng)過一系列的失敗和反思，經(jīng)過反復(fù)試驗，采用現(xiàn)在噴納線路板噴印機和UV微納米導(dǎo)電膏配專用基板的生產(chǎn)方法，制約的瓶頸徹底解開。由計算機和線路板噴印機組成的線路板路徑控制系統(tǒng)可以確保線路精度；流體控制器、注膏筒、微型氣壓泵、紫外線燈組成控膏和固化系統(tǒng)。微納米導(dǎo)電膏所含金屬導(dǎo)電物含量高，導(dǎo)電性能穩(wěn)定；線條粗細通過噴嘴和流體控制器調(diào)控；使導(dǎo)電膏穩(wěn)定流出的動力由微型空壓機提供；流體控制器可確保膏流與線條同步，且不滴膏、不漏膏；UV固化不僅能滿足線路板自身的特殊要求，還利于流水作業(yè)；雙組份粘結(jié)劑，使UV微納米導(dǎo)電膏與基板黏結(jié)強度達到使用要求；監(jiān)控裝置可及時反饋加工信息，確保質(zhì)量，整個方案切實可行。感到有把握了，噴納線路板生產(chǎn)方法的疑點全解決了，設(shè)備、材料、工藝方法都沒有問題，又多次尊求同行專家們的意見，也都認為可行，又反復(fù)做成了一系例模擬試驗，充分說明理論和實踐都經(jīng)得起檢驗，獲得國家發(fā)明專利。

3 噴納線路板的獨創(chuàng)性

現(xiàn)有的線路板有以下幾種：①蝕刻線路板。在覆銅板上感光或印制線路，再經(jīng)化學(xué)腐蝕形成線路。②雕刻線路板。使用刻制機，將覆銅板上電路圖以外的銅箔剔除以形成線路。激光法屬于雕刻法同一類別。③絲印線路板。將線路制作在網(wǎng)板上，導(dǎo)電油墨漏印到基板形成線路。④據(jù)文獻介紹，國外有噴墨打印線路板，用新型噴墨打印機將金屬納米油墨打印到基板上，經(jīng)燒結(jié)爐燒結(jié)而成。

這種種以不同方法命名的線路板，凝聚了人類的智慧，反映出不同工業(yè)階段的技術(shù)水平，各有千秋。

噴納線路板的特征是由線路板噴印機直接在覆有粘接劑膜的絕緣基板上噴印導(dǎo)電線路，經(jīng)紫外燈固化結(jié)為一體，形成線路板。線路板噴印機是生產(chǎn)噴納線路板的主要設(shè)備之一，由智能三維機械手和流體控制器兩大部分配合組成，能夠按電腦設(shè)計的路徑、粗細噴出適量的納米導(dǎo)電膏，具有視覺影像自動靶標定位辨識和自檢功能，能移動軌跡位置顯示追蹤，位移速度可調(diào)；精確控制微納米導(dǎo)電膏流量的是流體控制器，配置空壓源，內(nèi)置精密調(diào)節(jié)閥和壓力感應(yīng)傳感器，確保微納米導(dǎo)電膏噴出的穩(wěn)定性及準確度；經(jīng)固化，使膏與基板粘結(jié)牢。噴納線路板涉及的材料主要有： 微納米導(dǎo)電膏和絕緣基板。具體實施步驟是：先在電腦中繪制要加工的線路圖；輸入線路板噴納機；根據(jù)三維機械手行進的速度和噴嘴行徑軌跡設(shè)定噴膏的流量、時長、停流次數(shù)等技術(shù)參數(shù)，這些技術(shù)參數(shù)既可以直接在智能流體控制器中設(shè)定，也可以在電腦中設(shè)定，確認后可以互相轉(zhuǎn)換；根據(jù)線路圖中圖形線的粗細選配噴頭，按裝膏筒；在設(shè)定的位置固定基板；空壓機為膏泵提供氣源，要先啟動空壓機。一切準備工作就緒之后即可啟動線路板噴納機，機械手攜帶噴嘴在基板上噴出微納米導(dǎo)電膏，在基板上用膏噴繪出線路圖；再固化，噴納線路板制作完成。

噴納線路板與蝕刻線路板，雕刻線路板，絲印線路板區(qū)別明顯。與國外的打印法也明顯不同，并體現(xiàn)出某些方面的優(yōu)越性。

噴納線路板與噴墨打印線路板（以下簡稱打印法）兩者雖然都有＂噴＂的功能，但卻有實質(zhì)性區(qū)別，體現(xiàn)噴或噴墨／噴納功能關(guān)鍵點的噴嘴不同、噴嘴的運動方式不同、工作原理不同、噴出物的驅(qū)動方式不同將它們明顯的區(qū)別開來。

噴納線路板生產(chǎn)方法在膏流控制、噴嘴運動方式、導(dǎo)電材料組合、固化方法上都有新穎性。①驅(qū)動噴出物的方式不同。打印法是以“壓電方式”驅(qū)動水質(zhì)/油質(zhì)墨流；噴納法是以氣壓方式驅(qū)動膏流。由于UV納米導(dǎo)電膏黏性大，流動性差，壓電方式驅(qū)動力不足，噴納法由微型空壓機作動力源，通過智能流體控制器控制膏流，粘稠性再大也控制自如，且不滴膏、不漏膏；②帶動噴嘴運行的方式不同。打印法由打印頭帶著噴嘴逐點噴印、逐行掃描，以點組線，斷線的概率高；噴納法是由機械手帶動噴嘴逐線噴印、連續(xù)流暢、線條平整，不僅不斷線，而且由于線條光滑亮麗，即使在趨膚效應(yīng)下電路的高頻特性仍然良好；③噴膏/噴墨方式不同。打印法選用的精密打印機配有一兩千個噴嘴，可一次噴出、堆墨；噴納法一般只配一個噴嘴（也可以帶若干個噴嘴），并且根據(jù)線條粗細選配不同口徑的噴嘴。這是噴納法不同于打印／印刷的明顯特征。④固化方法不同。噴納法使用光/熱固化，打印法使用燒結(jié)固化，表面看似乎僅是使用紫外燈與燒結(jié)爐的差別，實際則是工藝方法的創(chuàng)新。隨著導(dǎo)電膏中導(dǎo)電金屬顆粒尺寸變小，納米金屬顆粒的表面能顯著增大，熔點隨顆粒尺寸減小而降低，從而在低于塊體熔點的溫度下使粉體熔化，當顆粒小于10nm時尤為顯著。銀的常規(guī)熔點為960.5℃，而“超微銀粉的熔點可低達100℃”，也就是“在100℃左右即可以熔合”。據(jù)介紹，噴墨法使用“230～250℃”爐溫燒結(jié)，其時已將3～7nm的銀粒子熔化而不是固化。噴納線路板則使用低溫固化，經(jīng)濟實用。⑤兩者功能有差異。噴納法的許多功能是打印法不具備的。如具有視覺影像自動靶標定位辨識和比對功能，移動軌跡位置顯示追蹤，行進速度可調(diào)，流量大小、線徑粗細、流停時間、次數(shù)等均可內(nèi)置設(shè)定，還可以根據(jù)需要折返等。這些功能對于保證線路板質(zhì)量、提高效率、降低成本有顯著作用。

打印線路板使用的是金屬納米油墨；噴納線路板使用的是微納米導(dǎo)電膏。據(jù)介紹，打印法使用“金屬納米油墨：銀納米粒子（平均粒徑3～7nm）；金納米粒子（3～6 nm）”。其實，該所述金銀“納米粒子”已轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。因為納米材料具有特殊的電菏分布性，例如，金屬原來是電的良導(dǎo)體，但制成納米微粉后，當微粉直徑小到某臨界值以下時，它就成了絕緣體。電導(dǎo)率按ó∝d3(d為粒徑)規(guī)律急劇下降。當金AU粒子直徑從7.2nm下降到1.7nm后，其電導(dǎo)性質(zhì)從金屬向絕緣體轉(zhuǎn)變。根據(jù)久保理論計算出銀Ag出現(xiàn)量子效應(yīng)的臨界尺寸為20nm。普通銀為良導(dǎo)體，而納米銀在粒徑小于20nm時卻是絕緣體。金屬納米粒子是油墨中最重要的組份之一，它是使印刷圖形具有導(dǎo)電性的唯一源泉，但此時賴以導(dǎo)電的“唯一源泉”已轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。而噴納線路板使用微納米金屬粉體，界于微米納米之間，可在微納米尺度內(nèi)根據(jù)不同金屬的不同導(dǎo)電性能（完全可避開臨界區(qū)），客戶對線路導(dǎo)電率的不同需求，在不同形貌、不同大小之間優(yōu)化配制，謀求導(dǎo)電效率最大化，以提高性價比。所選范圍有科學(xué)理論和實踐依據(jù)，是既能滿足導(dǎo)線最細化又具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的最佳組合，這是符合科學(xué)、適應(yīng)市場的創(chuàng)新。所以，噴納線路板使用的UV微納米導(dǎo)電膏與打印線路板所使用的金屬納米油墨有實質(zhì)性區(qū)別和顯著進步。由于材料不同成本差異很大，噴納線路板可以用微納米尺度內(nèi)的鍍銀銅粉或者復(fù)合粉/合金粉，而打印線路板所用的全為3～7nm的稀有金屬金銀納米粒子，單位價格相差百倍，昂貴的材料成本加上昂貴的設(shè)備讓一般的線路板企業(yè)望而卻步。

4 源頭創(chuàng)新的噴納線路板

正如人類的許多發(fā)明都從仿生研究上得到啟發(fā)一樣,我們在觀察蜘蛛吐絲時霞想，如果將蜘蛛吐出的絕緣的蛋白質(zhì)絲換成一種能導(dǎo)電的金屬絲，吐在絕緣基板上,不就成了我們夢寐以求的最廉價、最環(huán)保的導(dǎo)電線路板嗎。經(jīng)專家測定蜘蛛吐出的絲其線徑不到1nm，而目前使用的線路板線徑多數(shù)都大于蛛絲的線徑。小小的蜘蛛可以織出網(wǎng)狀的線路，能將坐落空間的點任意連接，我們?nèi)祟惥鸵欢苄Х轮┲雵姵鰧?dǎo)電線路，噴納線路板的靈感由此而萌發(fā)。

當今先進的數(shù)字技術(shù)、微機電技術(shù)、微納米技術(shù)、精細化工技術(shù)、高分子黏結(jié)技術(shù)、流體控制技術(shù)和計算機科技，為我們提供了優(yōu)化配置，集成創(chuàng)新的新思路、新方法、新途徑，為噴納線路板生產(chǎn)方法提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。我們已經(jīng)做出不污染環(huán)境，不浪費資源，比蛛絲更細、更精密的導(dǎo)電線路板，開創(chuàng)線路連接技術(shù)的新天地。

噴納線路板，經(jīng)實踐驗證的主要創(chuàng)新點：

（1）降低產(chǎn)品成本，節(jié)約物耗：噴納線路板直接噴出導(dǎo)電線路，工序少、工期短，設(shè)備、工耗節(jié)約2/3以上，比蝕刻線路板節(jié)約耗材百分之四十，節(jié)電百分之九十，節(jié)水百分之百，節(jié)約污染防治費，產(chǎn)品成本降低60%以上；

（2）提高生產(chǎn)效率，適應(yīng)性廣：從設(shè)計到出成品全數(shù)字化操作，自由度大，既適宜個性化、小批量試制，又能滿足大批量生產(chǎn)的要求。小至辦公室/工作間/小鋪面都可制作線路板，立等可取；大批量生產(chǎn)可聯(lián)機操作、集群控制，流水作業(yè)；

（3）優(yōu)化技術(shù)性能，安全可靠：

電性能優(yōu)異，體積電阻率：

（1.0～2.0）×10-4Ω·cm3

剪刀強度：大于1500 psi;

附著力強

沖擊強度：大于10KG/3000psi;

均優(yōu)于目前打印線路板的技術(shù)指標；

（4）以高科技統(tǒng)領(lǐng)各個環(huán)節(jié)，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。①材料：微納米UV導(dǎo)電膏，是導(dǎo)電和微納米技術(shù)的前沿科技；②設(shè)備：機械手加智能流體和光電控制一體化技術(shù)，屬計算機應(yīng)用的高技術(shù)設(shè)備；③工藝：采用UV固化是國際公認，最節(jié)能、最環(huán)保的先進工藝；④質(zhì)量監(jiān)控：線路板噴印機能自動監(jiān)控線路板質(zhì)量，異常報警或停機，使質(zhì)量控制在萌芽狀態(tài)；⑤后續(xù)跟蹤管理：每塊線路板均可編號，標明產(chǎn)出時間和地點，為產(chǎn)品的后續(xù)跟蹤管理提供方便。

（5）符合國際倡導(dǎo)的綠色電子，與國際線路連接技術(shù)接軌：由于傳統(tǒng)線路板在焊接時會產(chǎn)生污染，國際上一直推行線路粘接技術(shù)，噴納線路板為適應(yīng)國際倡導(dǎo)的線路粘接技術(shù)創(chuàng)造了條件。

噴納線路板的微型加工系統(tǒng)可以放在辦公室/工作間操作,只要將設(shè)計的CAD線路圖輸入電腦，放上基板，幾分鐘就可以生產(chǎn)出線路板，適合單件試制和小批量生產(chǎn)。加工一塊線路板，就象制作一張數(shù)碼照片，立等可取，為科技人員開發(fā)新產(chǎn)品提供極大便利。噴納線路板的大中型加工系統(tǒng)則是在恒溫室里集群控制，聯(lián)機操作，整潔明亮，安靜舒適，再也不見流水嘩嘩、廢液橫流、黑黃地面、陰暗潮濕、捂鼻難行的線路板生產(chǎn)場景，將徹底改變線路板生產(chǎn)企業(yè)的傳統(tǒng)模樣，代之以高科技、高效益的現(xiàn)代化形象和高雅氣質(zhì)。批量生產(chǎn)的成本預(yù)計為蝕刻法的1/2～1/3。

5 滿足及解決的問題

噴納線路板生產(chǎn)極大的縮短和簡化線路板生產(chǎn)流程，工序少、工期短、自由度大、不用覆銅板，不用腐蝕，不用水，不用感光顯影，不用制網(wǎng)版，能將導(dǎo)電線路制作在樹脂板、塑膠板、玻璃板、陶瓷板和PET、PI薄膜等絕緣材質(zhì)上。經(jīng)電路實測應(yīng)用，完全達到使用標準。加工便捷，只需將CAD線路圖輸入線路板噴納機，即可加工出線路板，立等可取，非常適合電路實訓(xùn)，線路板設(shè)計制作現(xiàn)場演示教學(xué)，滿足高新技術(shù)企業(yè)和科研機構(gòu)對線路板快新奇特的要求，是線路連接領(lǐng)域的技術(shù)突破。徹底甩掉線路板企業(yè)污染大戶、耗水大戶、耗電大戶、耗銅大戶的“四大”帽子，真正實現(xiàn)綠色電子的生產(chǎn)目標。

（1）噴納法首功在環(huán)?！阄廴尽－h(huán)保是舉國上下一致關(guān)注的大課題，已列入基本國策之一。而噴納線路板加工系統(tǒng)首功就在環(huán)保上。不用覆銅板，不用腐蝕、不用水、不用感光顯影，不用制網(wǎng)版，耗電很少。對空氣、對水質(zhì)、對周邊環(huán)境不帶來任何負面影響。一位業(yè)內(nèi)精英稱贊噴納線路板加工系統(tǒng)僅對環(huán)境保護帶來的貢獻就相當了不起，是實實在在的綠色電子。

（2）噴納法利己不損人，巧在——零排放。不產(chǎn)生廢水、廢氣、廢渣。噴納線路板加工系統(tǒng)采用高科技手段使整個生產(chǎn)過程不產(chǎn)生廢料，因此不存在排放廢料的問題。

（3）噴納法利在無浪費——零損耗。歐美工業(yè)發(fā)達國家把零損耗加工列為工業(yè)生產(chǎn)的理想目標。而噴納線路板加工系統(tǒng)的效益就充分體現(xiàn)在零損耗上。噴納法采用最先進的技術(shù)和工藝，既不多使用材料，也不浪費資源。在預(yù)選的絕緣基板上按需要噴印UV導(dǎo)電膏，“按需供給”，沒有多余的耗費、沒有多余的工序、也沒有多余的動作。真正實現(xiàn)零損耗加工的理想目標。節(jié)約就是效益，節(jié)約就是本錢，節(jié)約就是競爭力。試想一項零損耗的產(chǎn)品其生命力有多么強大。

我們期待在線路連接領(lǐng)域創(chuàng)造跨越式發(fā)展的中國奇跡。

參考文獻（References）

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All-digital spray circuit board with zero emission of pollution

LIU Yi,LIU Yangming
（Technology Innovation Association of Shenzhen Enterprises,Shenzhen 518048,P.R.China）

here is suggested an all-digital processing spray circuit board with zero pollution and zero emission.The board runs without CCL,corrosion,water,photographic developer,or the system screen.Conductive lines can be produced on resin plates,plastic plates,glass plates,ceramic plates and on insulation materials like PET,PI film.Measured by the circuit application,it fully meets the standard required.Processing being simple and easy,simply have PCB CAD wiring diagrams enter the board and the result can be seen all at once.

clean electronics;zero-emission technology;spray circuit board

TN41

：A

1672-6332（2014）01-0077-05

【責任編輯：高潮】

2014-2-18

劉毅（1975-），男（漢），江西人，博士，主要研究方向：計算機科學(xué)與應(yīng)用；E-mail：13609625860@139.com