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PCB制板中触变性对油墨性能的影响浅析



核心摘要:油墨使用的成败,直接影响到PCB出货的总体技术要求和品质指标。为此,PCB生产厂家都非常重视油墨的性能优劣。除油墨粘度广为人知之外,作为油墨的触变性往往被人们所忽略。而它对网印的效果却起着非同小可的作用。为了更清楚地说明触变性对网印效果的影响,我们还必须从最基本的油墨以及丝印的原理讲起。然后再引进触变性这个概念。

在现代PCB的整个生产制程中,油墨已成为PCB制作工艺中不可缺少的辅助材料之一。它在PCB制程用材中占据着非常重要的地位。油墨使用的成败,直接影响到PCB出货的总体技术要求和品质指标。为此,PCB生产厂家都非常重视油墨的性能优劣。除油墨粘度广为人知之外,作为油墨的触变性往往被人们所忽略。而它对网印的效果却起着非同小可的作用。

为了更清楚地说明触变性对网印效果的影响,我们还必须从最基本的油墨以及丝印的原理讲起。然后再引进触变性这个概念。下面我们就PCB制板中触变性对油墨性能的影响进行分析探索:

一、丝网

丝网是网印工艺中不可缺少的材料之一。缺少丝网便不可称之为网印,丝网是网印工艺的灵魂。丝网几乎都是丝织物(当然也有非丝织物的)。

以材料区分一般为:尼龙、聚脂、不锈钢

以编织方法可分为:平织、绫织

以丝的结构可分为:单股、多股

以网的粗细可分为:s(薄型)、t(中型)、hd(重型)

以网的目数可大致分为:低目数、中目数、高目数

PCB行业中,最为常用的是t型网。s及hd型网,除个别特殊需要情况之外,一般都不采用。这是由于PCB行业是一个高科技的专业性极强的行业,它不同于制作单纯的手工及艺术性的技艺,一般手工及艺术性的技艺其要求的技术层次并不高,它只要能满足或达到人的视觉效果就可以了。而对PCB,就不仅仅是看得整洁漂亮就行了,PCB要用在有电流导通及有信号传输上,它必须达到电性能要求精细的几何尺寸,而这几何尺寸是需要进行严格的度量的。因此,我们对几个重要的与丝网有关的技术参数要了解。

①丝网的厚度:

厚度是指丝网在无张力状态下,静置时厚度的测定值。此测定值是从丈量数据中得出的统计均匀值,用μm表示。厚度由构成丝网的丝的直径决定,与丝网透墨量有关。

②丝网的开孔面积率:

是网孔面积与丝网面积的比值,用百分比%来表示,这数值越大,则网孔的开度就越大。

③丝网的透墨量:

这里指的是理论值,在实际网印生产中,透墨量会受丝网的材质、性能、规格油墨的粘度、颜料的细度、油墨的触变性,刮板的硬度、印刷的压力、印刷的速度、触网距等的因素影响有关。

油墨透墨量=丝网厚度ftx丝网开孔面积率x10000。

=ft。w2/(w+d)2。10000(单位:cm3/m2)

以上三项技术指标与下文所讨论的内容有着非常密切的关系。

二.油墨

是指用于印制板的有色胶状物质。常由合成树脂、挥发性溶剂、油类和填充剂、干燥剂、颜料和稀释剂等组成。常称油墨。

㈠油墨的组成:

1.树脂:树脂是形成墨膜,决定油墨性能的重要组成成分。著名的PCB油墨品牌,都有自己的专利配方。平时我们所说的该品牌油墨性能如何优良。实在是树脂在里面起作非常重要的作用,是它决定了油墨的操纵性、光泽度、粘结性、硬度、耐水性、耐溶剂性、耐酸碱性、耐温性等等。

2.溶剂:溶剂的功能:

①溶解树脂。使之成为良好的连结料;

②溶解颜料和助剂;

③调节油墨粘度;

④调节油墨的干燥速度;

⑤对承印物的溶解渗透,增强附着力。

油墨的溶剂并不是单一品种和但一组份的。因考虑到溶解力和干燥速度的题目,溶剂多数为混合性物。不同的油墨,不同的用途,就有不同的溶剂。所以油墨生产商会配有几种不同类型的溶剂。而针对一种油墨只答应有一至两种类型的溶剂可以配用。一般来说,对于同一个油墨生产商,由于其研发采用的树脂体系基本上是确定的,所以,同一个油墨生产商生产的油墨,其所提供的溶剂可以通用。举例来说,英国coates生产的油墨,只要是英国coates所生产的溶剂,基本上都可以通用。但是,我们还是坚持一种油墨应配用相配套的专用稀释剂。

⑴coates提供的稀释剂系列产品

⑵coates产品与之对应配套的稀释剂

随意配用稀释剂,会导致油墨的凝胶(结块),剥落,颜色不均,耐化学性、抗热冲击性、附着力下降等不良毛病。那种不管什么油墨,都把"防白水""783"当成万能溶剂往里加的做法,是不正确的。

3.色料:主要是使用颜料。颜料按种别分,可分为有机颜料和无机颜料。有机颜料系指非矿物质类,其色彩绚丽,色谱齐全,但通常遮盖力不好。无机颜料是指矿物质类。如:钛白、锌白、铁蓝、碳黑等,它们的遮盖力好,耐光耐老化性强,PCB油墨多属此类油墨。

颜料除做为色料外,同时对于油墨的耐光性,耐热性、耐熔剂性、耐化学品性等方面也起着一定的作用。

4.助剂:油墨中添加助剂的目的是为了改善油墨的物理性能,增强油墨的印刷适性,进步印刷效果。助剂包括:消泡剂、分散剂、稀释剂、均匀剂、牢固剂、颜色分离阻止剂、沉淀阻止剂、增塑剂、偶联剂、紫外线吸收剂、催化剂、增稠剂等等。

三.PCB油墨几个重要的技术性能

PCB油墨品质是否优异,原则上不可能脱离以上几大组分的组合。油墨品质优异,是配方的科学性,先进性以及环保性的综合体现。其体现在:

①粘度:是动力粘度(dynamicviscosity)的简称。一般用viscosity表示,即流体活动的剪切应力除以流层方向的速度梯度,国际单位为帕/秒(pa。s)或毫帕/秒(mpa。s)。在PCB生产中是指油墨受到外力推动产生的活动性。

粘度单位的换算关系:

1pa。s=10p=1000mpa。s=1000cp=10dpa.s

②可塑性:指油墨受外力作用发生变形后,仍保持其变形前的性质。油墨的可塑性有利于进步印刷精度;

③触变性:(thixotropic)油墨在静置时呈胶状,而受到触动时粘度发生变化的一种性质,又称摇变性、抗流挂性;

④活动性:(流平性)油墨在外力作用下,向四周展开的程度。活动度是粘度的倒数,活动度与油墨的塑性和触变性有关。塑性和触变性大的,活动性就大;活动性大的则印迹轻易扩大。活动性小的,易出现结网,产生结墨现象,亦称网纹;

⑤粘弹性:指油墨在刮板刮印后,被剪切断裂的油墨迅速回弹的性能。要求油墨变形速度快,油墨回弹迅速才能有利于印刷;

⑥干燥性:要求油墨在网版上的干燥愈慢愈好,而希看油墨转移到承印物上之后,则要求越快越好;

⑦细度:颜料及固体料颗粒的大小,PCB油墨一般小于10μm,细度的大小应小于网孔开度的三分之一;

⑧拉丝性:用墨铲挑起油墨时,丝状的油墨拉伸不断裂的程度称为拉丝性。墨丝长,在油墨面及印刷面出现很多细丝,使承印物及印版沾脏,甚至无法印刷;

⑨油墨的透明度和遮盖力:对于PCB油墨,根据用途和要求的不同,对油墨的透明度和遮盖力也提出各种要求。一般来说,线路油墨、导电油墨和字符油墨,都要求有高的遮盖力。而阻焊剂则比较灵活。

⑩油墨的耐化学品性:PCB油墨根据使用目的的不同,相应要求对酸、碱、盐和溶剂等要求都有严格的标准;

⑾油墨的耐物理特性:PCB油墨必须符合耐外力划伤、耐热冲击、抗机械剥离,以及达到各种严格的电气性能要求;

⑿油墨的使用安全和环保性:PCB油墨要求具备低毒、无臭、安全和环保型。

以上我们回纳了十二个PCB油墨的基本性能,而其中在网印的实际操纵过程中,与操纵者密切相关的是粘度题目。粘度的高低,对丝印的顺当与否,关系极大。所以在PCB油墨技术文件和qc报告中,粘度都标注得清清楚楚,指明在什么条件下,用什么类型的粘度测试仪器等。在实际印刷过程中,假如油墨粘度偏高,会造成漏印困难,图形边沿锯齿严重,为了改善印刷效果,就会加进稀释剂,使粘度达到要求。但不难发现,在很多场合下,为了想获得理想的分辨率(解像力),不管你采用什么粘度,都始终无法实现。为什么呢?经深进研究之后,才发现,油墨粘度是个重要的因数,但并非唯一的。还有另一个相当的重要因数--------触变性。是它,也在影响着印刷精度。

四.触变性:(thixotropic)

粘度与触变性是两个不同的物理概念,可以这样来理解,触变性是油墨粘度发生变化的表征。

油墨在一定的恒温下,假设油墨内的溶剂没有很快挥发,这时油墨的黏度是不会改变的,粘度与时间没有关系,粘度不是一个变量,而是一个常数。

当油墨被外力作用(搅拌)之下,粘度即发生变化,随着作用力的延续,粘度会继续变小,但不会无穷制的下降,到了一定的极限而停止。而当外力作用消失之后,经过一定时间的静置,油墨又能自动逐渐恢复到初始的状态。我们将这种在外力作用下,油墨粘度随着时间的延长而下降,但当外力消失之后,又能恢复到原来粘度的可逆物理特性称之为触变性。触变性是一个在外力作用下,与时间有关的变量。

在外力作用下,作用力持续时间越短,粘度下降得明显的,我们就称这种油墨的触变性大;相反,假如黏度下降不明显,就称触变性小。

五.油墨触变性的反应机理和控制

触变性到底是怎么一回事呢?为何油墨在外力的作用下,黏度会变小,而外力消失,静置一定时间后,又能恢复原来的粘度?

决定油墨是否具备触变性的必要条件,首先是带有粘性的树脂,其次是填充有一定体积比例的填料及色料粒子。树脂、填料、色料、助剂等经过研磨加工之后,非常均匀的混合在一起,它们是一种混合物。在未接受外来热能或紫外线光能作用的状态下,它们以一种不规则的离子团存在。在常态下,它们由于互相吸引而有序的排列,表现出高粘度的状态,但并不发生化学反应。而一旦受到外来的机械作用力,打乱了原来有序的排列,切断了互相的吸引链,成为无序的混乱状态,表现出粘度变低。这就是我们平时所看到的油墨由稠变稀的现象。我们可以用下面一个闭合循环的可逆过程图来形象地表达触变性的全过程。

不难发现,油墨中固体的含量多少,固体的外形大小,都将决定着油墨的触变性能。当然,对于本来粘度就非常低的液体,就谈不上什么触变性了。但为了使它变成具有触变性的油墨,在技术上可以采取添加一种助剂,从而使油墨的粘度发生变化提升,使其具有触变性。此助剂称之为触变剂(thixotropicagent)。所以油墨的触变性是可控的。

六.触变性的实际应用

在实际应用中,并非触变性越大越好,也不是越小越好。而是适可而止。油墨由于具有触变性能,非常适用于采用网印的工艺。使得丝印操纵变得轻松自如,油墨网印时,在网上的油墨被胶刮推动下,发生转动和挤压,油墨的粘度变低,利于透墨。油墨网印到PCB基板后,由于粘度未能很快回复,存在一个适当的流平空间,使油墨缓慢活动,而达到回复平衡时,所网印的图形边沿就会得到满足的平直度。


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