摘要：字符喷印技术在PCB行业近年开始应用，并在逐渐取代传统网印工艺。二者比较，字符喷印简化了PCB生产过程，缩短了生产周期，高效率，低成本，更环保。这些优点可由字符喷印机来实现。而涉及影响字符喷印机性能参数的因素是多方面的。本文研究的是影响字符喷印机性能的关键因素：打印前信息的加载效率和出错率，打印后字符分辨率、字符精度和重复打印精度以及整个打印过程影响生产效率的原因，并提出了相应的解决办法。

关键词：字符喷印机；文件加载效率；打印分辨率；打印精度；重复打印精度

1 引言

由于丝网印刷技术现今已经趋于成熟，熟练的操作员一般也能丝印出质量好的产品，虽然字符喷墨打印机比丝印操作简单、打印出的字符质量更好、也更节能环保，但是字符喷墨打印机要想很好的替代丝网印刷，生产效率成为其能否替代的关键。随着电子产品日益趋于微小化，对PCB板生产的精细化和产品要求的质量越来越高，加上能喷出更加微小墨滴喷头生产技术的完善，字符喷墨打印机需要能打印高分辨率和高精度的字符信息成为必然。本文研究的是提高字符喷印机在打印前信息的加载效率和准确率，打印后字符分辨率、字符精度和重复打印精度以及提高打印过程生产效率等性能的方法。

2 影响字符喷墨打印机的关键因素

字符喷印机工作流程主要包括自动压墨及清洁喷墨嘴、加载Gerber图的定位层和打印层、xx自动定位打印加载的相关信息。其中影响字符喷印机性能的关键因素是文件加载效率和出错率，打印出的字符分辨率、字符精度和重复打印精度以及整个打印过程生产效率。提高生产效率的方法是快速打包加载及快速xx自动定位打印；提高打印分辨率的方法是对Gerber文件转换成的位图采取不同的取模方式后再将数据传递给下位机进行打印；提高打印精度和重复打印精度的方法是对相关参数的设置和打印高度的监控。

2.1 提高生产效率的方法

字符喷墨打印机针对的打印数据包括定位层和打印层的Gerber图，一般一块PCB板需要打印正反两面，同一批次的PCB板需要加载的打印数据需包含四个Gerber文件，分别是顶层的定位层和打印层信息、底层的定位层和打印层信息，将四个Gerber文件放入以批次号命名的文件夹内，依次修改文件名为cs和to、ss和bo（无须后缀名），再将此文件夹打包成压缩包（如.TGZ、.RAR、.ZIP），放入连接公司局域网的电脑上。以上为打印数据管理方法，可以让专门负责数据管理的人员操作完成。此方法可以降低加载文件时的出错率。

需要打印PCB板字符时，将字符喷墨打印机连入公司局域网，在程序界面上点击添加批次按钮通过局域网IP地址进入存放此批次压缩包的位置，加载压缩包，直接从压缩包中读取四个Gerber文件，并自动生成顶层和底层批次文件。在生成底层批次文件时，系统会自动将底层线路层和字符层进行镜像编辑，并且为了满足打印平台尺寸和节约打印时间系统会自动判断并旋转编辑顶层和底层批次文件，使PCB板放置在打印平台时方向更合理。自定义定位点、打印模式、板厚和X、Y方向偏移后可保存为特定后缀名（.zyp）和自动以此批次号做文件名的文件，下次再打印此批次的PCB板时，可直接打开此批次文件即可。打印时通过面一和面二按钮切换，便可快速进行双面切换打印。以上为快速读取Gerber文件路径及自动添加完成双面打印信息的方法研究。此方法可以提高加载效率,具体测试数据说明如下,加载2g00kb811a01批次的Gerber文件信息层，此批次文件夹包含四个文件，总大小为4.6MB，在VS2008软件的debug模式下测试，采用提高加载效率的方法后，平均加载完成时间由原先的4分23秒减少到了1分25秒。加载完成包括Gerber图层信息自动镜像、自动根据尺寸旋转、定位点的选取、板厚及左下角定位点位置设置。加载完成后即可直接打印。

提高生产效率的方法还包括优化运行路径和运行速度，在整机运行过程中保证运行路径xx的前提下，将运动速度可以分为四类：运动速度、定位速度、打印前进速度、打印回程速度。经过运动路径和速度优化，每块板的打印时间可以减少5秒左右。

2.2 提高打印分辨率的方法

研发过程中，使用单个喷头的喷嘴间的最小距离为70.5μm，分辨率只有360dpi，分辨率太低，喷出的墨滴间存在空隙，无法满足喷印要求，理论现象如图1所示。为了提高分辨率及保证生产成本，使用两个喷头错开35.25μm安装，这样就使喷印的墨滴间的最小距离由原来的70.5μm缩小一半变成35.25μm，分辨率由原来的360dpi增大一倍变成720dpi，喷出的墨滴有很好的边界和略清晰的表面特征，但是重叠较多墨层增厚，使UV固化后附着力较差，且观察打印出的字符层信息清晰度不高，理论现象如图2所示，实际打印效果图见图3，此图中字符解析度为字宽0.076mm(3mil)，字高0.610mm(24mil)。xx分辨率是在墨点之间获得100%覆盖而有足够的重叠，即好的印刷密度、连接边界和xx的墨层。为了在喷头硬件不变的情况下获得xx打印分辨率，针对喷头打印数据采取不同的取模方式，经过理论研究和实际打印测试，最终从多种取模方式中选择了两种，分别应用于量产打印和高清打印，其取模方式分别如图4、图5所示，图中每个小格代表一个像素点。图4是量产打印的“L”取模方式，白色像素点代表可以喷墨，绿色像素点代表屏蔽喷墨，优点在于减少重叠，即减少墨层厚度，UV固化后附着力增强，观察打印出的字符层信息清晰度明显提高，对个别很细且倾斜的线条，不会出现漏打印的现象；图5是高清打印的“X”交叉取模方式，白色和灰色像素点都代表可以喷墨，只是分两次先后喷墨，与量产打印取模方式相比，优点在于每次喷墨的墨层厚度少，UV固化后附着力强，墨滴扩散效果慢，打印出的字符层信息清晰度更高，也不会出现漏打现象，缺点是多打印一次，降低了打印效率。两种取模方式的实际打印效果图见图6、图7。以上为提高打印分辨率的方法。具体测试数据说明如下，打印分辨率包括字符解析度和线解析度。采用提高打印分辨率的方法后，字符解析度由原来的字宽0.076mm(3mil)、字高0.610mm(24mil)提高到了字高0.508mm(20mil)；线解析度由原来的0.137mm(5.4mil)提高到了0.122mm(4.8mil)。

图1 分辨率：360dpi 墨滴中心间距离：70.5μm

图2 分辨率：720dpi 墨滴中心间距离：35.25μm

图3 选择取模方式前实际打印效果

图4 量产打印取模方式

图5 高清打印取模方式

图6 量产打印取模方式实际打印效果

图7 高清打印取模方式实际打印效果

2.3 提高打印精度和重复打印精度的方法

在设备研发过程中，打印精度和重复打印精度的提高是一个难点。很多方面的因素都会对其产生影响，比如影响打印精度的方面主要有定位精度、与安装硬件位置有关的打印参数等；在打印精度满足要求的前提下，影响重复打印精度的方面主要是机械安装精度、电机运动精度等。

在提高打印精度的方法研究前，需要知道对位精度测试方法。测试方法如下：测试板四角设计如图8(b)所示的圆盘矩阵，最终在四个不同的区域分别量取字符圆环与圆盘的圆心距，判定对位偏移量，同时观察有无上盘情况。四个测试区域划分如图8(a)所示。

(a)

(b)

图8 (a)测试区域 (b)测试图形

不同种类的PCB板在生产过程中理论尺寸值和生产出的实际尺寸值会有一定的偏差，挠性板的偏差较大，这种情况下就产生了打印涨缩比，为了保证PCB板的打印精度，需要对每块板进行定位。在保证查找定位圆算法xx的前提下，减小计算定位误差的允许范围可以提高定位精度，其方法是将定位时用到的图像计算距离产生的误差减到最少（减少相机镜头畸变产生的误差），用精度更高的磁栅尺测距来替换。调节与安装硬件位置有关的打印参数，主要xx调节CCD参数、打印参数和高度参数。CCD参数决定了定位精度；打印参数决定了打印出的字符品质；高度参数主要决定了打印时是否有飞墨现象，经过反复测试发现，打印时喷头离PCB板的xx高度为1~2mm。使用提高打印精度方法前后，用两块测试板各打印一次，镜头放大20倍后观察①、④测试区域，部分实际打印效果图及相关数据分别见表1、表2。具体测试数据说明如下，采用提高打印精度的方法前后，四个区域的平均偏移量对比见表3，整板打印精度由原来平均偏移0.053mm(2.1mil)提高到0.024mm(0.93mil)。

表1 提高打印精度前实际打印效果图及相关数据（单位：mil,镜头X20）

区域	①					④
图例
偏位数据	2.938	2.045	2.147	2.302	1.694		2.676	2.094	2.770
	2.606	3.337	3.133	3.019	3.954		2.806	3.436	2.307
平均	2.691					2.717

表2 提高打印精度后实际打印效果图及相关数据（单位：mil，镜头X20）

区域	①				④
图例
偏位 数据	0.981	1.323	1.494	0.239	1.107	0.204	1.003	1.118
	0.689	0.644	0.381	1.605	0.809	0.751	0.693	1.135
平均	0.920				0.853

表3 提高打印精度前后四个区域平均偏移量对比（单位：mil，镜头X20）

区域		①	②	③	④
平均偏位数据	提高前	2.691	2.157	0.852	2.717
	提高后	0.920	0.931	1.024	0.853

针对影响重复打印精度的因素，将同一块板放在平台的不同位置，重复定位打印发现重复打印精度稍差。在程序中加入文件存储方式，自动将定位误差保存到文件中，测试分析发现电机的重复运动精度很高。在此前提下，将同一块板放在平台的同一位置，重复打印发现重复打印精度很高，说明平台的机械安装精度对其影响较大，精调机械安装精度并通过在放板平台上加直角固定位置，使重复定位精度满足要求。使用提高重复打印精度方法后，同一块板重复打印两次，放大50倍后观察0.076(3mil)线宽无重影，如图9所示。

图9 提高重复打印精度后实际打印效果（3mil线宽，镜头X50）

3 结论

通过快速加载压缩包的方法，既减少了加载打印信息时的出错率又提高了其加载效率。通过快速xx自动定位、优化运行路径和运行速度以及人性化的操作界面，提高了打印效率。通过不同的取模方式使打印的字符和线解析度明显提高。用高精度的磁栅尺测距替换部分图像处理测距，以减少镜头畸变产生的误差，精调平台及硬件安装的平行度和垂直度，以减少机械运动误差，再通过xx的定位圆算法，精调与安装硬件位置有关的打印参数使打印的对位精度明显提高。通过精调机械安装精度并在放板平台上加直角固定位置，使重复定位精度明显提高。本文对研发过程中如何提高字符喷印机相关工艺和性能的方法进行总结，对研制机械自动化智能化方面的设备具有一定的参考和实用价值。

参考文献

[1] 石丽琴. 影响喷墨印刷质量的关键因素分析[J].2005,04:45-47.

[2] 卢玉蛟等. 数字喷墨打印技术在PCB字符工艺中的应用[J].印制电路信息,2011(12).

[3] 王灿才. 影响喷墨印刷质量的因素分析与研究[J].丝网印刷,2008,2.

[4] 林金堵. 加速开发和推广应用喷墨打印技术[J].印制电路信息,2009(04).

[5] 王敏. 油墨印刷黏度与常见质量问题的关系分析[J].包装装演印刷-印刷技术,2008,1.

[6] 李杰文. 影响油墨附着力的几个技术要点[J].印刷技术,2010,7,14.