Se si considera l'idea di produrre digitalmente le schede, è necessario considerare tutti i vari processi di rivestimento che utilizzano l’etch resist. A causa delle elevate viscosità o delle dimensioni delle particelle, il metodo a getto d'inchiostro appare piuttosto limitato, ma un PCB prodotto in modalità digitale con processo additivo, diventa un argomento molto interessante.
Come processo di stampa digitale, il processo inkjet di solder resist offre la possibilità di un'applicazione finemente strutturata di materiale. Le consuete fasi di processo possono essere eliminate, con conseguente enorme risparmio. Dal punto di vista tecnico, il processo di stampa inkjet applica diversi strati in modo da ottenere un'elevata copertura nelle aree critiche, anche dei bordi, seppure con spessori ridotti.
Tuttavia, si dovranno affrontare sfide particolari a causa della formulazione del materialepoiché le proprietà di base richieste (bassissima viscosità e particelle di piccole dimensioni) limitano notevolmente il numero di materie prime idonee.
Il processo di stampa in sé rappresenta un'ulteriore sfida: è di fondamentale importanza scegliere una testina di stampa e una stampante adatte, in modo da soddisfare i requisiti di risoluzione e velocità di processo.
Le prestazioni del processo inkjet
La stampa inkjet può essere effettuata esattamente dove necessita il solder resist. Questo presenta il vantaggio di un risparmio piuttosto consistente rispetto al resist fotostampabile; la stampa viene effettuata solo dove è necessario, evitando di coprire aree non significative.
Inoltre, sono eliminate numerose fasi con risparmi su più fronti (spazio, materiali, energia elettrica, personale). L'eliminazione di molte fasi di produzione (fig1), alcune delle quali presentano finestre di processo ridotte e quindi un elevato potenziale di errore, aumentala resa.
La flessibilità è un altro vantaggio. Le modifiche al layout del solder resist possono essere implementate direttamente in digitale, rendendo superfluo creare nuove pellicole di esposizione, con ulteriori risparmi (tempo incluso).
Possono essere realizzate piccole serie, fino al singolo pezzo, in modo flessibile e rapido.
Non meno importante è che la stampa inkjet consente di realizzare diversi spessori di rivestimento su ogni lato del PCB.
Un'elevata copertura dei bordi, combinata con bassi spessori sul rame e tra i conduttori, consente un'elevata rigidità dielettrica senza influire negativamente sull'assemblaggio, come potrebbe verificarsi con metodi di rivestimento alternativi.
È possibile personalizzare le aree in cui gli spessori di rivestimento elevati non sono necessari o rappresentano addirittura un ostacolo. Ad esempio, l'altezza del solder dam e lo spessore dello strato sul conduttore possono essere ottimizzati indipendentemente l'uno dall'altro.
Laddove siano richiesti diversi spessori di rame su un lato del PCB, ad esempio nel caso di una combinazione di aree ad alta densità di corrente con normali conduttori di controllo (sezione di potenza e sezione di controllo), la stampa inkjet apre prospettive completamente nuove.
Il metodo di stampa inkjet consente di realizzare dighe di saldatura tra le connessioni dei componenti SMT ad alta densità, prevenendo così i cortocircuiti causati dalla lega in rifusione.
È possibile raggiungere un rapporto di circa 1:1 (aspect ratio), ovvero una larghezza della pista di 40 µm con uno spessore di 40 µm.
La polimerizzazione completa del resist all’interno dei fori di via o la possibilità di ottenere fori liberi sono problematiche. I fori con residui di solder resist non completamente polimerizzato causano vari problemi durante l'assemblaggio, ma possono essere lasciati liberi quando si utilizza la tecnologia inkjet.
Stato attuale della tecnologia di stampa inkjet
Tramite la testina di stampa inkjet, il resist viene spruzzato senza alcun contatto sul substrato in piccole gocce, proprio come avviene con una stampante a getto d'inchiostro. Sono disponibili due diversi metodi per le teste di stampa industriali: il metodo continuo e il metodo drop-on-demand (DOD).
Nel caso del processo a getto continuo, il resist è in circolazione costante. Nella testina di stampa, il getto viene suddiviso in singole goccioline mediante un elemento oscillante, producendo così fino a 100.000 goccioline al secondo. Queste goccioline vengono deviate sulla superficie per polarizzazione.
Con il metodo DOD, il resist viene rilasciato solo quando necessario. Le teste di stampa si differenziano in base alle seguenti tecnologie: tecnologia a valvola, getto termico (TIJ) e getto piezoelettrico (PIJ).
La tecnologia inkjet termico utilizza un piccolo elemento elettrico riscaldante. Il materialeviene riscaldato fino a formare una bolla di gas. Attraverso l'espansione di questa bolla, una goccia viene espulsa dall'ugello.
I sistemi piezo inkjet generano goccioline applicando una tensione a un dispositivo ceramico piezoelettrico. Le loro testine di stampa possono contenere fino a quattro file di 500 ugelli ciascuna. Il diametro di questi ugelli è inferiore a quello di un capello umano e ogni singolo ugello può emettere fino a 100.000 gocce al secondo. La singola goccia si muove a una velocità che può raggiungere i 10 metri al secondo. I solder resist della serie Elpejet IJ 2467 sono realizzati su misura per i sistemi a getto piezoelettrico.
Per la lavorazione dei solder resist vengono attualmente utilizzate due diverse tipologie di testine di stampa della gamma piezoelettrica DoD: la serie KM 1024i di Konica Minolta e la Samba G3L di Fuji Film. Grazie ai suoi laboratori ben attrezzati, Peters non solo garantisce la compatibilità con tutte le testine di stampa presenti sul mercato, ma dispone anche di un campione di ogni tipo di testina disponibile per eseguire i test.
Funzionante senza riscaldamento e con una viscosità relativamente limitata, la testina di stampa Samba G3L è stata progettata come sistema a circolazione pura. Grazie al volume ridotto delle gocce offre un'altissima risoluzione (strutture molto fini fino a 10 µm).
Disponibile in diversi design, KM 1024i consente la lavorazione di materiali ad alta viscosità. La versione con volume delle gocce di 6 pL è paragonabile a Samba G3L, ma congocce più grandi, è possibile raggiungere una dimensione fino a circa 30 µm. Con la versione da 13 pL, la risoluzione è inferiore, ma sono necessari meno passaggi grazie alla maggiore quantità di rivestimento applicata.
Stampanti per la produzione in serie
Le stampanti attualmente adatte alla produzione in serie sono prodotte da Suss MicroTec, Notion, Microcraft e KLA. Generalmente, queste stampanti montano da 6 a 16 testine di stampa DoD. Le stampanti di alcuni produttori possono anche essere dotate di correzione automatica degli ugelli. Ciò garantisce un risultato di stampa corretto con elevata precisione. Ogni stampante funziona con un elevato grado di allineamento che consente di compensare l'offset, la rotazione o la distorsione. L'allineamento utilizza un sistema a 4 punti. I PCB vengono fissati tramite una tavola a vuoto, con aree di vuoto regolabili. È possibile utilizzare morsetti di fissaggio aggiuntivi per contrastare distorsioni e deformazioni. Queste stampanti possono lavorare con schede di diverse dimensioni, fino a 24” × 28”. Il tempo ciclo usuale, inclusi allineamento e stampa, è di circa 30 secondi per lato. La maggior parte delle stampanti è adatta anche all'integrazione in linea (con unità di ribaltamento automatica).
Dato l’ingente volume di dati da elaborare per ogni stampa, questo è l'attuale collo di bottiglia, ma se i dati vengono preparati esternamente ed elaborati da un computer ad alte prestazioni, il tempo di ciclo è significativamente più breve.
Solder resist per inkjet
I solder resist per inkjet sono generalmente privi di solventi o formulati come materiali ad alto contenuto di solido, che sono polimerizzati con UV. Nella maggior parte dei casi è richiesto un passaggio termico finale.
Nella stampa inkjet, i materiali devono essere abbinati in termini di viscosità e tensione superficiale; è necessaria una viscosità di 5-20 mPas per ottenere proprietà di stampa adeguate. Per raggiungere questa viscosità, è indispensabile una percentuale molto elevata di monomeri (fino al 75%). Il resist deve anche soddisfare le proprietà di resistenza alla saldatura (temperatura, flussante).
Un'altra sfida è il fatto che il diametro dell'ugello di circa 5 µm limita la granulometria dei pigmenti. Ciò significa avere pigmenti con una granulometria massima di 500 nm e mantenerli stabili senza causare sedimentazione o flocculazione. A seconda della testina di stampa e del solder resist selezionati, è necessario impostare variabili di processo (layout, intensità UV, velocità di stampa) adeguate a ottenere le proprietà finali desiderate.
Anche il pretrattamento del PCB per una bagnatura/adesione ottimale gioca un ruolo importante. Tutti i solder resist per inkjet sono ampiamente conformi allo standard IPC, mentre si differenziano dai solder resist convenzionali in termini di lucentezza, copertura e colore per via della loro particolare struttura.
I solder resist Elpejet IJ 2467 sono caratterizzati da un elevato spessore (fino a 40 µm per strato). Il solder resist viene stampato in diverse fasi, come nel caso della stampa 3D. Le strutture 3D possono servire anche come elementi grafici, marchi o loghi.
Elpejet 2467 può essere utilizzato per aumentare l’isolamento delle aree e degli elementi conduttivi adiacenti sulla superficie del PCB. Ad esempio il valore di isolamento può essere aumentato significativamente, mantenendo invariata la distanza tra le aree conduttive sulla superficie del PCB.
Grazie alla tecnologia di stampa additiva, è sufficiente stampare il resist solo sulle aree del circuito che devono essere protette (tracce e superfici in rame) e a seconda della disposizione del rame, è possibile risparmiare fino al 90% di solder resist.
Sotto il profilo del consumo energetico, con la tecnologia inkjet, per 1000 m² di circuito stampato prodotto si stima un risparmio del 43% di kWh.
