分享喷墨打印领域新技术、新工艺、新产品
总部位于东京的印刷电子产品制造商Elephantech Inc. 宣布在开发通用多层印刷电路板 (PCB) 方面取得突破。该公司的新闻稿声称，其专有的 SustainaCircuits™技术有望通过大幅降低铜的使用量和生产成本来彻底改变行业。
Elephantech开发了一种专利的金属喷墨打印技术，可以将铜等金属直接打印到基板上。金属喷墨打印涉及将金属转化为纳米颗粒，将其分散到墨水中，然后使用喷墨打印系统在干燥和烧结后创建金属层。这取代了传统的PCB制造方法，该方法涉及多个浪费的步骤，包括沉积、蚀刻和从板上剥离不需要的金属。
该公司的技术以前仅限于单面柔性PCB——一个仅占全球PCB市场2%的细分市场。然而，Elephantech的最新创新现在可以创建刚性多层PCB，这占市场的78%。这一突破比原计划提前了三年，这得益于基板兼容性和多层能力的进步。
“这一里程碑使我们能够在全球范围内替换相当一部分PCB，同时带来环境和经济效益，”Elephantech首席执行官清水信哉表示。
技术突破
新开发的PCB利用底漆和铜纳米颗粒油墨，可牢固粘附在广泛使用的刚性基板FR-4 上。该技术达到了符合行业标准的耐热水平，即使长时间暴露在高温下也能保持粘合强度。
Elephantech还开发了形成多层布线的方法，实现了4层和8层PCB。精密印刷技术的进步使布线能够以50/50μm的线宽和间距 (L/S) 进行，这比之前的100/100μm标准有了显着改进。
此外，印刷和电镀工艺的结合使铜膜厚度超过100μm。此功能解决了可印刷电子产品的一个关键限制，实现了电源应用所必需的更高电流。
可持续影响
SustainaCircuits™技术将铜的使用量减少了约70%，每年可节省超过67 亿美元的成本。与依赖大量铜箔使用的传统方法不同，这种显着的减少是通过仅在必要时使用铜来实现的。
该制造工艺还简化了生产流程，减少了多层PCB的制造步骤。这种效率进一步增强了其对希望减少环境影响和运营成本的制造商的吸引力。
市场扩张
Elephantech的创新能力覆盖了全球近78%的PCB市场，使公司能够显著扩大其业务范围。从消费电子产品到工业设备，大多数电子设备都依赖于六层或更少层的刚性板——现在可以通过公司的新技术进入这一细分市场。
未来计划
多层PCB的原型预计将于2025年上半年上市。Elephantech计划将其印刷设备整合到传统的PCB制造厂中，以最少的额外投资实现大规模生产。此外，该公司正在积极探索材料和设备分销合作伙伴关系。
SustainaCircuits™技术细节
刚性基材兼容性
我们开发了能够牢固附着于FR-4的底漆和铜纳米粒子油墨。
我们的印刷方法需要在光滑表面上印刷才能实现高附着力，这在附着力方面不利。附着力不足一直是适应刚性基板的最大挑战。
新开发的FR-4底漆和铜纳米粒子油墨表现出很强的附着力。值得注意的是，它们表现出以前难以实现的高耐热性。在150°C下进行240小时测试后，它们的附着强度仍保持在1.0N/mm* 以上，达到适合用于刚性电路板的水平。
※基于UL796标准的试验方法。该值是Elephantech的参考测量值，并非保证值。
截面结构
多层功能
通过开发通孔内涂墨技术并改良底漆，我们已能形成多层布线用的通孔。我们已成功制作出4层和8层的PCB。
4层通孔板
| 4层通孔板剖面图 | 8层通孔板剖面图 |
但现有的材料及工艺均针对刚性板，暂无法应用于多层薄膜基材。
小型化
通过改良底漆和油墨的组合，以及提高印刷机的精度，实现了L/S为50/50μm的布线形成能力。与以往的L/S为100/100μm相比，取得了显著的进步。
为了实现小型化，油墨不能扩散到底漆表面，但存在着底漆具有排斥油墨的特性，导致难以绘制和附着的课题。通过新开发的底漆，我们成功地确保了绘制性和附着性，同时最大限度地减少了油墨扩散。
L/S = 50/50 μm 拉伸试验结果比较
高电流能力
通过开发具有高附着力和耐电镀性的底漆和油墨，可以制造铜膜厚度在 100μm 范围内的 PCB。
从历史上看，在可印刷电子领域，可流动电流量的限制一直是广泛采用的主要挑战。为了解决这个问题，我们提出了一种结合印刷和电镀工艺的工艺，但铜膜厚度限制在 10μm 左右。虽然这对于信号线来说已经足够了，但对于电力电子来说还不够。
利用新开发的工艺，我们现在可以通过电镀实现 100μm 范围内的铜膜厚度。随着铜价持续稳步上涨，随着铜厚度的增加，只在需要的地方通过电镀形成铜的经济合理性也会增加。
厚度超过100μm的配线
影响
市场拓展
在全球 PCB 市场中，我们已经从仅能满足约 2% 面积的产品需求，发展到现在能够满足 78% 面积的产品需求。单面 FPC 的市场规模约为 1,000 万平方米，而 6 层或以下的刚性板则占 3.7 亿平方米。大多数电子设备都使用 6 层或以下的刚性板，随着这一发展，我们现在可以替换除专用板以外的几乎所有板。
这些百分比基于表面积，包括半导体基板的总面积。
数据来源于2023年富士Chimera研究所报告，「FPCの注目プurikeションと先端技术」&「エrekutoronikusu実装nyuマテriaル便覧
通用多层PCB被定义为具有1、2、4或6层的低多层RPCB层。无论层数如何，组合 PCB 均被排除在外。
由于这一发展而扩大了市场
流程简化
由于我们的新方法可以同时形成过孔和布线，因此对于多层PCB而言，工序减少的影响甚至比单面PCB更大。
2层PCB制造工艺比较
4层PCB制造工艺比较
减少铜消耗
通过这种方法，铜是减少成本效果最显著的资源。对于多层 PCB，铜的消耗量很大，因为每层都需要铜箔，而且通孔电镀也会消耗铜。
相比之下，我们的方法只在必要时生长铜。虽然取决于图案形状，但这种方法通常可以将铜的使用量减少约 70%。对于新开发的通用多层 PCB，我们估计全球铜成本降低潜力约为 67 亿美元。
1、传统方法假设内层铜箔厚度为35μm，外层铜箔厚度为18μm，镀层厚度为25μm。
2、以富士嵌合研究所2023年的《エrekutoronikusu実装nyuマテriaル便覧》为蓝本。预估2029年通用FR-4用电解铜箔市场规模与电镀用铜市场规模相结合。电镀厚度假定为25μm。
3、成本基于铜箔价格，而非原铜价格。计算采用 2024 年 11 月原铜基准价格 1,448 日元/公斤，加上铜箔平均加工成本。
铜还原潜力
下一步
我们已经在开发基地试制测试样品，并已通过主要评估标准。我们计划在 2025年上半年开始提供样品，并建立量产能力。
使用我们的方法制造的印刷电路板，可以通过将我们的印刷设备引入传统的通用多层PCB制造工厂，使用除印刷工序以外的现有制造设备进行量产。对于供应系统，我们将考虑内部制造和向合作伙伴提供我们的设备和材料。
开发技术的预期范围
| PCB 类型 | 多层镀通孔板 |
| 基材类型 | FR-4 |
| 最小光程/秒 | 50/50 微米 |
| 最小通孔/焊盘 | φ0.15毫米 |
| 过孔类型 | PTH, IVH |
| 铜图案厚度 | 10 – 100µm |
| 层数 | 没有具体的技术限制 |
| 尺寸 | 没有具体的技术限制 |
| 表面处理 | 没有具体的技术限制 |
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