CN102700249A - 固化uv反应性墨的紫外线发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固化UV反应性墨的紫外线发光二极管。一种用于在电路上印刷图案的方法，所述方法包括：在电路上喷射紫外线固化墨，以形成图案；和通过使所述图案受到从至少一个紫外线发光二极管(LED)产生的紫外线辐射来至少部分地固化所述紫外线固化墨。

Description

固化UV反应性墨的紫外线发光二极管
相关申请
本申请要求2011年1月31日提交的美国临时专利序号61/437717的优先权。
技术领域
本发明涉及固化UV反应性墨的紫外线发光二极管。
背景技术
UV反应性墨类型(作为示例，焊接掩模)通常使用从宽带水银灯泡/掺杂金属卤化物的水银灯泡发射的宽带紫外线(UV)光辐射来固化，所述金属卤化物诸如铅、铁等。
墨的适当固化对于涂布处理的成功是绝对必要的。
UV光辐射是用于在喷墨打印阶段期间固化基于UV的材料的公知源。所述材料包括被设计为与由固化光源提供的波长反应的作用剂。最常见的用于UV的源使用弧光灯技术。弧光灯提供大范围波长。这些波长中的一些在固化所述材料方面是有效的，较短的波长在表面处更为有效，较长的波长能够更深地渗透到所述材料中并固化更深的区域。然而，仍有大部分辐射的波长没有用于固化，而是在所述材料内部产生热量，并可引起无用变形或者甚至引燃。
为了工作，弧光灯需要高电压，以便激发由各种气体构成的过热等离子体。大部分产生的光对固化处理没有贡献，并在灯内部作为热量被浪费掉。热量必须使用空气或液体被疏散。UV弧光灯具有500至1000小时的有限寿命，在它们的寿命期间逐渐劣化，并需要管理工作条件的精密电子器件。灯不易于开启和关闭，所以需要必要时阻挡光的快门。某些UV波长产生臭氧，臭氧是如果产生臭氧的波长没有被适当地过滤掉则必须被抽空的有害气体。另外，水银灯还含有剧毒的、需要小心处理的水银蒸汽，灯的破坏可能释放危险的水银蒸汽。
对于提供有效的固化方法的需求日益增长。LED提供有效的光发生方式。发热最少，工作温度易于管理。LED可易于开启和关闭，这是在喷墨打印机中非常需要的一个特性。LED产生窄光谱的光，在UV光谱中工作的那些LED在深紫外线波长中仍然无效。
发明内容
可提供一种用于在电路上印刷图案的方法，所述方法包括：在电路上喷射紫外线固化墨，以形成图案；和通过使所述图案受到从至少一个紫外线发光二极管(LED)产生的紫外线辐射来至少部分地固化所述紫外线固化墨。
所述方法可包括使所述图案受到单色的紫外线辐射。
所述方法可包括用紫外线辐射辐照所述图案，所述紫外线辐射可包括彼此不同的多个波长。
所述多个波长可被选择成为以下两种固化提供所述图案的基本均匀固化：使用发射波长范围为360～370nm的UV辐射的LED的表面固化和使用发射波长范围为380～400nm的UV辐射的一个LED或多个LED的深层固化。
不同的LED窄宽度波长范围被选择以最匹配引入到UV墨配方中的不同光引发剂的吸收波长范围。
所述多个波长可被选择成提供所述图案的上表面和所述图案的下表面的相同固化。
所述方法可包括通过紫外线LED阵列辐照所述图案。
所述方法可包括通过紫外线LED阵列辐照所述图案，其中所述阵列的至少两个紫外线LED就发射的紫外线辐射的波长而言彼此不同。
所述方法可包括喷射紫外线固化墨以形成图例(legend)图案。
所述方法可包括喷射紫外线固化墨以形成焊接掩模图案。
所述方法可包括喷射紫外线固化墨以形成抗蚀剂图案。
所述紫外线墨可基于紫外线辐射穿过紫外线墨的预计穿透深度而被选择。
所述紫外线固化墨可包括紫外线响应性光引发剂混合物、紫外线固化单体、热固性树脂以及颜料和填料中的至少一个。
所述紫外线响应性光引发剂混合物可包括零个或更多个反应性单体、零个或更多个共引发剂和至少一个活性光引发剂。
可提供一种系统，并且所述系统可包括：印刷模块，其被布置为在电路上喷射紫外线固化墨以形成图案；和固化模块，其被布置为通过用从固化模块的至少一个紫外线发光二极管(LED)产生的紫外线辐射辐照所述图案来至少部分地固化所述紫外线固化墨。
所述固化模块可被布置为用单色的紫外线辐射辐照所述图案。
所述固化模块可被布置为用紫外线辐射辐照所述图案，所述紫外线辐射可包括彼此不同的多个波长。
所述多个波长可被选择成提供所述图案的基本均匀固化。
所述多个波长可被选择成提供所述图案的上表面和所述图案的下表面的相同固化。
所述固化模块可被布置为通过紫外线LED阵列辐照所述图案。
所述固化模块可被布置为通过紫外线LED阵列辐照所述图案，其中所述阵列的至少两个紫外线LED就发射的紫外线辐射的波长而言彼此不同。
所述印刷模块可被布置为喷射紫外线固化墨以形成图例图案。
所述印刷模块可被布置为喷射紫外线固化墨以形成焊接掩模图案。
所述印刷模块可被布置为喷射紫外线固化墨以形成抗蚀剂图案。
所述印刷模块可被布置为喷射紫外线墨，所述紫外线墨可基于紫外线辐射穿过紫外线墨的预计穿透深度而被选择。
所述印刷模块可被布置为喷射紫外线墨，所述紫外线墨可包括紫外线响应性光引发剂混合物、紫外线固化单体、热固性树脂以及颜料和填料中的至少一个。
所述紫外线响应性光引发剂混合物可包括零个或更多个反应性单体、零个或更多个共引发剂和至少一个活性光引发剂。
可提供一种紫外线固化墨，并且所述紫外线固化墨可包括紫外线响应性光引发剂混合物、紫外线固化单体、热固性树脂以及颜料和填料中的至少一个。
附图说明
将意识到，为了说明的简化和清晰，图中所示的元件未必按比例绘制。例如，为了清晰起见，一些元件的尺寸可相对于其它元件扩大。此外，在认为合适的情况下，标号可在图之间重复，以指示对应的或相似的元件。
图1示出根据本发明实施例的LED阵列；
图2示出根据本发明实施例的系统；和
图3示出根据本发明实施例的UV LED的光谱；和
图4是根据本发明实施例的印刷方法的流程图。
具体实施方式
在以下详细描述中，阐述了许多特定细节，以便提供本发明的彻底理解。然而，本领域技术人员将理解，本发明可在没有这些特定细节的情况下实施。在其它实例中，不详细描述公知的方法、过程和部件，以便不模糊本发明。可提供这样的墨配方，该墨配方被设计为支持LED固化，并可被化学调整为用于通过由LED产生的单个波长固化。
术语照射、曝光和辐照在本说明书中以可交换的方式使用。
另外或者可替换地，为了确保涂层的表面和更深区域这二者的均匀固化，一些波长可由LED照射模块产生。这可导致使用几个LED器件，每个LED器件具有在相应深度处有效的波长。
本发明的目的是提供光引发剂(PI)组分或者应该补偿缺少的短波长UV辐射的材料的混合物。
例如，使用各种方法在印刷电路板上涂敷焊接掩模墨。按照惯例，在整个表面上涂敷焊接掩模，并对该焊接掩模进行干燥。然后使用光成像来使焊接掩模曝光并移除曝光的区域(或者根据焊接掩模材料的类型，移除未曝光的区域)。然后使剩余材料固化。
该系统和方法可用于例如用于焊接掩模的选择性涂敷的喷墨印刷技术领域中。这涉及具有能够进行喷射的物理和化学特性的液体材料。一旦在基板上，液体就必须被固化，以便在它们的指定位置固定它们，并阻止它们流动。从没有必要进行进一步的固化的意义上来讲，固化动作可以是最后的，或者它可以是朝向例如用热的方法或者使用其它光源的进一步的最后固化的初始阶段。
焊接掩模可能需要充分的适当的固化来提供必要的固化膜属性，诸如在整个加工处理、(制造)、装配和仪器内操作期间印刷电路板的寿命期间的机械强度、粘合力和耐化学性。由于起始于表面、直到底部的涂层的整个主体必须被均匀地固化，所以使用各种方法(例如使用颜料)着色的涂层提供另外的挑战。如果固化起始于更深区域前面的表面，则薄膜可在表面处形成。该膜可随着内层从液体变为固体而变形。
为了使用LED作为用于焊接掩模墨的固化器件，与窄带宽的光源反应的特殊作用剂必须存在于墨中。此外，这些作用剂与UV光反应，并应该使得最终的固化产品可工作和实现其提供长期保护的目的并在后续制造步骤期间经受侵蚀性非常高的加工处理。
窄波长的一个副作用是它可能要么在固化涂层的表面、要么在内部深处有效。不同波长基于涂布的材料的颜料类型而穿透不同的深度。
提供一种可包括用于在系统内使用UV LED的必要元件的系统，所述系统包括UV LED和特别配制以与UV LED一起使用的化学成分。
大多数UV固化墨(作为示例，焊接掩模喷墨墨)使用基于中压宽带水银/铅的UV灯泡来固化。由于LED优于目前的UV灯泡的许多益处，对于调整焊接掩模墨以支持这些LED和它们的光谱规格的需求日益增长。
开发的焊接掩模和固化方法这两者应该根据化学特性、机械特性、电气特性和耐化学性来满足PCB和/或基板和/或微电子工业的标准。
提供配备有UV LED阵列的系统。所述阵列可以是一维阵列、两维阵列、有序阵列等。图1示出根据本发明实施例的包括几个LED(示为方框)11的LED阵列10。每个LED可辐射相同波长的UV光，或者，可替换地，可辐射不同波长的UV光，这些UV光将有效地固化涂布材料的不同深度部分。如图2所示，参见UV LED22和23，LED照射阵列可位于打印头盒的前面、背面或者之间。
图2描绘系统20内的打印头的可能的设置。在该设置中，可通过沿两个方向相对于打印头(喷墨打印头21)移动打印目标来执行打印，由位于打印头后面的相应LED阵列执行固化动作。打印头可包括支持子系统，诸如墨喷源、清洁、用于对齐的照相机、电子电路、流体管理和其它设备。
系统20还包括对齐照相机和其它电子器件25、墨喷源和流体管理24。
根据本发明实施例，焊接掩模墨包括紫外线响应性光引发剂(PI)或者下述紫外线响应性光引发剂的混合物，所述紫外线响应性光引发剂被引入配方中，以使得一旦打印区域受到LED UV光，就可进行UV固化处理。
不同PI的吸收光谱应该与用于固化墨的UV响应性混合物的LED的辐照光谱相关。
紫外线响应性PI混合物应该与LED UV的单色(或者窄带)辐射反应。
发射不同波长的LED可能需要不同的PI。通常，LED发射365～395nm范围内的UV光。另外，如果几个波长的UV LED用于有效地固化不同深度的涂布材料，则可存在几种紫外线响应性PI或者紫外线响应性PI和其它材料的混合物，所述其它材料与总体辐射中存在的、需要被相应吸收的各个波长反应。
图3示出UV LED的光谱的示例。曲线30示出该光谱。
典型的光学特性在700mA处。辐射功率Po＝150mW。峰值波长λp＝368nm。半极大处全宽度：Δλ＝10nm。视角2θ1/2＝110度。
发明人对被调整用于可通过从LED UV源发射的UV光固化的图例(掩模)和焊接掩模喷墨墨的各种混合物进行了评估。
焊接掩模墨的示例包括以下混合物：
1、紫外线响应性PI混合物——例如，包括(a)零个或更多个反应性单体(比如，丙烯酸胺酯、Ebecryl P 116)、(b)零个或更多个共引发剂(比如，增效剂、Additol ITX)和(c)至少一个活性光引发剂(比如，Irgacure 369、Irgacure 651、苯甲酮、Irgacure 379、Irgacure 184等)。
2、单体，诸如自由基式UV固化单官能团丙烯酸酯(比如，异冰片丙烯酸酯)、自由基式UV固化双官能团丙烯酸酯(比如，二丙二醇丙烯酸酯)、丙烯酸酯齐聚物()。
3、热固性树脂，诸如酚醛树脂、胺基树脂。
4、颜料和/或填料(比如，TiO2、BaSO4)。
在该示例中，24微米厚的焊接掩模涂层需要大约300mJ/cm2能量剂量变为无粘性。
在所需的固化能量的情况下，并且已知LED的功率，可计算曝光时间。可替换地，基于所需的固化能量和预计的曝光时间，可计算所需的LED功率。
紫外线响应性PI混合物与焊接掩模喷墨墨混合，并可朝向从LED UV源发射的280～400nm UV光的范围变为响应性。
图4示出根据本发明实施例的方法400。方法400可起始于初始化阶段410。
阶段410可包括选择将使用的紫外线固化墨、确定固化处理参数，诸如辐射持续时间(脉冲的、连续的)、辐射波长(例如，哪些紫外线LED应该被激活)等。
阶段410后面可接着阶段420，阶段420在电路(诸如印刷电路板)上喷射紫外线固化墨以形成图案。
可基于紫外线辐射穿过紫外线墨的预计穿透深度来选择紫外线墨。
紫外线固化墨可包括紫外线响应性光引发剂混合物、紫外线固化单体、热固性树脂以及颜料和填料中的至少一个。
紫外线响应性光引发剂混合物可包括零个或更多个反应性单体、零个或更多个共引发剂和至少一个活性光引发剂。
阶段420可包括通过紫外线LED阵列使所述图案曝光。
阶段420可包括通过紫外线LED阵列使所述图案曝光，其中所述阵列的至少两个紫外线LED就发射的紫外线辐射的波长而言彼此不同。
阶段420可包括喷射紫外线固化墨以形成图例图案。
阶段420可包括喷射紫外线固化墨以形成焊接掩模图案。
阶段420后面可接着阶段430，阶段430通过用从至少一个紫外线LED产生的紫外线辐射辐照所述图案来至少部分地固化紫外线固化墨。
阶段420可重复多次，用于产生多个图案，另外或者可替换地，用于产生多层多个图案。在图案的层的深度(厚度)与迭代次数之间可存在权衡。较薄的层将有助于打印的均匀性，但是可需要更多的打印和固化迭代。
阶段430可包括用单色的紫外线辐射辐照所述图案。
阶段430可包括用紫外线辐射辐照所述图案，所述紫外线辐射可包括彼此不同的多个波长。所述多个波长可被选择成提供所述图案的基本均匀固化。所述多个波长可被选择成提供所述图案的上表面和所述图案的下层的相同固化。
尽管本文已示出并描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员现在将想到许多修改、代替、改变和等同。因此，应该理解，所附权利要求的意图在于覆盖落在本发明的真正精神内的所有这样的修改和改变。

Claims (27)

1.一种用于在电路上印刷图案的方法，所述方法包括：
在电路上喷射紫外线固化墨，以形成图案；和
通过使所述图案受到从至少一个紫外线发光二极管LED产生的紫外线辐射来至少部分地固化所述紫外线固化墨。
2.根据权利要求1所述的方法，包括用单色的紫外线辐射辐照所述图案。
3.根据权利要求1所述的方法，包括用紫外线辐射辐照所述图案，所述紫外线辐射包括彼此不同的多个波长。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述多个波长被选择成提供图案的基本均匀固化。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述多个波长被选择成提供所述图案的上表面和所述图案的下层的相同固化。
6.根据权利要求1所述的方法，包括通过紫外线LED阵列辐照所述图案。
7.根据权利要求1所述的方法，包括通过紫外线LED阵列辐照所述图案，其中所述阵列的至少两个紫外线LED就发射的紫外线辐射的波长而言彼此不同。
8.根据权利要求1所述的方法，包括喷射紫外线固化墨以形成图例图案。
9.根据权利要求1所述的方法，包括喷射紫外线固化墨以形成焊接掩模图案。
10.根据权利要求1所述的方法，包括喷射紫外线固化墨以形成抗蚀剂图案。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述紫外线墨基于紫外线辐射穿过紫外线墨的预计穿透深度而被选择。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述紫外线固化墨包括紫外线响应性光引发剂混合物、紫外线固化单体、热固性树脂以及颜料和填料中的至少一个。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述紫外线响应性光引发剂混合物包括零个或更多个反应性单体、零个或更多个共引发剂和至少一个活性光引发剂。
14.一种系统，包括：
印刷模块，所述印刷模块被布置为在电路上喷射紫外线固化墨以形成图案；和
固化模块，所述固化模块被布置为通过用从固化模块的至少一个紫外线发光二极管(LED)产生的紫外线辐射辐照所述图案来至少部分地固化所述紫外线固化墨。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述固化模块被布置为用单色的紫外线辐射辐照所述图案。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述固化模块被布置为用紫外线辐射辐照所述图案，所述紫外线辐射包括彼此不同的多个波长。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述多个波长被选择成提供所述图案的基本均匀固化。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述多个波长被选择成提供所述图案的上表面和所述图案的下层的相同固化。
19.根据权利要求14所述的系统，其中，所述固化模块被布置为通过紫外线LED阵列辐照所述图案。
20.根据权利要求14所述的系统，所述固化模块被布置为通过紫外线LED阵列辐照所述图案，其中所述阵列的至少两个紫外线LED就发射的紫外线辐射的波长而言彼此不同。
21.根据权利要求14所述的系统，其中，所述印刷模块被布置为喷射紫外线固化墨以形成图例图案。
22.根据权利要求14所述的系统，其中，所述印刷模块被布置为喷射紫外线固化墨以形成焊接掩模图案。
23.根据权利要求14所述的系统，其中，所述印刷模块被布置为喷射紫外线固化墨以形成抗蚀剂图案。
24.根据权利要求14所述的系统，其中，所述印刷模块被布置为喷射紫外线墨，所述紫外线墨基于紫外线辐射穿过紫外线墨的预计穿透深度而被选择。
25.根据权利要求14所述的系统，其中，所述印刷模块被布置为喷射紫外线墨，所述紫外线墨包括紫外线响应性光引发剂混合物、紫外线固化单体、热固性树脂以及颜料和填料中的至少一个。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述紫外线响应性光引发剂混合物包括零个或更多个反应性单体、零个或更多个共引发剂和至少一个活性光引发剂。
27.一种紫外线固化墨，包括：紫外线响应性光引发剂混合物、紫外线固化单体、热固性树脂以及颜料和填料中的至少一个。
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