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第二十二章 工業印刷

    在科學技術蓬勃發展的二十世紀,嚴格地講,科學技術的應用領域是沒有邊界的。十九世紀 發明 的照相術,應用於印刷工業,產生了照相製版術;應用於電影拍片,就是電影攝影術。印刷 術不僅可以用於書報刊的圖文印刷,用於有價證券印刷,廣而 言之,凡是需要完成圖文轉印複製的地方,都有印刷術的用武之地。

    本章的〞工業印刷〞,是指在其他某些工業產品的生產中,應用了印 刷術的圖文轉印複製技術。這些工業一般說不屬於印刷工業,它們生產出的的產品也不是印 刷產品, 但是它讓人們看到,在更廣闊的工業生產領域li1,印刷術一次又一次顯示了它的勃勃生機。

第一節 電子印刷

    在電子產品中,早期的印刷線路板的製作,七十年代以來的集成電路板的生產,都用到了印 刷術中照相圖文複製和曬版腐蝕技術。應該說,這是印刷術對現代文明的又一貢獻。

一、印刷電路

    早期的收音機、電視機中各種元器件,如電阻、電容器、電子管等,都是先安裝在基板或底 座上,再用導線焊接聯接而成。這種生產加工方式不但生產效率低,產品性能差,產品體積 也大。為了提高電子產品的可靠性,縮小體積,從五十年代開始,人們把事先設計好的線路 圖 ,用照相製版的方式做成照相原版,再用曬版的方式,把線路圖曬制到覆有銅箔的絕緣板上 ,然後用化學腐蝕的方法,使需要有導線聯接的地方,銅箔層被保留下來,不需要導電的部 位銅箔層被腐蝕掉,成為絕緣層。最後經過打孔、電鍍、整飾加工,就成為印刷電路板。它 除了形成一定的導電線路外,還具有一定的厚度和強度,實際上起著兩個作用:一是作為相 關的一些電子元器件的承載體;二是聯接這些元器件的導電體。把它安裝在電子產品中, 它只是整體電子產品的一個部件。

    由於印刷電路板的製作方法同印刷工業中的銅鋅版制做方法基本相似,所以自六十年代以來 , 北京、天津、瀋陽、上海、廣州等城市一些印刷廠或銅鋅版製版廠除為印刷業制做銅鋅版以 外,也承攬一些印刷電路板的加工制做任務。也有的是在生產電子產品的工廠設印刷電路板 製作車間。名字雖然叫〞印刷電路板〞,但它不是用印刷印出來的,而是用印刷術中照相制 版術的方法製作的,也可以說是印刷術同電子技術相結合的結果。

1.印刷電路的基板

    印刷電路的基板主要由兩部分組成:絕緣層和導電層。絕緣層是將增強材料如布、紙、石棉 、尼龍纖維布或玻璃纖維布經過在粘結材料樹脂溶液中浸漬烘乾後層壓而成。導電層則是將 銅箔壓制在樹脂層上而成。

    (1)增強材料。它是印刷電路板的骨架,一般用布、紙、石棉、尼龍纖維布或玻璃纖維布。初期用過棉布。但由於棉布的吸濕性強,機械強度不高,後來被其他纖維材料取代,用的比較多的有絕緣紙 和玻璃纖維布。

    (2)粘結材料。纖維增強材料經過浸漬粘結劑溶液以後,粘結劑的樹脂高分子充滿了纖維之間的空隙,經烘 干壓制以後,就成為絕緣板,不僅增強了纖維的絕緣性能,也把纖維層粘結成為一個整體。早期的粘結材料一般用酚醛樹脂。這種材料來源方便,價錢便宜,還具有較好的絕緣性能和 機械強度。進入八十年代以後,隨著電子技術的發展,人們對印刷電路板的性能要求也日 益 提高。又開發出性能更好的環氧樹脂作粘結材料。環氧樹脂在電絕緣性、熱穩定性、防潮防 滲性等方面均優於酚醛樹脂,只是價格比前者要貴一些。

    (3)導電材料。印刷電路板的導電材料主要是用電鍍方法生產的銅箔。從導電性要求,銅箔的純度當然是越 純越好,至少不低於99.5%。銅箔的厚度可根據印刷電路板的設計要求來選擇。國內採用的 銅箔厚度一般為35∼50微米,也有比這薄的如10微米、18微米;和比這厚的如70微米。

    (4)覆銅箔層壓板。將增強纖維材料浸漬在粘結樹脂材料溶液中,烘乾後層疊,同導電銅箔一起在加熱條件下經 一定時間壓制即成為制做印刷電路(基)板的覆銅箔層壓板。覆銅箔層壓板有單面、雙面覆銅箔之分,可根據電子產品的需要選用。

2.照相底片

    設計人員按照電子線路的要求設計出圖紙。以圖紙作原稿,在製版照相機上進行拍照,作出 照相底片。由於下一步蝕刻曬版感光膠性質的不同,照相底片可以是陽片,也可以是陰片。如果蝕刻曬版感光膠是負性的,像重鉻酸鹽明膠感光膠,照相底版用陰片;如果曬版感 光膠是正性的,則照相底版用陰片考貝陽片的方法,制做出陽片。印刷電路的設計圖上一 般都是線條、符號、文字和實地塊,沒有連續階調的變化。拍出的陰片和考貝出的陽片應該 是黑白分明,線條邊緣整齊光滑,有足夠的密度反差。這是製作印刷電路板品質好壞的關 鍵。

3.印刷電路板的製作

    製作印刷電路板有多種工藝方法,有腐蝕法,也有電鍍法,自五十年代以來用的比較多的是 腐 蝕法。但自從八十年代以後,隨著網版印刷技術的日益完善和在電子工業中的廣泛應用,用 網版印刷絕緣層然後電鍍的方法製作印刷電路板也很普遍。後者在下文另行敘述。這li1主要 講腐蝕法。這是傳統的印刷電路板製作方法,工藝過程大致如下:

    (1)在基板上塗布感光膠。早期曬制印刷電路板常用蛋白、明膠或蟲膠加重鉻酸鹽配製成感光膠。七十年代以後 ,由於國產聚乙烯醇大量面市,遂改進應用聚乙烯醇重鉻酸鹽感光膠。首先在銅箔表面用木炭磨光,用稀鹽酸清洗,塗布感光膠,烘乾。

    (2)曝光、顯影、修整、烘烤。這步操作同銅鋅版制做方法基本像似。

    (3)腐蝕。製作印刷電路板應用比較多的是化學腐蝕法。七十年代以前主要用三氯化鐵溶液在專用腐蝕 機 中進行腐蝕。由於三氯化鐵腐蝕溶液回收比較困難,又污染環境,七十年代以後,有不少工 廠 逐漸改用酸性氯化銅溶液進行腐蝕。酸性氯化銅溶液是在CuCl◆2溶液中加進鹽酸,在腐蝕 溶液與銅進行化學反應時,銅被腐蝕,生成氯化亞銅CuCl。當腐蝕溶液中CuCl◆2的含量降 低到一定程度時,溶液就失去了對銅的腐蝕能力。這時可往腐蝕溶液中通入具有強氧化能力 的氯氣Cl◆2,把腐蝕溶液中大量積存的氯化亞銅再氧化成氯化銅,重新恢復溶液的腐蝕能 力。

    腐蝕完成以後的電路板,還不是成品。只是採用照相蝕刻法制做印刷電路板的印刷工藝加工 到此告一段落,後面還要經過機械加工,電鍍加工等一系列加工完成後,才成為正式電子產 品。

二、集成電路的光刻技術

    本世紀後半世紀以來,是電子技術突飛猛進的年代,隨著電子技術由晶體管時代進入集成電 路時代,印刷電路板的製作也更加精密化,從而產生了集成電路的光刻技術。它也是從印刷 技術中照相製版技術演變過來的。如果說它同前面敘述的印刷電路的製作有什麼不同的話, 這就是光刻技術加工製作的是電子元器件尺寸更加小型化,線路排布更加密集化,加工設備 更加精密化了的集成電路製作技術。

1.液體光刻膠

    印刷技術與其他工業技術互相滲透、互相影響的實例莫過於電子工業的光刻技術了。集成電 路製作的光刻技術,是從照相製版的銅鋅版製作技術演進而成的。而印刷技術中照相製版術 應用的合成感光樹脂,則是在光刻技術的推動下,蓬勃發展起來的。

    由於重鉻酸鹽感光膠的感光性能和分辨力都不能滿足光刻技術的要求,六十年代初國際上出 現了 人工合成的肉桂酸聚乙烯醇酯的感光樹脂,並率先把它用在電子工業的光刻技術上。六十年 代 中期,本文作者當時在中國人民銀行印製技術研究所工作,曾合成出肉桂酸聚乙烯醇酯感光 樹脂,後因〞文化大革命〞的動亂,研究所被解散,致使這一成果不了了之。六十年代末中 國 科學院化學研究所終於也合成出這一感光樹脂,從七十年代開始,在集成電路的製作上得到 應用。

    肉桂酸聚乙烯醇酯感光膠是負性感光膠,即感光部位的感光膠進一步交聯成更高級的網狀高 分子,因而失去水溶性;未感光部位的感光膠中因為含有聚乙烯醇分子,可以用水顯影去 掉。曝光用的底片,在電子行業稱掩模。因為感光樹脂是負性,所以得用陰片掩模進行曝光 。經曝光、顯影沖洗以後,設計的集成電路的圖樣就被複製到半導體器件上,

2.干膜感光膠

    肉桂酸聚乙烯醇感光膠,雖然其感光性等各方面都比傳統的重鉻酸鹽感光膠優越,但它仍是 液體的,保存和使用多有不便。從七十年代末開始,一種更方便的感光物質在電子行業得到 應用,這就是干膜感光膠。

    利用聚脂薄膜片基作載體,在其上面塗布含有丙烯 基的聚合物。這層聚合物就是一種負性 感光膠膜。待膠膜乾燥後,再覆蓋聚乙烯薄膜作為保護層,使感光膠免受污染。稱它為干膜 感光膠,是因為干膜感光膠可以預先加工製作,長期保存備用,用時只要將聚乙烯薄膜揭去 ,將感光膠膜面對向線路板基銅箔,在加熱、加壓條件下,使感光膜層粘貼附於銅箔上。國 產G11,G21,G31,G41,SXM干膜的貼膜溫度大約在90∼100℃

    干膜的曝光同前述的肉桂酸酯感光膠差不多,有效的波長範圍在320∼400納米。

    曝光完成後,用1∼2%的無水碳酸鈉水溶液顯影。

    為了使未曝光部位的感光膠徹底顯影清除乾淨,顯影鹼水的溫度以40℃為宜。顯影完成 後的修整、腐蝕等加工方法同前述的肉桂酸酯感光膠差不多,不再贅述。

三、網版印刷製作電路板

    隨著網版印刷技術日益精密化的發展,也由於網版印刷承印物多樣化的特點,人們發現網版 印刷在印刷電路的製作中是可以大顯身手的。自八十年代以來,在電子工業中用網版印刷的 方 法製作印刷電路板,成為一個重要的發展勢頭。歸納起來,網版印刷技術在電子產品生產中 ,有以下幾方面應用:

1.用印刷墨層代替感光膠膜層形成抗蝕膜;
2.用印刷墨層在電子器件上形成阻焊層、導線層、電阻元件等;
3.用網版印刷在電子器件上印刷文字、符號、圖案等。

    不過應用最多的還是用網版印刷形成抗蝕膜層,完全取代了感光膠的塗布、曝光、顯影等操 作,從而簡化了印刷電路的製作工藝,降低了成本。不過網版印刷的線條分辨力比起精密的 集 成電路來說,還顯粗糙,所以網版印刷技術的應用主要限於一般的印刷電路。需要指出的是 ,這裡的網版印刷技術,同一般的網版印刷原理上是相同的。設備主要是針對承印件尺寸的 大小有所不同。重要的區別是網版印刷的印墨。根據網版印刷在電子器件制做過程中的功能 來分,印墨有二種類型:

1.耐腐蝕印墨 印刷到銅箔上以後,能很好地粘附在銅箔表面上,在化學腐蝕過程中,能經受酸性腐蝕溶液 的衝擊,保護銅箔層不被腐蝕。

    耐腐蝕印墨一般由瀝青漆、膠印樹脂油墨,酚醛清漆或醇酸清漆加一些填料組成。常用的填 料有鋅鋇白漆、滑石粉等。

2.耐電鍍印墨 如果絲網印刷是為了使電子器件的印刷部位在電鍍過程中成為絕緣層,不被鍍上金屬,那麼 印刷 的圖像對電鍍形成的電路圖來說,應是負性圖像。即在非導線部位有印墨層覆蓋。由於網版 印刷墨層能達到20∼30微米的厚度,在電鍍線條的兩邊形成兩道凸起的高牆,可以有效防止 電鍍過程電鍍層的擴展增寬。

    耐電鍍印墨一般由樹脂油墨,瀝青漆和滑石粉組成,除了上述兩種印墨以外,為了防止焊接 ,印刷標記等,往往也需要應用網版印刷。顯然,不同的印刷目的,選用不同的印墨,從而 顯示出不同的網版印刷功能。

四、銘牌的製作

    銘牌的範圍很廣,像機器上的標牌,儀器儀表上的刻度盤,公司的招牌,店堂的匾牌以及家 用電器上的商標、面板、使用標誌等。由於銘牌既具文字、圖案的標示作用,又有藝術造型 的裝飾效果,因此銘牌的製作在一定程度上反映著時代的氣息和工藝技術水平。

    銘牌的製作要用到圖文的照相腐蝕技術,噴漆、染色裝飾技術以及八十年代以後又採用網版 印 刷、間接平印等印刷技術。一個小小的銘牌,實際上也是展示印刷技術的一個窗口。銘牌制 作工藝的進步,也反映了印刷技術的進步。

1.照相蝕刻銘牌

    六十年代以前,銘牌的應用範圍還不十分廣泛,製作銘牌的材料大多以銅、鋁金屬材料為主 , 銘牌製作工藝以採用照相蝕刻方法為多。這是一種傳統的銘牌加工方法,與凸版製版的銅 鋅版製作比較接近。

    (1)圖文照相。由於銘牌的使用場合和用途不同,有的銘牌的圖文是凸起的(稱陽文),有的圖文是凹下的( 稱陰文)。凸起的圖文曬制時要用陰片;凹下的圖文曬制時要用陽片。所以圖文照相是 製作陰片還是陽片,要由銘牌的製作工藝而定。

    (2)曬制感光板。金屬板面經去污、除油、砂面清洗乾淨涼干以後,塗布感光膠(即成為感光板)。五十年代感 光 膠用明膠、重鉻酸銨配製。六十年代改用聚乙烯醇取代明膠。八十年代以後各種合成樹脂感 光膠 大量應市,除了用聚乙烯醇重鉻酸銨感光膠以外,光交聯型的聚乙烯醇肉桂酸酯感光樹脂、 疊氮化合物酚醛樹脂都已用作感光膠。只不過由於重鉻酸鹽感光膠價格便宜,所以一直在應 用著。

    前面已經說到,對於凸起的陽文銘牌,要用陰片曬制;對於凹下的陰文銘牌,則要使用陽片 曬制。這是對像重鉻酸鹽一類負性感光膠來說的,如果使用光分解或溶解型正性感光膠,則 圖片的陰陽性正好與此相反。

    曬制後立即顯影,使未感光部位的感光膠徹底被水溶解除去乾淨。然後在200℃左右高溫中 烘烤使感光膠分子進一步脫水交聯,形成網狀結構,使其覆蓋部位的金屬在腐蝕過程中不被 腐蝕。

    (3)腐蝕。銅質銘牌的腐蝕與凸版制銅版腐蝕法相同,用三氯化鐵溶液腐蝕。鋁質銘牌的腐蝕方法有用 硫酸、硝酸腐蝕液,有用硫酸銅、三氯化鐵腐蝕液,也有用鹼性腐蝕液。

    (4)塗漆。陽文銘牌凸起的是圖文,腐蝕凹下的是底面;陰文銘牌凹下的是腐蝕出來的圖文,凸出的是 金屬底面,塗漆就是要在腐蝕過的金屬部位塗上一層漆膜,以形成圖文與底色的強烈反差。

2.電解氧化染色鋁質銘牌

    銅質銘牌以它特有的銅質本色,給人一種古樸莊重的視覺感。像公司商行的招牌、榮譽獎狀 等一些大型的銘牌,多以銅質製作。自六十年代以後,鋁質銘牌的用量和使用範圍越來越多 。這不僅因為鋁材價格便宜,還因為鋁材的加工適應性能要比銅材好得多。例如利用鋁板的電 解染色,可以把鋁質銘牌裝扮得熠熠生輝,光彩奪目。

    不能拿金屬鋁直接染色。染色前必須先對鋁板進行陽極氧化處理,在鋁板表面生成一層緻密 、多孔、耐腐蝕和具有很強吸附能力的氧化膜層。有了這層多孔氧化膜後,染料分子就能牢 固地附著在上面,把鋁板表面染上顏色。

    鋁板陽極氧化處理的實質就在於,在酸性電解質溶液中,在正負兩極電壓作用下,鋁板作陽 極,在被電解的同時,又被氧化,生成一層多孔的氧化膜。

    陽極氧化膜有很強的吸附活性,可在多種染料溶液中染上顏色,如表22-1。

3.印刷銘牌

    前述銘牌上的圖文都是先在金屬板上塗布感光膠,經過照相陰片或陽片曬制腐蝕、染色加工 而成的。這是傳統的銘牌製作方法。自八十年代以來,銘牌的應用範圍越來越廣泛了,這就 要 求銘牌的製作方法也要多樣化,以滿足各種不同場合對銘牌的要求。印刷銘牌的製作與前述 不同,它的圖文不是曬制上去的,而是印刷上去的。

表22-1 陽極氧化染色表

顏 色 染料名稱 含量(克/升) 時間(分)
酸性大紅、直接桃紅 10∼20、5∼10 10∼20、15∼20
活性艷橙 0.5 15∼15
茜素黃 5∼8 10∼15
酸性綠 5 15∼20
酸性 藍 5 15∼20
活性紫 5∼7 15∼25
苯胺黑 5∼10 15∼30
直接深棕 5∼6 20∼30

    從印刷方式來區分,有用網版印刷的,也有用平版間接印刷的;有直接在鋁板上進行印刷的 ,也有用分散染料墨先把圖文印在紙上,然後將印有圖文的紙貼附在陽極氧化的鋁板上通過 加熱,染料昇華後直接附著在鋁板,使圖文轉印到鋁板上,製作成銘牌。

    印刷銘牌適合大批量生產,不僅生產成本低,產量高,而且可以印製出各式各樣的圖案文字 ,五彩繽紛,形態各異,把科技與藝術完美地結合在一起。

4.觸摸式開關面板

    八十年代後期,在一些家用電器像洗衣機上出現了觸摸式開關面板。這是面板同觸摸式開關 相結合的產物。它體現了家用電器上鮮明的時代氣息。

    觸摸式面板一般採用聚氯乙烯(PVC)或聚碳酸酯(PC)等透明薄膜作承印物,通過網版印刷或 平印將面板上的圖文印到薄膜上。不過,圖文不是印到薄膜的上面,而是反印在薄膜的裡面 ,通過透明薄膜從正面觀看,圖文就是正的了。

    隨著科學技術的進步和商品經濟的發展,各種產品上的銘牌就像商標一樣,它幾乎是無處不 在,同人們的工作、生活已經是息息相關,因此銘牌的製作技術將是印刷技術在工業生產應 用中一個非常活躍的領域。

 
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