通过铜纳米喷墨打印制造PCB,这会是PCB制造的革命性技术吗?

 通过铜纳米喷墨打印制造PCB,这会是PCB制造的革命性技术吗?

当我们谈论PCBPrinted Circuit Board),即“印制电路板”时,许多人可能会望文生义,认为PCB是在绝缘基板上通过打印出导电线路来制造的。

其实情况并非如此,当前最常见、最主流的PCB制造工艺采用的是减法工艺(Subtractive Process),其核心思想是从一块完整的覆铜基板(Copper-Clad Laminate, CCL)开始,通过一系列化学和物理方法,“减去” 不需要的部分铜,从而留下所需的铜箔形成电路图形。

减法工艺中与“Printed”相关的工艺应该是“图形转移”,包括以下主要工序:

贴干膜 : 在板子表面压合一层对紫外线(UV)敏感的光刻胶,也叫“干膜”

激光直接成像 (Laser Direct Imaging, LDI) – 线路曝光:CAM工程师将Gerber设计文件直接加载到LDI设备中。设备内部由计算机控制的高精度激光束,像打印机一样直接在覆有光刻胶的覆铜板面上进行扫描,并精确地进行曝光,使光刻胶发生聚合反应而硬化形成保护层。

显影: 将经过LDI曝光的板子浸入显影液(如碳酸钠溶液)中。未被激光曝光的干膜被溶解、冲洗掉,露出部分铜箔。而已被激光曝光硬化的干膜则牢固地附着在铜面上,保护着下方的铜。

图形电镀:目的是加厚线路和孔内的铜层,并为后续的蚀刻步骤做准备。工序包括:

  1. 二次镀铜: 将板子作为阴极,进行电镀。电流会使铜离子沉积在所有裸露的铜表面上(即显影后露出的线路和孔壁),使其厚度增加到设计要求,确保足够的载流能力。

  1. 镀锡/铅锡合金: 在加厚铜层之后,再电镀上一层薄薄的锡(或铅锡合金)。这层锡的作用是抗蚀剂,保护其下方的铜线路在下一步蚀刻中不被腐蚀。

蚀刻:将所有未受保护的铜腐蚀掉。

  1. 去膜: 首先,用化学方法剥除之前硬化的干膜,这样,板上就只剩下两种区域:被锡层保护的铜线路,和完全裸露的、不需要的铜箔。

  2. 蚀刻: 将板子送入蚀刻机,喷淋强腐蚀性溶液(如酸性氯化铜)。溶液会迅速溶解掉所有裸露的铜,而被锡层保护的铜线路则完好无损。

  3. 剥锡: 蚀刻完成后,再用化学方法将保护线路的锡层剥离,至此,我们需要的铜电路图形就完全显现出来了。

以上减法工艺的过程由PCB之父奥地利工程师保罗·艾斯勒(Paul Eisler)1936年发明,其本质是将覆铜板的铜箔“减除”,而非直接在绝缘基板上“印制”电路

不过,还真的有直接打印出电路图案的制造方法,业界称为”加法工艺(Additive Process)“,这种工艺是直接在空白的绝缘基板上,通过电镀或喷墨打印等方式,只在需要的地方“添加”上铜,形成电路图案,老wu觉得,这才是真·印制的方式生产的电路板 ( ̄▽ ̄)”

其实加法工艺比减法工艺诞生更早一些,早在1925年,一位名叫查尔斯·杜卡斯的美国发明家提交了一项专利,描述了在绝缘基板上通过电镀的方式直接形成导电路径的方法。他先在基板上印上不导电的“非电路部分”图案,然后将整个板子电镀,铜只会附着在没有被遮盖的区域,从而形成线路,这被认为是真正意义上的“加法工艺”。

加法工艺比减法工艺诞生更早,但其因为在成本、速度、可靠性工艺成熟度等关键工业化指标上,长期以来无法与已经高度优化的减法工艺相抗衡,所以加法工艺并没有成为PCB制造的主流工艺。

不过,老wu最近在油管上Charbax的频道上分享的视频发现,日本有家名为Elephantech的初创公司正在深耕加法工艺,其研发的SustainaCircuits技术,通过创新的纳米铜油墨喷墨打印技术,实现了真正的“加法制造”,正悄然掀起一场可能颠覆整个行业的革命。

这是相关的视频报道:

“减法工艺”成熟稳定,但也有其痛点:

  1. 惊人的资源浪费:传统减法工艺中,高达70-80%的铜箔会在蚀刻过程中被当做废料去除(参考Elephantech公司给出的数据),造成巨大的材料浪费。对于结构更复杂的多层PCB,每一层都需要从整片铜箔开始加工,浪费问题更为严重。

  2. 严重的环境污染:制造过程需要消耗大量的强酸、强碱蚀刻液和含有重金属的电镀液,这些化学废液的处理对环境构成了巨大压力。

  3. 高昂的制造成本与复杂度:制造一块多层PCB通常需要20至30道工序,包括层压、钻孔、电镀、蚀刻等,流程繁琐,不仅增加了制造成本,也消耗了大量能源。

SustainaCircuits™:加法工艺的颠覆性突破

 

Elephantech的SustainaCircuits™技术,通过转向“加法工艺”,从根本上解决了上述难题。该技术的核心是只在需要形成电路的地方,利用高精度喷墨打印设备,直接印刷特殊配方的纳米铜油墨,从而形成导电线路。

相对于早期的加法工艺,SustainaCircuits技术带来了几项关键的技术创新:

  • 攻克刚性基板(FR-4)兼容性:FR-4是应用最广泛的刚性PCB基板。Elephantech开发了专门的底漆(Primer)和纳米铜油墨配方,解决了打印工艺在FR-4粗糙表面上的附着力难题。新技术确保了在150°C高温下持续240小时后,附着强度仍能保持在1.0N/mm以上,满足了电子产品的严苛要求。

  • 实现真正的多层化能力:多层板的难点在于层间连接(过孔)。SustainaCircuits™技术开发了创新的过孔填充技术,可以在同一印刷步骤中同步形成电路和层间连接的过孔,极大地简化了流程。目前,该公司已成功制造出4层和8层的PCB样品。

  • 线路精细化:通过优化油墨与底漆的组合,并将打印设备精度提升,该技术已能实现50/50μm(≈ 2mil/2mil)的线宽/线距,相比之前的100/100μm有了显著进步,满足了更高密度的布线需求。

  • 大电流承载能力:传统印刷电子技术的导电层厚度有限(约10μm),难以应用于功率电子。新技术通过结合印刷和电镀工艺,可以选择性地将铜层厚度增加到100μm以上,使其能够承载更大电流。

新技术将带来怎样的深远影响?

这项技术的突破,预示着对PCB产业链的深远影响:

  1. 巨大的经济效益:Elephantech估算,通过减少70%的铜使用量,这项技术每年有望为全球PCB制造业节省超过1万亿日元(约495亿人民币)的材料成本。同时,简化的工艺流程能大幅减少设备、化学品和能源消耗,进一步降低制造成本。

  2. 显著的环境贡献:SustainaCircuits™技术因其“按需添加”的特性,能够减少70-80%的铜消耗和95%的水资源消耗。这不仅节约了宝贵的金属资源,还从源头上减少了化学废液的产生和碳排放,是推动电子产业走向绿色可持续发展的关键一步。

  3. 颠覆性的市场格局:这项技术可以覆盖到78%的PCB制造主流市场。随着技术的成熟和产能的建立,传统PCB制造商将面临转型的压力。与此同时,如光宝科技(LITEON)等大型电子制造商已经与Elephantech深化合作,计划投资其生产设备并升级产线,以打造低碳供应链。

未来展望与挑战

尽管前景广阔,SustainaCircuits™技术仍处于产业化的初期阶段。当前的技术在最小线宽/线距(50/50μm)方面,与顶尖高密度互连板(HDI)的要求相比仍有差距,且主要验证于FR-4基板,向更多基板类型的拓展仍在进行中。

Elephantech计划于2025年上半年开始向合作伙伴提供原型样品,并逐步建立量产能力。 他们的商业模式也相当灵活,除了自建工厂,也会考虑向合作伙伴提供设备和材料。

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吴川斌

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