1. Ink jet in the PCB industry
An introduction

2. Inkjet: definition Inkjet:
generation of images by propelling droplets of
a functional material onto a substrate
Eric Janssens May 2013

3. Inkjet: thermal propelling
An ink is pumped in the pressure chamber
An electrical heater generates steam
The increased pressure jets a droplet from the chamber onto the substrate
Cheap, slow, difficult to control well, need of aqueous inks
Used in consumer printers
Eric Janssens May 2013

4. Inkjet: piezo-electical propelling
A piezoelectric crystal generates a shock wave in an ink chamber, jetting a droplet out of the chamber onto the substrate
Ink is to be cured by UV light (UV inks) or by cooling down (phase shift inks)
More expensive, fast, good control, wide variety of inks
Used in commercial and industrial printers
Eric Janssens May 2013

5. Inkjet: continous propelling
A high pressure pump generates a constant flow of charged ink droplets. The droplets can be deflected from the substrate by a electrical field
Matured technology, long traveling distance, no nozzle clogging
Used in industrial printers (marking).
Eric Janssens May 2013

6. Inkjet: functional material
1 Aqueous inks:
Water, glycol and dye or pigment
Dye: cheap, colors fade
Pigment: long term, UV resistant
Cheap, receiving layer needed on substrate
2 Solvent inks (hard and mild or eco)
Volatile organic compounds (VOCs) and pigments
Can print on vinyl
3 UV inks
Acrylic monomers and initiator
After printing ink is cured by UV-light (pinning the droplet)
Can be applied on uncoated substrates, very robust image
Expensive, require expensive curing module
Image may crack
Eric Janssens May 2013

7. Inkjet: substrate
The right propelling technology with the right functional material can print on:
Paper
Paper (with micro porous layer)
Wall paper
Coated paper
Card board
Textile (canvas, T-shirts)
Stone and tiles
Packaging materials
Plastics (vinyl)
Aluminum (cans, blisters)
Copper (PCB)
………
Eric Janssens May 2013

8. Inkjet: Heads: Good to know
Nozzle:
Pipe, channel that directs an ink droplet
Also called: droplet generation unit, propelling unit, orifice
Resolution
Figure indicating the number of nozzles per inch
Typical: 360, 720, 1440 DPI
Drop size
Figure indicating the content of one droplet expressed in pL (pico liter)
1 liter = (1012) pL
pl weights 1 mg,
Typical: 80, 40, 14, 4, 1 pL
Eric Janssens May 2013

9. Inkjet: Heads: Good to know
Dots per droplet
One droplet can be formed by several dots (shots)
These dots conglomerate during flight to form one droplet
Typical: 1 to 8
Manufactures
Brother, Cannon, Dimatix (ex Spectra) (part of Fujifilm), Epson, Konica Minolta, Kyocera, Ricoh, Toshiba-Tech, Xaar
Eric Janssens May 2013

10. Inkjet: UV Inks: Good to know
Dynamic viscosity (jetability):
Resistance of a fluid to be deformed
Also "thickness“
water is "thin“, low viscosity
honey is "thick", high viscosity.
The study of viscosity is known as rheology
Expressed in Pas (Pascal sec) / mPas or cPoise
Typical: 5 – 15 mPas
Static surface tension (line sharpness)
Measurement of the capacity of a liquid to form a ball when in contact with another surface
Expressed in N/m (Newton per meter) / mN/m
Typical: mPas
The Dynamic viscosity is varying with changing temperature
Eric Janssens May 2013

11. Inkjet: UV Inks: Good to know
Specific weight
Weight per volume unit
Expressed in kg/m3 / g/cm3
Typical: 1 – 1,25 g/cm3
Average particel size:
Size of the particles in the ink
Expressed in m / nm
Typical: 250 – 500 nm
Latency:
Time a nozzle can be idle without getting clogged
Eric Janssens May 2013

12. Inkjet: UV Inks: Good to know
Adhesion
Scratch resistance
Shelf life
Color and color fading
Dyes - pigments
Price (per liter, per cassette) ….
Manufactures:
HP,Sun Chemicals, Cabot, Avecia, Agfa, Sericol,Taiyo, …..
Eric Janssens May 2013

13. Inkjet: Printers: Good to know
Print quality
Resolution
Repeatability
Speed
Foot print
Flat bed / drum
Price (purchase, operation, maintenance, … ) ….
Manufactures:
Agfa, Canon, First EIE, Epson, HP Kodak, Lexmark, Microcraft, Orbotech, Ricoh, Xerox, ….
Eric Janssens May 2013

14. Inkjet: Wave form
Piezoelectric.avi
Eric Janssens May 2013

15. Inkjet: Cleaning mechanisms
The primary cause of problems:
when ink sedimentates, hardens or particles size grows in the print head's nozzles they get blocked (clogging)
Solutions:
Covering the print head nozzles with a rubber cap
Suction pump
A mechanism to reapply moisture to the print head.
Frequent spraying and wipe print head
The frequent cleaning can consume quite a bit of ink
and has an impact on the cost
Eric Janssens May 2013

16. Traditional Workflow Patterning Resist (IL & OL) Solder mask
Legend print
Eric Janssens May 2013

17. Workflow Inner Layer Traditional LDI & PI InkJet Provisional InkJet
Final
Eric Janssens May 2013

18. Workflow Outer Layer Traditional InkJet Provisional InkJet Final
Eric Janssens May 2013

19. Workflow Solder Mask Traditional InkJet Provisional InkJet Final
Eric Janssens May 2013

20. Workflow Legend Design Plotter film Dev & fix film Produce Screen
Screen print
Clean screen
Traditional
Design
Print
InkJet Final
Eric Janssens May 2013

21. Long term Inkjet: reel to reel
conductors, insulators, solder mask, legend ink,
hole filler, conformal coatings,
optical conductor, surface finishing, solder paste,
…..
Eric Janssens May 2013

22. And ab
Eric Janssens May 2013

23. Agfa holds good cards Agfa Materials: Agfa Graphics
Market leader AgX phototooling
Good in-road in the PCB industry
WW sales & application organization
WW logistical organization
Agfa Graphics
Strong in Ink Jet technology and inks
Agfa Materials Technology Center:
Top lab that creates functional fluids
Agfa Material Operations
World class functional fluid production facilities
Eric Janssens May 2013

24. Agfa Materials Technology Centre Functional fluid development
Printer
Coatings
Test platforms
(multi color)
INKS
Your application and printing system
Jetting lab
(single color)
Dit schema geeft een overzicht van de verschillende stadia die doorlopen worden bij het ontwikkelen van een IJ-inkt voor een bepaald IJ-printsysteem.
Na analyse v/d beoogde toepassing en printer start het ontwikkelingstraject waarbij inktsamenstellingen hoofdzakelijk worden geëvalueerd op coatings (die off-line gecured worden voor UV). Op basis hiervan wordt een idee verkregen v/d kleurligging, de cure speed en fysische eigenschappen zoals tackiness, flexibiliteit, adhesie en krasvastheid. De laagdikte is een ‘afschatting’ van hetgeen men in het eindsysteem verwacht.
In een volgend stadium wordt het jet-gedrag (drop & tail formation, drop speed en volume, vorming van mist en satellieten, latency,…) van de inkt in de printhead onderzocht en wordt er nagegaan of er hiervoor bepaalde eisen aan de inkt worden gesteld. Tevens wordt een eerste poging gedaan om inkt en printhead te verbinden via een aangespaste waveform.
In een volgend stadium wordt de inkt-printhead-waveform combinatie geëvalueerd in een testplatform (meerdere kleuren). In deze fase tracht men in een meerkleurensysteem het finale printsysteem zoveel mogelijk te simuleren en moet men ook rekening houden met de beoogde “quality en throughput”. Dit zal immers bepalen welk volume inkt in welk rooster (resolutie) moet gejet worden en met welke frekwentie. Beeldkwaliteit wordt vanaf deze fase een belangrijk selectiecriterium. Optische en fysische eigenchappen kunnen nu op geprinte samples beoordeeld worden (en zijn niet noodzakelijk gelijk aan de gecoate samples – invloed van jet-of-coat to cure time, eventueel verschillend lampkarakteristieken).
De uiteindelijke validatie van een bepaalde inktformulering dient te gebeuren op het uiteidenlijke printsysteem. Hier wordt er geprint in de reële omstandigheden (resolutie, throughput, shuttle speed, aantal printpassen, bi-of unidirectioneel, cure-omstandigheden,…). Deze omstandigheden samen met het gebruik van een color management systeem bepalen de uiteindelijke inktopdracht en zullen bijgevolg ook de fysische en optische eigenschappen kunnen bepalen. Ook de uiteindelijke beeldkwaliteit van het reëel printsysteem kan hier beoordeeld worden.
De compatibiliteit van de inkt met printeronderdelen en maintenance systeem kan pas op dit niveau gevalideerd worden.
Afhankelijk van de resultaten van de evaluaties in de verschillende stadia moet er dikwijls met de opgedane kennis teruggekeerd worden naar één van de voorgaande stadia om de inktformulering verder en beter te integreren in het gehele systeem.
Eric Janssens May 2013

25. Agfa Materials Technology Centre Functional fluid development
Jetting performance
Jetting reliability
Latency
Image quality
Cure speed
Image permanence
Acrylates
Photo initiation
Shelf life
Pigment dispersion
Wetting agent
Raw material cost
Manufacturability
…..
Physical Properties
adhesion
flexibility
scratch resistance
tackiness ……
Compatible with:
- printer components
- production facility
- packaging
- safety & environment regulations
- patent situation
Eric Janssens May 2013

26. Agfa Materials Technology Centre Functional fluid development
Eric Janssens May 2013

27. Agfa Materials Operations
Eric Janssens May 2013

28. Agfa Materials Operations
Eric Janssens May 2013

29. Inkjet & the PCB industry
Inkjet technology reached a level
it is applicable
in the production of PCB’s
a competitive way with good yields ab
is dedicated to transform
from #1 in phototooling
to # 1 in patterning
Eric Janssens May 2013