柔性印刷电子喷墨技术全面解析

李劲+程涛

印刷电子喷墨技术是近年来兴起的新技术，笔者近年来对柔性印刷电子喷墨技术做了大量的、有意义的研究和探索，在此详细阐述该技术。

走近柔性印刷电子喷墨技术

柔性印刷电子喷墨技术是一种将导电线路打印在酚醛树脂、环氧树脂等基材上的技术，也被称为全印制电子技术。这种技术适合制作柔性异形线路板、普通线路板、光伏电玻璃、PCB、LCD等。

“柔性”在这里有双解，一是指柔性介质；二是指与传统的PCB相比，不需要大批量生产，可以利用喷墨技术特点按需进行小批量生产。与常规印刷导电线路的工艺相比，利用柔性印刷电子喷墨技术制备导电线路的工艺方法具有制造速度快、环境友好、工艺简单、成本低以及功能多样化等优点。柔性印刷电子喷墨技术不仅可以使用导电墨水（如纳米银）制备线路板，亦可以利用特殊的半导体、碳、硅等各种介质制备电阻、电容、电感、电池、晶体管乃至于集成电路，而这一切都可以通过打印的方式在一定的介质上完成，大大提高了生产效率和降低了生产成本。

柔性印刷电子喷墨设备的构成与工作原理

柔性印刷电子喷墨设备由机械系统、驱动系统、运动控制系统和视觉检测系统（可选）等构成，如图1所示。具体来说，柔性印刷电子喷墨系统包括1个或1组喷头、喷头控制板卡、数据处理运动控制卡、PC机、介质放置平台、墨路系统、喷头架及喷头架运动系统等装置，如图2所示。具体实现方式为：根据PC机中绘制的需要打印的电路图，喷头控制板卡控制1个或1组喷头喷出特制的墨水，并通过喷头架的运动，在介质上印制精密电路。

1.主控系统

柔性印刷电子喷墨设备要实现高速、高分辨率等性能指标，主控系统是关键。由于喷墨设备的喷头较多，数据传送速率较快，传送量大，因此，主控系统的数据传输和数据处理设计是主控系统设计的要点。图3的虚线框内是主控系统，主控系统通过IIC总线与外围控制模块相连，由嵌入式处理系统（MPC8548E）、USB接口电路、数据缓存、CPLD喷头与外围控制电路以及喷头数据总线驱动组成。

当计算机通过RIP程序启动喷印命令时，该命令首先通过USB接口电路的命令通道，由串口传送到控制器MPC8548E中，MPC8548E的主控程序对命令进行分析，通过IIC总线将命令送到各控制模块，完成对介质厚度的监测、喷头上下位置的调整、控制喷头小车的X和Y方向运动等。当喷墨设备完成初始设置后，RIP传送数据到MPC8548E，MPC8548E的主控程序根据所需打印的长度，设置喷头小车电机的行走距离及其可喷绘区域，USB接口电路启动数据传输，接收RIP的图像点阵数据，对数据缓存进行填充，当数据缓存填充满后，USB接口电路发送指令到MPC8548E，启动CPLD喷头与外围控制电路中的喷头控制状态系统和喷头小车电机，当喷头小车行走稳定后，发出喷墨脉冲及使能信号，喷头控制状态系统从数据缓存中读取数据，写入到每个喷头中，控制其进行喷墨操作。

2.供墨系统

（1）供墨系统分析

供墨系统是喷墨设备不可或缺的重要组成部分，良好的供墨系统是喷墨设备实现高质量与高可靠性的重要保证。喷头的属性各异，其需要配合使用特定性能的墨水，并设置合理的墨流负压。同时，墨水作为一种化学物质，其特性会随着喷墨设备的环境及工作状态的变化而发生相应改变。这就需要设计开发一种独立工作的机电一体化供墨系统，通过对油墨特性及供墨流的控制，配合喷头优质高效地完成打印任务。

墨水的黏度及表面张力对打印墨滴成型有很大影响。其中，墨水表面张力受环境温度变化影响不大，而墨水黏度却随着温度变化有较大的波动，对打印工作有较大影响。因此，对于供墨系统而言，控制墨水黏度是主要任务之一。墨水黏度与温度呈负对应关系，特定的温度范围决定了墨水的黏度范围。对打印工作来说，不同的喷头对应着不同的最佳墨水黏度，而墨水黏度又与温度相关。因此，通过控制墨水温度，能够有效地控制墨水黏度。墨水温度主要受季节和早晚温差影响，特别是低温墨水的高黏度对喷头影响较大，易造成堵头故障，不仅会造成打印中断，而且清洗喷头会造成大量时间和墨水的损失。

此外，供墨负压不足会造成漏墨、白线等现象，而过大又会降低喷射速度甚至喷射不畅，造成墨点不饱满，打印图像边线不完整，图面残破等。因此，控制供墨负压也是供墨系统的主要任务之一。供墨负压一般采用负压泵供给和高差负压供给两种方法。其中，前者通过负压泵的控制能够提供稳定准确的负压，但是需要负压传感器、负压泵等额外组件，会增加设备成本及结构复杂性。

（2）供墨系统结构设计

供墨系统由主墨盒、次级墨盒、墨泵、过滤器以及检测反馈控制系统等组成，如图4所示。小容量的次级墨盒储存少量过滤后的墨水，并用指定压力为喷头提供墨流。随着次级墨盒里的墨水被消耗，墨泵从主墨盒中抽取墨水，并通过过滤器补充次级墨盒里的墨水。检测反馈控制系统包括次级墨盒内的液压传感器与温度传感器，主墨盒内的液位开关以及系统控制面板等部件，其通过检测反馈控制系统内的传感器，反馈墨水温度及墨盒内液位等信息给系统控制面板。系统控制面板根据设定的程序对所采集的数据进行分析处理，产生对加热片及墨泵的开关控制信号，以此控制供墨系统内的墨水温度、调节喷头负压以及保证墨盒内墨水容量适宜当前打印工作需求。

3.喷头控制与辅助电路

CPLD喷头与外围控制电路包括以下模块：寄存器组，用于存储控制器发送过来的命令以及外部I/O数据与状态；译码器，完成对寄存器的地址编码与片选；数据包计数器，完成包计数与点计数，当喷头每个点的数据传送到喷头后，包计数归零，同时发送请求中断；喷头控制状态系统，完成喷头数据的传送，控制喷头喷墨；I/O端口，完成一些继电器的控制、状态检测等。endprint

喷头的每个喷嘴的腔室都被相互独立的压电陶瓷包裹，通过图文数据激励触发脉冲电压来控制喷头是否喷墨，通过施加在压电陶瓷上的脉冲电压控制喷头喷墨的量。在喷墨打印控制软件界面上，可通过“图片路径”选择需要打印的图像，“喷头/喷孔选择”选择需要打开的喷嘴，“波形设置”设置喷头的打印波形。计算机通过网口通信把选择的数据发送到CPLD喷头与外围控制电路中，然后被转换成电平信号发送到脉冲电源中，在需要打印时，触发脉冲波形，喷嘴实现喷墨；在不需要打印时，不触发脉冲波形，喷嘴不喷墨。

4.介质烘干技术

作为介质放置和输送平台，介质放置平台应适合平板介质和柔性介质。为了使墨水充分干燥，保证其有效的导电率等关键指标，通常采用对介质底部基材进行加热的技术与方法，加热温度控制在100～160℃。为了保证基材恒温加热，应采用温控系统，以保证温度合适。

柔性印刷电子喷墨技术使用的墨水

柔性印刷电子喷墨技术使用的是一种具有导电特性的特种墨水，其通常由导电银等构成。对于喷墨系统来说，当选定喷头之后，墨水为适应喷头，通常需要考虑导电率、黏度、最大颗粒、张力、稳定性和pH值等参数。表1为不同与喷头相对应的墨水特性。由此可见，墨水指标必须与喷头性能相适应，才能使整个系统运行良好。

对于柔性印刷电子喷墨技术而言，纳米导电银墨水是最基本的墨水。如果能够配合研制出合适的硅、锗、硒、砷化镓等半导体组成的墨水，就可以在任意介质上打印出电阻、电容、电感、半导体元器件、集成电路元器件。相信随着材料科学的发展，这一天会离我们越来越近。

打印精度控制

柔性印刷电子喷墨技术的应用对象往往是一些异形柔性小型电路，因此对打印精度要求较高，一般的喷墨打印机不能保证其打印精度要求。要达到这个要求，通常可以采取以下方法。

1.选择高精度喷头

在选择喷头时，首先要考虑其墨道宽窄，以适合导电银胶墨水、半导体类墨水等；其次，要根据打印介质、精度的要求，选择适合的喷头，以保证墨滴大小合适。

2.选择合适的精细的墨水

墨水是由一些颗粒和液体组成的，颗粒的直径和均匀性非常重要，其基本制作工艺为粉碎、研磨、搅拌等。墨水的研制与低成本的产业化始终是一个不可回避的问题。

3.保证X方向的运动精度

采用金属光栅尺、直线电机代替传统的塑料光栅尺和直线导轨，将会大大提到X方向的运动精度，使之由50～150μm提高到1～5μm。

4.保证机械平台的精度

对于更高精度的要求，则需采用形变系数小的大理石平台，可使精度提高5～10倍。endprint