噴碼機(jī)噴印技術(shù)很大程度上已經(jīng)成為微電子產(chǎn)業(yè)不可或缺的一環(huán)。但是如何實(shí)現(xiàn)高效率，高良率的電子打印依舊是當(dāng)下最棘手的問(wèn)題。本文將從噴墨打印中最關(guān)鍵的一環(huán)——波形入手，帶你解開(kāi)噴墨打印的奧秘。

噴頭構(gòu)造

為了幫助解釋波形的用途，讓我們看一下噴頭的噴嘴腔。下圖描述了一種被稱為“填充-開(kāi)火”的噴射過(guò)程，這種噴射過(guò)程被廣泛應(yīng)用于噴頭的構(gòu)造設(shè)計(jì)中。在這種情況下，壓電陶瓷材料PZT(壓電陶瓷材料)在施加電壓時(shí)發(fā)生變形，改變墨室的體積，導(dǎo)致墨室內(nèi)的油墨移動(dòng)，最終噴射出去。將這個(gè)電壓準(zhǔn)確的施加到PZT上的調(diào)控程序就是波形。

噴碼機(jī)噴印原理描述

在噴頭的設(shè)計(jì)上，各類品牌大致相同，都是基于疊層壓電陶瓷（PZT）設(shè)計(jì)而成。PZT只有在施加電壓的情況下才會(huì)被擴(kuò)展，所以在插入打印頭之前不會(huì)有變形。一旦供電，噴頭保持一個(gè)特定的電壓，導(dǎo)致PZT拉長(zhǎng)并保持其非噴射位置(左)。如果電壓降低，PZT縮回并在腔內(nèi)產(chǎn)生膨脹，將油墨吸進(jìn)腔內(nèi)(中心)。為了噴射出一個(gè)液滴，電壓恢復(fù)到原來(lái)的值，腔體縮小，多余的墨水被擠出(右)。這個(gè)過(guò)程每秒重復(fù)數(shù)千次。

市面上常見(jiàn)的幾類噴頭設(shè)計(jì)

需要注意的是，噴碼機(jī)噴印打印頭可以由正向脈沖或反向脈沖驅(qū)動(dòng)，這取決于不同公司的技術(shù)考量。不管基于何種設(shè)計(jì)，波形中最重要的是波形傾斜部分的計(jì)時(shí)與保持計(jì)時(shí)。即電壓保持在那個(gè)水平(高或低)多久后才回到起始位置。脈沖計(jì)時(shí)決定了當(dāng)腔體的體積恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)噴嘴處的噴墨狀態(tài)，這是構(gòu)建波形的第一步。

噴碼機(jī)噴印打印頭可以由正向脈沖或反向脈沖驅(qū)動(dòng)，這取決于不同公司的技術(shù)考量。不管基于何種設(shè)計(jì)，波形中最重要的是波形傾斜部分的計(jì)時(shí)與保持計(jì)時(shí)。即電壓保持在那個(gè)水平(高或低)多久后才回到起始位置。脈沖計(jì)時(shí)決定了當(dāng)腔體的體積恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)噴嘴處的噴墨狀態(tài)，這是構(gòu)建波形的第一步。

噴碼機(jī)噴印脈沖時(shí)間

通過(guò)以上介紹，我們已經(jīng)大致了解墨水是如何被噴出來(lái)的，在脈沖電壓的作用下，形變的墨水腔擠壓墨水，這種壓力的傳播實(shí)際上是以聲波的形式傳導(dǎo)的，此過(guò)程接近以聲速快速進(jìn)行。

如果打印時(shí)你站在打印頭旁邊，你甚至可能會(huì)聽(tīng)到它“唱歌”，這取決于打印使用的頻率。你能聽(tīng)到它的原因是因?yàn)轵?qū)動(dòng)器產(chǎn)生聲波。當(dāng)然，這里面最重要的是墨水本身產(chǎn)生的聲波，因?yàn)閲娚鋲毫Φ淖兓怯善鋪?lái)定義的。

聲波隨著電壓脈沖的變化

當(dāng)電壓降低時(shí)，噴碼機(jī)噴印墨水腔收縮導(dǎo)致聲波產(chǎn)生，此聲波振幅會(huì)隨著時(shí)間而消失。此過(guò)程伴隨著墨水的補(bǔ)充。當(dāng)新的脈沖來(lái)臨時(shí)，腔體壓力變大，聲波的信號(hào)重新增強(qiáng)，最終墨水被成功噴射出來(lái)。但此時(shí)也伴隨著新的問(wèn)題，如果新的脈沖信號(hào)在錯(cuò)誤的時(shí)間被引入，墨水很有可能會(huì)在即將噴射的瞬間，被重新引入腔體，導(dǎo)致不能夠順利噴射或效果極差。因此，我們要充分考慮脈沖持續(xù)時(shí)間（pulse width），它太短或太長(zhǎng)，那么PZT的產(chǎn)生的聲波、壓力和運(yùn)動(dòng)就會(huì)不同步。如果油墨在壓力增加的時(shí)候沒(méi)有向正確的方向移動(dòng)，那么就不會(huì)平穩(wěn)地增加沖量，沖量可能會(huì)被抵消。這就像推秋千上的孩子一樣。如果你在正確的時(shí)間推動(dòng)秋千，動(dòng)量就會(huì)增加，它們就會(huì)擺動(dòng)得更高。如果你在錯(cuò)誤的時(shí)間推他們，他們會(huì)猛烈地停下來(lái)。

聲波震蕩時(shí)間與脈沖時(shí)間比較

聲波持續(xù)時(shí)間因墨水的不同而不同。但通常情況下，一個(gè)聲波持續(xù)的時(shí)間大約為100微秒，在設(shè)置新的波形時(shí)要充分考慮此條件，并進(jìn)行優(yōu)化。

共振現(xiàn)象描述

在一種打印頻率下工作良好的波形在另一種頻率下可能工作不好，這是很常見(jiàn)的。這一切都?xì)w結(jié)于墨水在腔內(nèi)來(lái)回移動(dòng)時(shí)脈沖的時(shí)間。隨著頻率的增加，由給定脈沖產(chǎn)生的聲波和運(yùn)動(dòng)開(kāi)始與前一個(gè)脈沖相互作用。在一定的頻率下，這種是增強(qiáng)噴墨的共振，就像圖中最上面的例子。當(dāng)打印頻率越高，下一個(gè)液滴和壓力波出現(xiàn)時(shí)，前一個(gè)壓力越有可能尚未衰減到零，造成噴墨不良的可能性也就越大。如果油墨仍在移動(dòng)，先前的脈沖也可能會(huì)增加壓力(更高的速度與潤(rùn)濕)。如果需要打印速度是靈活多變的，那就必須對(duì)墨滴在一定頻率下的噴墨情況進(jìn)行優(yōu)化，以確保最終打印速度不落在發(fā)生共振的頻率范圍內(nèi)。

多重脈沖

在噴碼機(jī)噴印硬件設(shè)備允許的條件下，也可以使用多脈沖信號(hào)以實(shí)現(xiàn)更高效的噴墨打印。多脈沖的波形通常依賴于壓力波中的第一或第二共振。這意味著當(dāng)油墨向噴嘴移動(dòng)時(shí)，第一個(gè)脈沖會(huì)增加油墨的壓力。一些墨水會(huì)噴出來(lái)，其余的會(huì)從噴孔彈出去，回到腔體內(nèi)。一旦墨水再次向噴嘴移動(dòng)，第二個(gè)脈沖將增加其動(dòng)量。脈沖應(yīng)仔細(xì)調(diào)諧，因?yàn)檫@種二次增強(qiáng)，動(dòng)量很大，能夠極大的提高墨滴體積與噴墨效果。

多重脈沖描述

多重脈沖的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)不僅限于增大墨滴體積，在低粘度溶劑打印的過(guò)程中，溶劑會(huì)不由自主滴落。這種多重脈沖，可以有效控制低粘度溶劑在施加脈沖前（單一脈沖）的滴落問(wèn)題。另外，多重脈沖可以改善在單一脈沖條件下，半月板形變的問(wèn)題。這樣可以允許用戶去提高滴墨頻率與打印速度。下圖為一多重脈沖波形的專利描述，供大家發(fā)散思維。

相信大家對(duì)波形已經(jīng)有了初步的認(rèn)識(shí)，如果想進(jìn)一步學(xué)習(xí)，可以參閱以下資料，或等下一期的推文之‘如何調(diào)節(jié)波形’。