零污染零排放喷纳线路板的创新研究

刘毅 ,刘扬名

（深圳市企业创新促进会，广东 深圳 518048）

【博士论坛】

零污染零排放喷纳线路板的创新研究

刘毅 ,刘扬名

（深圳市企业创新促进会，广东 深圳 518048）

喷纳线路板是一种零污染、零排放、全数字加工的线路板。不用覆铜板、不用腐蚀、不用水、不用感光显影、不用制网版就能将导电线路制作在树脂板、塑胶板、玻璃板、陶瓷板和PET、PI薄膜等绝缘材质上。经电路实测应用，完全达到使用标准。只需将CAD线路图输入线路板喷纳机，即可加工出线路板。非常适合电路实训，线路板设计制作现场演示教学，满足高新技术企业和科研机构对线路板快新奇特的要求。是线路连接领域的技术突破。

清洁电子；“零排放”关键技术；喷纳线路板

1 触目惊心的危害与损失

传统蚀刻线路板生产带来的弊端:

（1）对铜材的惊人流失。腐蚀线路板对铜材的浪费，按国内PCB产量1.3亿平方米计算，假设：平均为四层板，所采用的覆铜板厚度为18um，被蚀刻掉的铜箔占65%，则计算出蚀刻液中铜的含量至少（因为还有成品PCB四周边框和电镀上铜的厚度被蚀刻的铜未计入）为54.6万吨，相当于五个年产十万吨以上铜矿的年产量被付诸东流。按铜箔价（PCB用）：12um铜箔15～19美元/kg；18um铜箔12美元/kg；35um铜箔10.7美元/kg。估算年流失65.5亿美元。

（2）对环境的严重污染。PCB行业的工序分为干处理和湿处理两大类，湿处理包括粗化、活化、敏化、氧化、蚀刻、电镀、退锡、沉镍金等二十多道工序，每道工序都产生污染废液（浓度高）和废水（洗涤水等，浓度较低）。根据国家污水排放标准，印制板生产中电镀、蚀刻、成像和阻焊等工序产生的含有铅、镍等有剧毒性的为第一类污染物；含有酸/碱、化学需氧量（COD）、悬浮物（SS）、铜、氟化物、氰化物等为第二类污染物。深圳将线路板和电镀并列为两大重污染行业，重金属污染物排放量占全市95%以上，是深圳市有毒物的主要来源。其危害之大，治理之难可想而知。

(3) 对水的巨量消耗 生产一平方米PCB最大用水量表

PCB类型单面双面4层6层8层10层用水／T/ M2 1．20 1．50 2．25 3．38 5．06 7．59

仍按国内年产1．3亿平方米PCB，平均为4层板计算，则PCB行业用水量为2.9亿吨，且产量越大用水量越大，排量越大，污染也越大，陷入恶性循环。不少企业就是偷排到江河湖海，才造成大面积污染，危害四方。

（4）对电的无端浪费。蚀刻法采用化学蚀铜，覆铜板中65%左右的铜箔靠化学溶液和强大电流将其蚀解，是名副其实的“电老虎”，将上述铜箔蚀解每年大概要耗费两百多亿度电。

2 创新的思路

改革开放以来，新技术、新材料、新工艺、新产品不断涌现，拓宽了视野，增长了见识，尤其是数字技术、微纳米技术、精细化工技术、高分子粘结技术的突飞猛进，觉得有实现的可能。近十年来沉迷于探寻线路板加工的新方法，做了不少试验，反复捉摸，最终发现如果能象打印机似的打印出线路是最理想的，多年来我与同伴们曾用各种类型的打印机做过数十次模拟试验，受到很大启发，虽未成功，却找到原因：①水性/油性油墨所含固化成份（金属导电物）低，达不到导电要求；②如果增加固化物含量，则流动性差，喷墨打印机的压电/汽泡方式驱动力小，必须寻求新的动力源；③档次越高的打印机喷嘴越多，它能使色彩几乎在雾化状态下调合得细腻逼真，但线路板生产谋求的是线条清晰、间隔分明，这恰恰是国内外现有打印机的弱项，说明对线路板生产而言，喷嘴不是越多越好；④逐行扫描、逐点喷印、以点连线的组线方式高频特性差，而且线越细越容易断线。实践告诉我用喷墨打印法直接生产线路板在现有条件下行不通，必须另辟溪径。

经过一系列的失败和反思，经过反复试验，采用现在喷纳线路板喷印机和UV微纳米导电膏配专用基板的生产方法，制约的瓶颈彻底解开。由计算机和线路板喷印机组成的线路板路径控制系统可以确保线路精度；流体控制器、注膏筒、微型气压泵、紫外线灯组成控膏和固化系统。微纳米导电膏所含金属导电物含量高，导电性能稳定；线条粗细通过喷嘴和流体控制器调控；使导电膏稳定流出的动力由微型空压机提供；流体控制器可确保膏流与线条同步，且不滴膏、不漏膏；UV固化不仅能满足线路板自身的特殊要求，还利于流水作业；双组份粘结剂，使UV微纳米导电膏与基板黏结强度达到使用要求；监控装置可及时反馈加工信息，确保质量，整个方案切实可行。感到有把握了，喷纳线路板生产方法的疑点全解决了，设备、材料、工艺方法都没有问题，又多次尊求同行专家们的意见，也都认为可行，又反复做成了一系例模拟试验，充分说明理论和实践都经得起检验，获得国家发明专利。

3 喷纳线路板的独创性

现有的线路板有以下几种：①蚀刻线路板。在覆铜板上感光或印制线路，再经化学腐蚀形成线路。②雕刻线路板。使用刻制机，将覆铜板上电路图以外的铜箔剔除以形成线路。激光法属于雕刻法同一类别。③丝印线路板。将线路制作在网板上，导电油墨漏印到基板形成线路。④据文献介绍，国外有喷墨打印线路板，用新型喷墨打印机将金属纳米油墨打印到基板上，经烧结炉烧结而成。

这种种以不同方法命名的线路板，凝聚了人类的智慧，反映出不同工业阶段的技术水平，各有千秋。

喷纳线路板的特征是由线路板喷印机直接在覆有粘接剂膜的绝缘基板上喷印导电线路，经紫外灯固化结为一体，形成线路板。线路板喷印机是生产喷纳线路板的主要设备之一，由智能三维机械手和流体控制器两大部分配合组成，能够按电脑设计的路径、粗细喷出适量的纳米导电膏，具有视觉影像自动靶标定位辨识和自检功能，能移动轨迹位置显示追踪，位移速度可调；精确控制微纳米导电膏流量的是流体控制器，配置空压源，内置精密调节阀和压力感应传感器，确保微纳米导电膏喷出的稳定性及准确度；经固化，使膏与基板粘结牢。喷纳线路板涉及的材料主要有： 微纳米导电膏和绝缘基板。具体实施步骤是：先在电脑中绘制要加工的线路图；输入线路板喷纳机；根据三维机械手行进的速度和喷嘴行径轨迹设定喷膏的流量、时长、停流次数等技术参数，这些技术参数既可以直接在智能流体控制器中设定，也可以在电脑中设定，确认后可以互相转换；根据线路图中图形线的粗细选配喷头，按装膏筒；在设定的位置固定基板；空压机为膏泵提供气源，要先启动空压机。一切准备工作就绪之后即可启动线路板喷纳机，机械手携带喷嘴在基板上喷出微纳米导电膏，在基板上用膏喷绘出线路图；再固化，喷纳线路板制作完成。

喷纳线路板与蚀刻线路板，雕刻线路板，丝印线路板区别明显。与国外的打印法也明显不同，并体现出某些方面的优越性。

喷纳线路板与喷墨打印线路板（以下简称打印法）两者虽然都有＂喷＂的功能，但却有实质性区别，体现喷或喷墨／喷纳功能关键点的喷嘴不同、喷嘴的运动方式不同、工作原理不同、喷出物的驱动方式不同将它们明显的区别开来。

喷纳线路板生产方法在膏流控制、喷嘴运动方式、导电材料组合、固化方法上都有新颖性。①驱动喷出物的方式不同。打印法是以“压电方式”驱动水质/油质墨流；喷纳法是以气压方式驱动膏流。由于UV纳米导电膏黏性大，流动性差，压电方式驱动力不足，喷纳法由微型空压机作动力源，通过智能流体控制器控制膏流，粘稠性再大也控制自如，且不滴膏、不漏膏；②带动喷嘴运行的方式不同。打印法由打印头带着喷嘴逐点喷印、逐行扫描，以点组线，断线的概率高；喷纳法是由机械手带动喷嘴逐线喷印、连续流畅、线条平整，不仅不断线，而且由于线条光滑亮丽，即使在趋肤效应下电路的高频特性仍然良好；③喷膏/喷墨方式不同。打印法选用的精密打印机配有一两千个喷嘴，可一次喷出、堆墨；喷纳法一般只配一个喷嘴（也可以带若干个喷嘴），并且根据线条粗细选配不同口径的喷嘴。这是喷纳法不同于打印／印刷的明显特征。④固化方法不同。喷纳法使用光/热固化，打印法使用烧结固化，表面看似乎仅是使用紫外灯与烧结炉的差别，实际则是工艺方法的创新。随着导电膏中导电金属颗粒尺寸变小，纳米金属颗粒的表面能显著增大，熔点随颗粒尺寸减小而降低，从而在低于块体熔点的温度下使粉体熔化，当颗粒小于10nm时尤为显著。银的常规熔点为960.5℃，而“超微银粉的熔点可低达100℃”，也就是“在100℃左右即可以熔合”。据介绍，喷墨法使用“230～250℃”炉温烧结，其时已将3～7nm的银粒子熔化而不是固化。喷纳线路板则使用低温固化，经济实用。⑤两者功能有差异。喷纳法的许多功能是打印法不具备的。如具有视觉影像自动靶标定位辨识和比对功能，移动轨迹位置显示追踪，行进速度可调，流量大小、线径粗细、流停时间、次数等均可内置设定，还可以根据需要折返等。这些功能对于保证线路板质量、提高效率、降低成本有显著作用。

打印线路板使用的是金属纳米油墨；喷纳线路板使用的是微纳米导电膏。据介绍，打印法使用“金属纳米油墨：银纳米粒子（平均粒径3～7nm）；金纳米粒子（3～6 nm）”。其实，该所述金银“纳米粒子”已转变为绝缘体。因为纳米材料具有特殊的电菏分布性，例如，金属原来是电的良导体，但制成纳米微粉后，当微粉直径小到某临界值以下时，它就成了绝缘体。电导率按ó∝d3(d为粒径)规律急剧下降。当金AU粒子直径从7.2nm下降到1.7nm后，其电导性质从金属向绝缘体转变。根据久保理论计算出银Ag出现量子效应的临界尺寸为20nm。普通银为良导体，而纳米银在粒径小于20nm时却是绝缘体。金属纳米粒子是油墨中最重要的组份之一，它是使印刷图形具有导电性的唯一源泉，但此时赖以导电的“唯一源泉”已转变为绝缘体。而喷纳线路板使用微纳米金属粉体，界于微米纳米之间，可在微纳米尺度内根据不同金属的不同导电性能（完全可避开临界区），客户对线路导电率的不同需求，在不同形貌、不同大小之间优化配制，谋求导电效率最大化，以提高性价比。所选范围有科学理论和实践依据，是既能满足导线最细化又具有优良导电性能的最佳组合，这是符合科学、适应市场的创新。所以，喷纳线路板使用的UV微纳米导电膏与打印线路板所使用的金属纳米油墨有实质性区别和显著进步。由于材料不同成本差异很大，喷纳线路板可以用微纳米尺度内的镀银铜粉或者复合粉/合金粉，而打印线路板所用的全为3～7nm的稀有金属金银纳米粒子，单位价格相差百倍，昂贵的材料成本加上昂贵的设备让一般的线路板企业望而却步。

4 源头创新的喷纳线路板

正如人类的许多发明都从仿生研究上得到启发一样,我们在观察蜘蛛吐丝时霞想，如果将蜘蛛吐出的绝缘的蛋白质丝换成一种能导电的金属丝，吐在绝缘基板上,不就成了我们梦寐以求的最廉价、最环保的导电线路板吗。经专家测定蜘蛛吐出的丝其线径不到1nm，而目前使用的线路板线径多数都大于蛛丝的线径。小小的蜘蛛可以织出网状的线路，能将坐落空间的点任意连接，我们人类就一定能效仿蜘蛛喷出导电线路，喷纳线路板的灵感由此而萌发。

当今先进的数字技术、微机电技术、微纳米技术、精细化工技术、高分子黏结技术、流体控制技术和计算机科技，为我们提供了优化配置，集成创新的新思路、新方法、新途径，为喷纳线路板生产方法提供了理论依据和技术支撑。我们已经做出不污染环境，不浪费资源，比蛛丝更细、更精密的导电线路板，开创线路连接技术的新天地。

喷纳线路板，经实践验证的主要创新点：

（1）降低产品成本，节约物耗：喷纳线路板直接喷出导电线路，工序少、工期短，设备、工耗节约2/3以上，比蚀刻线路板节约耗材百分之四十，节电百分之九十，节水百分之百，节约污染防治费，产品成本降低60%以上；

（2）提高生产效率，适应性广：从设计到出成品全数字化操作，自由度大，既适宜个性化、小批量试制，又能满足大批量生产的要求。小至办公室/工作间/小铺面都可制作线路板，立等可取；大批量生产可联机操作、集群控制，流水作业；

（3）优化技术性能，安全可靠：

电性能优异，体积电阻率：

（1.0～2.0）×10-4Ω·cm3

剪刀强度：大于1500 psi;

附着力强

冲击强度：大于10KG/3000psi;

均优于目前打印线路板的技术指标；

（4）以高科技统领各个环节，拥有完全自主知识产权。①材料：微纳米UV导电膏，是导电和微纳米技术的前沿科技；②设备：机械手加智能流体和光电控制一体化技术，属计算机应用的高技术设备；③工艺：采用UV固化是国际公认，最节能、最环保的先进工艺；④质量监控：线路板喷印机能自动监控线路板质量，异常报警或停机，使质量控制在萌芽状态；⑤后续跟踪管理：每块线路板均可编号，标明产出时间和地点，为产品的后续跟踪管理提供方便。

（5）符合国际倡导的绿色电子，与国际线路连接技术接轨：由于传统线路板在焊接时会产生污染，国际上一直推行线路粘接技术，喷纳线路板为适应国际倡导的线路粘接技术创造了条件。

喷纳线路板的微型加工系统可以放在办公室/工作间操作,只要将设计的CAD线路图输入电脑，放上基板，几分钟就可以生产出线路板，适合单件试制和小批量生产。加工一块线路板，就象制作一张数码照片，立等可取，为科技人员开发新产品提供极大便利。喷纳线路板的大中型加工系统则是在恒温室里集群控制，联机操作，整洁明亮，安静舒适，再也不见流水哗哗、废液横流、黑黄地面、阴暗潮湿、捂鼻难行的线路板生产场景，将彻底改变线路板生产企业的传统模样，代之以高科技、高效益的现代化形象和高雅气质。批量生产的成本预计为蚀刻法的1/2～1/3。

5 满足及解决的问题

喷纳线路板生产极大的缩短和简化线路板生产流程，工序少、工期短、自由度大、不用覆铜板，不用腐蚀，不用水，不用感光显影，不用制网版，能将导电线路制作在树脂板、塑胶板、玻璃板、陶瓷板和PET、PI薄膜等绝缘材质上。经电路实测应用，完全达到使用标准。加工便捷，只需将CAD线路图输入线路板喷纳机，即可加工出线路板，立等可取，非常适合电路实训，线路板设计制作现场演示教学，满足高新技术企业和科研机构对线路板快新奇特的要求，是线路连接领域的技术突破。彻底甩掉线路板企业污染大户、耗水大户、耗电大户、耗铜大户的“四大”帽子，真正实现绿色电子的生产目标。

（1）喷纳法首功在环保——零污染。环保是举国上下一致关注的大课题，已列入基本国策之一。而喷纳线路板加工系统首功就在环保上。不用覆铜板，不用腐蚀、不用水、不用感光显影，不用制网版，耗电很少。对空气、对水质、对周边环境不带来任何负面影响。一位业内精英称赞喷纳线路板加工系统仅对环境保护带来的贡献就相当了不起，是实实在在的绿色电子。

（2）喷纳法利己不损人，巧在——零排放。不产生废水、废气、废渣。喷纳线路板加工系统采用高科技手段使整个生产过程不产生废料，因此不存在排放废料的问题。

（3）喷纳法利在无浪费——零损耗。欧美工业发达国家把零损耗加工列为工业生产的理想目标。而喷纳线路板加工系统的效益就充分体现在零损耗上。喷纳法采用最先进的技术和工艺，既不多使用材料，也不浪费资源。在预选的绝缘基板上按需要喷印UV导电膏，“按需供给”，没有多余的耗费、没有多余的工序、也没有多余的动作。真正实现零损耗加工的理想目标。节约就是效益，节约就是本钱，节约就是竞争力。试想一项零损耗的产品其生命力有多么强大。

我们期待在线路连接领域创造跨越式发展的中国奇迹。

参考文献（References）

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[3]李德胜.微纳米技术及其应用[M].北京：科学出版社，2005.LI Desheng.Micro-nano technology and its application[M].Beijing:Science Press,2005.(in Chinese)

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[5]郑水林.超微粉体加工技术与应用[M].北京：化学工业出版社，2005。ZHENG Shuilin.Ultra-fine Powder Processing Technology and Application[M].Beijing:Chemical Industry Press,2005.(in Chinese)

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

【责任编辑：高潮】

2014-2-18

刘毅（1975-），男（汉），江西人，博士，主要研究方向：计算机科学与应用；E-mail：13609625860@139.com