多层陶瓷基板喷墨打印方案

多层陶瓷基板包含带状线、微带线和过孔，带状线和微带线分别形成内层和表层电路，过孔则连接着不同层。要实现这种复合结构的打印还存在诸多问题有待解决。喷墨打印是实现陶瓷/金属复合结构实体制造最直接、最低成本和最可控的方法，能够完成陶瓷材料和导电金属材料的分别连续固化和嵌合成型，且达到的最小精度和最小特征尺寸可以满足 200μm 以下的带状线、微带线和细微过孔。

喷墨打印作为一种材料喷射技术早已在电子电路领域应用，它按照传统 2D 喷墨的方式，根据 Cadence、Altium Designer 等生成的多层陶瓷基板设计文件中的图形信息通过多次扫掠实现墨滴的喷射和叠层沉积，从而获得二维图形到三维实体的转化。本文提出了以下多层陶瓷基板喷墨打印方案。为加强陶瓷基板及其封装行业上下游交流联动，艾邦建有陶瓷基板产业群，欢迎产业链上下游企业加入。

一、多层陶瓷基板喷墨打印方案

由于涉及陶瓷和导电金属两种材料，因此需要采用两个压电喷头分别喷射和沉积陶瓷墨水及导电金属墨水，整个过程如图 1 所示。压电喷头 1 先在承印基材上打印一层陶瓷介电层，并且根据线路图形布局，预留通孔和沟槽，然后压电喷头 2 将导电金属墨水沉积进预留的通孔和沟槽内，实现共面导电线路嵌合以及互连，按照上述思路进行顺序叠层打印，最终成型多层陶瓷基板。陶瓷墨水通过 UV 照射固化，导电金属墨水则通过光子烧结固化，为了保证导通电阻，可进行导电金属墨水多次沉积。

图 1  多层陶瓷基板喷墨打印方案

根据上述方案以及打印要求，委托北京大华博科智能科技有限公司开发出多层电子电路喷墨打印系统，如图 2 所示。该多层电子电路喷墨打印系统的有效成型寸为 180×240mm，Z 轴升降极限高度为 20mm，重复定位精度为±2μm；支持 GERBER 和 BMP 文件直接打印，可进行手动或自动裁边减线宽；配备两个理光 G5 压电喷头，如图 3 所示，喷孔数量共 1280（4×320），分辨率高达 1200dip；集成 NIR 光子烧结模块和 UV 模块；带多孔真空吸附的大理石平台通过恒温水槽进行控温（≤80℃）。

图 2 多层电子电路喷墨打印系统

图 3 理光 G5 压电喷头

多层电子电路喷墨打印系统开机后需要进行正压压墨，一方面对喷头做一次清洗，另一方面保证墨水在喷孔处刚好含住，从而使墨水能在适当压电脉冲激励下正常喷射。正压压墨完成后通常还需要进行喷头检测，喷头检测包括喷孔检测、水平检测和垂直检测，其中喷孔检测是检查喷头喷孔是否出墨良好，水平检测是检查喷头整个喷孔平面是否与水平面平行，垂直检测是检查喷头是否左右歪斜，具体做法是点击相应的检测按钮，会得到一幅检测图案，如图 4所示，通过对比检测图案（实际和预期），并且进行调整。

图 4 喷孔检测时的检测图案

打印开始前按照多层陶瓷基板图形设计批量导入打印文件，由于导电线路是通过预留通孔和沟槽再反向沉积填充形成的，因此在有通孔和沟槽沉积填充的地方需要进行图形处理，使其单独成一个打印文件，然后设置打印参数，包括喷头加热温度、脉冲电压幅值、分辨率、喷距、打印次数、初始高度、平台温度等，打印完成后开展基本尺寸、表面粗糙度、导通电阻等相关检测，整个流程如图 5 所示。

图 5 多层陶瓷基板打印流程

可以看出该喷墨打印方案的技术优势在于只需要两个压电喷头根据导入的打印文件中的图形信息分别多次扫掠实现陶瓷墨水和导电金属墨水的喷射和叠层沉积，即可完成多次陶瓷基板的打印。

相比于高温共烧陶瓷技术，喷墨打印能够简化制造流程，缩短制造周期，降低制造成本，因为不存在生瓷带冲孔、填孔、图形印制、叠片、压合和热切割工序，相应的设备费用大大压缩。相比于墨水直写、熔融沉积和 Vat 光聚合，喷墨打印能够以无接触、无压力的方式直接在承印基材上构建二维图形和三维实体，达到的精度和最小特征尺寸虽然适中，但灵活性更高，而且由于压电喷头上的数千个喷孔均可出墨，相当于面成型，打印效率更高。

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原文始发于微信公众号（艾邦陶瓷展）：多层陶瓷基板喷墨打印方案