PCB喷墨打印技术和数字打印的优势

近期，Meyer Berger公司销售及业务开发部经理Don Veri接受了《电子时代》杂志采访。在本次采访中Don Veri讨论了制造商在采用喷墨打印技术过程中面临的一些挑战，在工厂中应用喷墨打印技术的优势以及运用数字打印技术解决工厂车间中出现的问题时所具备的能力。

Barry Matties：首先，你能否简要介绍一下Meyer Burger公司？

Don Veri：Meyer Burger是一家公开上市的公司，位于瑞士图恩市，就在伯尔尼以南。Meyer Burger公司成立于1953年，最初主要是为瑞士钟表行业生产切割设备和机械装置。经过多年的发展，我们已经逐渐转型到为光伏市场生产切割太阳能级硅材料的机械工具。通过一系列的并购及发展，公司已经不仅仅能够生产机械切割/切片设备和真空沉积设备，还能够生产我们今天要讨论的——采用工业喷墨打印技术的打印设备。

Matties：说到瑞士钟表，这个行业最重视的就是精度，我能想象得到精度要求一定从始至终贯穿你们所有的产品中。

Veri：对于喷墨打印技术和增材沉积技术而言确实是这样；因为这是数字工艺，精度和图案成形是非常重要的，也是将增材喷墨沉积技术与其他替代技术区别开来的主要优势之一。由于其精度和图案成形等特性，增材喷墨沉积技术被广泛应用于局部打印。与其他竞争技术相比，我们看到喷墨打印技术的用途更加广泛。

Matties：可以简要介绍一下你们的工艺吗？

Veri：Meyer Burger公司位于荷兰爱因霍芬市的喷墨打印技术部已经推出了一些产品。我们有LP50研究系统和名为JETx的生产设备。LP50是一种十分普遍的工具，它可以支持多种不同的应用和材料。同时，JETx机器是针对特定应用和材料而设计生产的，用于打印半导体晶圆片、太阳能电池、PCB和挠性电子产品基板。JETx生产线机器的设计配备了特别的打印头系统，客户可以用这类机器完成大批量生产任务，并且可以根据材料和应用得到一个预先确定的购置成本预测。

Matties：对于电路板领域，如果制造商决定在制程中使用此技术，他们将要面临的最大挑战是什么？

Veri：在PCB上打印阻焊油墨确实不是新鲜事，但现在这项技术确实可以被看作是热点，它比三四年前的技术要先进很多。在将相关的材料和设备应用到工艺制程的过程当中，制造商所面临的挑战是，与成熟工艺相比，他们是否有能力以更高效的成本打印出质量类似的图案，以及是否有能力记录并将这些阻焊油墨沉积到各种电路板上，包括各种形状和尺寸的电路板，同时在微观水平上完成打印也是十分重要的。打印图案的微观尺寸及需要覆盖的特征可能会存在很大差异。所以电路板生产商可能有2000个至3000个SKU，而且一个阻焊层SKU通过质量验证并不意味着其他每个SKU也通过了验证。质量认证步骤的范围非常广泛，但你必须要经历这个过程，而且这个过程是非常耗时的。我们面临的挑战就是要和客户一起经历这个过程，让产品通过质量认证。

Matties：他们采用这项技术的动力是什么？如果有成熟工艺且已经获得了OEM的认可，OEM通常会指定产品。这些挑战不一定是他们优先考虑要解决的难题，除非是必须解决某个特殊难题才能完成销售。

Veri：PCB制造可分为大批量和小批量两类工厂形式，也就是订单可能是订购1000件、2000件或3000件产品，也可能是订购5件、10件或15件电路板。所以我们必须对目标客户进行分类。然后我们根据复杂程度和想要打印的特征尺寸再加以区分。一旦我们在市场上找到了适合这些打印机功能的特殊电路板工厂，我们就可以用更快的速度和更低的成本来打印更小尺寸的特征。因为我们去除了三项工艺步骤，也就是说我们消除了三类设备和与其相对应的占地面积以及如图案创建和所有图案的存储等相关的要求。同时还能保持较快的产出速度，例如和那些没有应用这项技术的工厂相比，我们能为客户提供更大的经济价值。

Matties：说到批量生产，速度一直是打印技术的一个大问题。如果在亚洲，那里的批量生产完全是另一个级别，你们的设备同样也适用于他们的批量生产模式吗？

Veri：至于速度和产出量，这两点因素其实总是具体针对沉积的产品类型和位置而言的。在需要打印晶圆（价值非常高）的半导体市场中，产品的打印方式与太阳能电池或电路板的打印方式大不相同。对于尺寸是6英寸×6英寸的太阳能电池，我们每个小时的打印量可以达到几千个，但是对于8英寸或12英寸的半导体晶圆片，我们每小时只能打印几十个，所以说不同的行业有不同的需求，产出也就不同，但是对于行业需求而言，这仍然是一个非常经济的选择。对于电路板，最重要的因素就是每小时打印了多少面，你必须要打印电路板的多个板面，我们将生产效率量化为每小时打印大约60面，这还要取决于需要灌封的打印图案/线路结构的复杂程度。

Matties：一定要达到一个人们认为是适用于整个电路板的关键点。你认为这个关键点在什么位置？推动人们的动力是什么？

Meyer Burger的喷墨打印机适用于柔性电路

Veri：我认为这个关键点在于我们的客户希望拥有使用数字打印技术来解决工厂车间难题的独特优势。在今天使用的工艺制程中，你想要在电路板上打印图案，要创建一个Gerber文件，要绘制原理图，并且要存储好实体图纸。随着这款产品定期被重新订购，就可以把这个图调出来使用。如果这个图案仍然有效，你就可以再次使用图纸；如果不能使用，你就要重新绘制图案。有了数字文件，所有文档都是数字存储的，只需要硬盘或云端存储。只要将文件下载到机器上，调出配置，然后就可以开始打印。与传统工艺相比，这项工艺的设置时间和后续打印需要的产出时间大幅缩短。

这就是客户试图解决这些问题时想要达到的需求点。他们的工厂车间面积受限，但又想继续扩大业务规模，所以他们需要找到不同的解决方案，例如在电路板上使用打印阻焊油墨方式。如果他们不得不使用传统工艺来扩大业务规模，那在设备和资本支出上的花费将是使用我们设备的2～3倍，所以说我们的设备能提供很大的价值。

Matties：随着我们进入智能工厂时代，我们在电路板生产工艺中见到了这项技术的身影，这项技术非常适合数字工厂，因为它非常清洁而且操作简便。你只需按下按钮就能生产出一块电路板，不再需要经历之前的其它步骤。

Veri：或者你可以进行远程监控，有些工厂已经能完成这样复杂的任务。工厂是将图案发送到打印机上，然后操作员自动调出图像——下一个图像是带有打印要求的图像——然后启动打印周期。

PCB打样无尘车间

Matties：我们了解了制造方面的所有优势之后，也要意识到应用这项技术的难点。如何说服OEM批准使用此工艺呢？他们才是起到真正的决定因素的一方。

Veri：一定要进行有关工艺和机器功能的实际演示。也就是电路板测试，如今的电路板在生产过程中要通过各种测试。我们一定要通过这些测试，但考虑到测试持续时长和器件、线路板或SKU的数量，这个过程可能要花费一些时间。这是其中的一个因素，第二个因素就是机器的可靠性。

Matties：我想就这个想法发表一下我的意见。OEM不在乎机器可靠性，因为他们只会面临两种情况——电路板有没有按时交货，如果没有按时收到货，他们就会找一家能按时交货的供应商，所以说这是个制造方面的难题。我理解的是，工艺制程不是决定因素，材料才是决定因素。

Veri：市场上有些领域确实如你所说，但还是要取决于OEM将这种工艺集成到他们的电路板工厂中的方式，有些公司要求更换工艺——不仅仅是更换油墨，而且要更换设备。这样的公司会提出审核要求，并且要求我们证明这项技术的可行性。

Matties：但这个过程的前提是工艺制程符合OEM的最终利益。

Veri：通常情况下，油墨不会对设备的性能产生影响。

Matties：我明白。我是这项技术的忠实粉丝，在我看来，这项技术的普及速度应该再快一些。我了解你提到的所有优点，但我也意识到了一个巨大的障碍——对于终端用户而言，没有任何实实在在的动力可以推动他们采用这项技术并开展审核过程，因为现在的电路板都是他们可接受的产品。

Veri：现在确实是这样。真正的动力来自于电路板制造商。这个领域才是这项技术的真正推动力。

Matties：他们面临的障碍是OEM不会批准采用这项技术。

Veri：可能是这样。这是制造商必须要去控制的动态因素。

Matties：没错。这正是我所非常关注的部分。例如，如果说可以减少30%的工艺成本，我们要不要把这个信息告诉OEM？这可能正是他们所期待的。

Veri：这要视具体情况而定。在市场中，你必须始终具备成本竞争力或者取得成本优势，并且尽可能长时间地保持这种状态；这绝对是电路板制造商应该克服的问题。

Matties：而且他们也想在生产周期方面取得一些优势。如果决策或价值区间成为了障碍，那Meyer Burger应该如何发挥作用帮助OEM了解这项技术并尽快批准采纳这项技术？很多情况下，这对于你们的设备而言是个决策点。

Veri：一旦我们开始和电路板工厂合作，等我们达到了一定的交流阶段，OEM就会参与到沟通中来。这时候需要讨论的内容是电路板或产品的性能以及产品的外观，因为OEM对产品外观也是有一定要求的。之后我们要为电路板工厂提供支持，这种情况下就是通过实际演示的方式证明产品的功能和性能，这个过程可能需要几周或几个月的时间。

Matties：你已经检查了工艺、外观和产品性能，但这些都不是关键问题。

Veri：产品外观是不同的，因此关键问题是外观。目前可喷墨打印的电路板油墨具有不同的外观和质地；它们都是有光泽的，但如今生产出的大多数电路板都是无光泽的。我们可以实现不同级别的光泽表面（例如半哑光），但油墨供应商目前还没有开发出可以打印哑光表面的油墨。

Matties：所以说有很多原因可以证明制造商应尽快采纳这项技术，但其中涉及到的质量认证过程可能要花上几天到一年以上的时间才能完成。这个行业中的临界点在什么位置？是不是靠近油墨供应商？我知道你们在和Agfa公司以及其他公司合作，他们肯定在整个制程中发挥了巨大的作用。

Veri：没错，我们目前和所有大型油墨供应商都建立了合作关系，用我们的设备验证他们的阻焊油墨是否符合质量标准。

Matties：这种方法是如何纳入你们策略当中的呢？

Veri：我们不得不生产一种可以支持各种型号油墨的机器，做到与不同的组分和油墨化学成分相兼容。我们和世界各地的油墨供应商都有着密切的合作关系；很多供应商的实验室里都有我们的研究工具，并且他们会使用这些工具配比油墨组分。对于一些已经商用的油墨，因为我们和这些油墨供应商保持着良好的关系，所以我们自然也就非常了解这些油墨的打印方式以及如何让我们的机器与这些油墨兼容。

Matties：你们需要根据不同油墨的配方来调试机器，还是他们根据你们的机器来调整配方？

Veri：一般情况下，油墨要根据打印头和基板做出调整，但不必根据我们的设备做出调整。我们可以适应各种油墨，但真正的挑战在于油墨与基板的接触面，以及基板整个使用周期中油墨会否影响其性能。

Matties：人们是否会专门为某个品牌的油墨购买多台机器？还是说更换油墨的过程非常简便？

Veri：通常情况下，人们希望能在设备上更换油墨。

Matties：你们的设备更换油墨便捷吗？

Veri：是的。

Matties：更换油墨是个大工程吗？

Veri：有时候是，因为可能需要更换打印头系统。如果你使用的是相类似系列的油墨，就可能需要使用一个不同的打印头。更换时间主要取决于油墨系统的净化、清洁和重新填墨。

Matties：在我看来，如果针对2、3种不同的油墨有足够的需求，他们就会买2～3台不同的设备专门用于这几种油墨。这样是最合理的。

Veri：没错。

Matties：这项技术绝对有很大的发展空间。你预测它什么时候能够被普遍应用？我知道这是一个很宽泛的时间期限。

Veri：这是一个很宽泛的问题，至于这项技术还需要多久才能被普遍采用，我认为大概还需要5年的时间。电路板和半导体市场已经处于采用这项技术的早期阶段，我们在这个行业中的客户已经开始使用这种工具了；光电市场中也有一些客户在使用。关键在于找到其他有相似兴趣并且愿意优先接纳这些应用端客户。我们知道市面上有油墨供应商，这类机器持久耐用，打印头可靠，而且JETx的正常运行时间很长，可以一周7天、每天24小时全年无休地工作。但继续寻找客户、继续推广这款应用是重要的，要让其他人看到这项技术的优点，让他们意识到采用这类增材技术可以满足他们的需求。

Matties：对于那些想要应用这项技术的PCB制造商而言，你有什么建议？第一步要做什么？

Veri：首先要检查机器是否具备打印不同结构的多功能性，比如不仅能够打印油墨，还可以打印二维码和条形码，这样也可以直接省去辅助步骤。一旦你了解了这项应用的灵活性，你就可以开始考虑这项应用的经济因素和设备性能。这是一种三级机器鉴定方法。

Matties：这项技术预期的ROI怎么样？

Veri：总的来说，1～2年内可以获得投资回报。

Matties：在操作员培训方面会不会遇到困难？

Veri：我们不认为这是一个障碍。操作员培训是非常重要的一个环节；这是一种新的工作方式，你必须为进行正常生产留出足够的上岗培训时间。创建一名拥有培训和再培训员工流程的内部专家至关重要，因为操作员的人员流动率和缺勤率很高。但是单个操作员就能负责多台机器，这也是这项技术的优势之一；你不需要为每台打印机分别派一名专人负责。

Matties：你还有什么想要和大家分享的吗？

Veri：从半导体到PCB以及挠性电子产品和消费类电子产品，都值得关注这项技术的多功能性和应用领域。市场中有各种已经工业化的油墨可以使用，这些油墨通过了UL认证并且可满足当今制造工艺的要求。这一领域的发展并不是体现在油墨上，而是体现在应用上，以及行业寻求发展的动力。

对于一些不同的作业，有很多共性。如果你打算在电路板上打印聚酰亚胺，或者是在半导体晶圆片上打印聚酰亚胺，这两项作业的打印系统是有共性的。我们这边可以实现协同操作，可将这种协同作用应用到不同的市场分支当中，这是我们从自己的角度出发考虑到的情况。我们通过寻找应用来找到最具潜力的市场，在这个市场中我们确定这些油墨、开发应用，通过从不同的油墨供应商那里订购系列油墨系统来实现这项技术的价值。

Matties：我还是在努力寻找这项技术背后的推动力。你能否为我总结一下，OEM愿意采用这项技术的最重要的原因是什么？

Veri：我认为OEM寻求的是速度和灵活性，同时希望提高产品性能和降低产品成本，如果我们满足了这4项要求，我们的产品就非常有说服力了。

Matties：我并无意争论速度，因为交付日期就是交付日期；他们才不在乎你在交付日期之前遇到了什么事情。

Veri：最后，如果你能让产品的交付时间缩短到1天之内，而你的竞争对手的交付时间是2～3天，那你就赢得了优势。增材喷墨沉积技术可以让制造商去除一些工艺步骤，直接缩短了整体的制造工艺用时并削减了成本；时间和成本的减少是一个很大的优势，制造商可充分发挥这一优势。

Matties：我明白，但他们会说“用两天的时间更换阻焊油墨”。我知道我在这个问题上提出的观点有点苛刻了。

Veri：如果你去看一看这些公司的类型，你会发现他们都是多品种小批量的公司，所以他们每个月可以接到成百上千笔订单。所以说这项技术节省了大量时间，能为市场带来更多价值。

Matties：对于快速打样公司，也许快速得到回报是有价值的。在缩短整体生产周期方面你们具备哪些优势？

Veri：至少可以减少一个班次。

Matties：这可是实质性的回报。油墨的固化流程也是一样的吗？

Veri：使用标准的固化流程。阻焊层油墨使用的固化流程和现今阻焊材料使用的固化流程类似。

Matties：我想要知道的是，如果我是一个试图说服客户的制造商，我得找到一个王牌武器来吸引OEM的注意。如果我们掌握了这类信息并且帮助客户理解这些信息，就能卖出更多的设备，让客户拥有更好的工艺制程。对于产品性能，掩模就是掩模，交付就是交付。还有其他优势吗？

Veri：还是和经济考量有关——电路板工厂中的内部工艺流程、节省出的时间，以及他们可以给客户传递的价值和他们自己获取的价值。

Matties：说到价值，他们是愿意将价值传递给客户的。

Veri：没错。

Matties：我同意生产周期方面的优势可以带来巨大的价值，而且我认为精度是另一个可以受益良多的领域，因为使用的材料总量减少了。

Veri：这是个很好的观点。关于电路板生产，能够按照需求在电路板上的不同区域使用不同用量的油墨，这一点可以帮助电路板设计师用更加经济的方式来生产，而且能帮助制造商节省成本。也就是说你可以按照需要在电路板上的不同区域打印较厚或较薄的阻焊油墨。此外，如果你需要不同尺寸的铜走线，这项技术可以帮助我们优化1/4盎司、1/2盎司和1盎司的铜走线。从这种意义上讲，你可以创建数字程序和应用方法来构建导线周围的覆盖区域。在同一次操作中，你可以在走线周围打印，也可沿着电路板的其他区域打印，只不过是打印更薄的层。这就会引起我之前提到的美观问题，因为电路板看上去会很不一样——板上有些区域的油墨较厚、有些区域的油墨较薄。

Matties：但从功能上讲，这种电路板的性能要更好。

Veri：是的，因为你可以真正优化铜走线周围的油墨层厚度，所以电路板的性能会相同或更好。

Matties：常规操作方式是按照整块电路板上阻焊层厚度的最高要求，涂敷整块电路板。

Veri：现有工艺就是这样操作的。增材喷墨沉积工艺在这方面能给用户提供更大的灵活性。从制造商的角度来看，它的价值还不止这些。与现有工艺相比，我们一定要强调不同的打印能力，所以我们必须进行实际和技术演示。这种技术必须通过IPC或其他工业标准的某些测试。

Matties：你所说的这些内容是制造商愿意看到的价值，但这个工艺中某些产品的性能表现也会给终端用户带来实实在在的价值，不论是成本方面还是时间方面。

Veri：确实是这样。

Matties：这取决于制造商希望做什么，这个工艺对于他们工厂而言是很有价值的。他们需要决定与他们的OEM共享这些优势的意愿程度，从而让OEM愿意采纳这项技术。

Veri：每年，他们都要面临来自全球的价格和时间竞争压力。

Matties：行业计划建立更多数字工厂，这个事实意味着这种工艺在很大程度上能满足那些高瞻远瞩的制造商的要求。

Veri：例如，客户排列好一个需要自动化系统加工班次，我们就在这个位置安装我们的设备。他们可以在第二个班次或一整夜都运行这个系统（不论他们的班次设置是什么样的），然后等早上来上班的时候完成打印的电路板就已经排列好了。我们的客户不需要安排操作员站在工具旁监工；他们只需要准备好材料配方、图像和基板就可以。送入系统之后，机器通过读取条形码就能知道有哪些产品送入了机器当中，按这个条形码配置的材料配方添加材料；所有步骤都是用数字方法完成的。

Matties：可以在工艺流程中对在制板进行在线检查吗？

Veri：目前我们没有这样做，但未来我们会这样做，因为这是工业4．0的一部分要求。

Matties：你必须要具备序列化和跟踪能力。

Veri：我们可以在瞄准打印阻焊层的同时添加序列化功能和打印跟踪特征。我们现在已经为其他行业实现了这一点，不久之后也可以在这一领域内实现这些功能。

Matties：这并不是一个无法实现的技术，只是这项技术还没有被广泛采纳。

Veri：没错。