高精密度平行光曝光機圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)

黃志遠 張建軍 梁四連

（銅陵市超遠精密電子科技有限公司，安徽 銅陵 244000）

楊小健 王澤宇 朱 萌 何 為

（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）

1 前言

目前電子行業(yè)中PCB線路制作的圖形轉(zhuǎn)移曝光設(shè)備大多數(shù)為非平行光，屬于散射光源，照射角度一般為3°～15°角，致使圖形轉(zhuǎn)移失真，對于精度要求高的高密度電路板及液晶顯示板，加工精度達不到高端水平[1][2]。

只有掌握核心圖形轉(zhuǎn)移設(shè)備技術(shù)，才能生產(chǎn)出高品質(zhì)電器及高清晰顯示器。為此研發(fā)出平行光曝光設(shè)備。其主要特點：點光源配合反光鏡鍍膜技術(shù)，將寬光波長改變，將多余可見光濾出，UV光控制在350 nm ～ 420 nm，將其光反射在蜂鏡上，將點光打散后，將光束改變成1°～1.5°平行光，而且通過控制圖像軟件將對位方式變成數(shù)控轉(zhuǎn)換自動對位[3]，達到對位精度在0.025 mm以內(nèi)，精度一次性好，節(jié)省勞動力，大大提高生產(chǎn)效率及品質(zhì)。此項技術(shù)達到國外技術(shù)水平。在細密線路制作上，平行光更顯優(yōu)勢：平行光在干膜抗蝕劑成像的應(yīng)用，顯影后側(cè)蝕控制較散光方式大有改善，可確保線路制作線寬/線距合乎規(guī)范；使用高強度高功率光源可縮短曝光時間提高產(chǎn)量。

為迎合PCB、LCD行業(yè)向密集細線路發(fā)展趨勢，本文旨在研究生產(chǎn)過程中高精密度平行光曝光機圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)，由原來0.127 mm/0.127 mm（5 mil/5 mil）線路能力提升到0.05 mm/0.05 mm（2 mil/2 mil）能力，實現(xiàn)了向精細線路的大跨越。

2 平行光曝光機工作原理

2.1 光源

圖1是高壓水銀弧光燈構(gòu)造圖。印刷電路板制程中干膜曝光所需的光源大致而言以近紫外光為主，波長范圍為：400 nm ～ 300 nm；紫外光源是以水銀弧光燈為主。當(dāng)電流通過一個內(nèi)部充滿惰性氣體和金屬蒸氣的玻璃封管時，就會產(chǎn)生弧光。簡單的原理為封管內(nèi)游離電子經(jīng)電場加速后本身具有足夠的能量，可將被其碰撞的惰性氣體（例如氖）使其發(fā)生離子化反應(yīng)。碰撞后，帶正電的氖離子往相反電極方向走，再碰到電子時發(fā)生互相結(jié)合，而成中性。因其之碰撞以及正負結(jié)合的能量，使產(chǎn)生一種激發(fā)態(tài)的氖原子。這種激發(fā)態(tài)的氖原子壽命較長，可再將激發(fā)能移給封管內(nèi)同時存在的金屬蒸氣（例如汞原子），使其也被激發(fā)。此種激發(fā)態(tài)汞再以放出光能的方式將能量放出，以回到安定狀態(tài)。這就是弧光燈發(fā)光的原理。如下反應(yīng)式：

2.2 光路

圖2是平行光原理示意圖，光源發(fā)出來的光，部份經(jīng)過聚光器，然后再經(jīng)過介質(zhì)性的冷光面鏡或雙向鋁鏡，而反射出來；此兩種鏡面也可當(dāng)作紅外線濾光器雙向鋁鏡，讓光源中的紅外光透過，其中之熱量則被散熱座所吸收。剩下的冷光成90°折射透過另外一個雙凸透鏡的組合（一般稱為光線整合器Light Integrator），此時紅外光被濾走，剩下來幾乎都是很純的紫外光，是一種外觀為藍色的光，其波長在320 nm ～ 405 nm之間。然后再到達另兩個反射表面，一般稱此為平行光反射鏡，變成平行光線反射出來，到達工作區(qū)域上。

3 圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)原理

3.1 干膜

感光材料介質(zhì)，由聚酯片基、光敏抗蝕膠膜和聚乙烯保護膜三層構(gòu)成。片基是光敏抗蝕劑膠膜的載體，使抗蝕干膜保持良好的尺寸穩(wěn)定性，還可保護抗蝕膜不被磨損；光敏抗蝕劑膠膜由具有光敏性抗蝕樹脂組成；聚丙烯或聚乙烯薄膜是覆蓋在抗蝕膠層另一面的保護層。

3.2 底片

底片是圖形轉(zhuǎn)移媒介，如圖3。

3.3 圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)原理

紫外光透過圖形轉(zhuǎn)移媒介（黑片）與感光材料（干膜）發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，使高分子內(nèi)部或高分子之間的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致感光性高分子的物性發(fā)生變化，其化學(xué)活性較差。未照射的不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，活性不變，發(fā)生反應(yīng)部分化學(xué)活性較低，利用這一特性，采用溶解或剝離方法形成導(dǎo)電圖形。

3.4 干膜圖形轉(zhuǎn)移流程

4 高精密度平行光曝光機圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)要點

實驗以制作0.05 mm/0.05 mm（2 mil/2 mil）密集線路做說明。

4.1 PCB板面粗糙度控制

控制PCB板面粗糙度主要為增加干膜與PCB覆銅箔表面結(jié)合力。主要指標為：Rz值≥1.5 mm，控制范圍：1.5 mm ～ 2.5 mm。磨痕測試為上面12 mm、12 mm、12 mm；下面12 mm、12 mm、12 mm。實驗測試位置如圖4，測試結(jié)果Rz值記錄見表1。

表1 PCB板面粗糙度Rz值

實驗表明PCB板面粗糙度在磨板之前，Rz最小值為1.054μm，最大值為1.872μm，平均值為1.391 mm，均勻性比較差而且不滿足實驗指標。而打磨后的PCB兩面的粗糙度比較均勻，平均在1.751 mm左右。圖5是磨板前后PCB板面的SEM圖片，未經(jīng)過磨板之前（圖5a），表面不夠粗糙 ，沒有峰狀起伏的溝槽；經(jīng)過磨板之后（圖5b），表面粗糙、均勻、沙?；?、多峰狀，滿足粗糙度要求。

4.2 貼膜技術(shù)控制

用印刷電路板干膜，利用由內(nèi)而外的加熱方式，加熱兩支壓膜滾輪，由兩組紅外線測溫感應(yīng)器探測壓膜輪的表面溫度，再由精密電子溫度控制器，控制加熱器的加熱，使得壓膜輪外表的溫度在壓膜過程中能過于穩(wěn)定，使整個感光膜牢牢的沾附在板上。實驗要求壓膜速度為1.3 m/min，壓力為0.49 MPa（5.0 kg/cm2），熱壓輪負載溫度≥105 ℃。溫度測量位置如圖5，測量數(shù)據(jù)見表2。表明貼膜過程中，溫度設(shè)定在125時，過半數(shù)量在100以內(nèi)，上下壓膜溫度基本穩(wěn)定而且溫度≥105 ℃，保障干膜均勻緊密的沾附在PCB覆銅箔表面上。

表2 貼膜溫度測試數(shù)據(jù)

4.3 曝光控制

底片光密度控制： 圖6是實驗使用的底片照片，要求遮光度（≥4.5）與透光度（≤0.08）。測試結(jié)果見表3，表明實驗所用底片的遮光度與透光度比較穩(wěn)定，滿足實驗的要求。

表3 底片的遮光度和透光度

曝光能量均勻性的測定：（1） 曝光能力設(shè)定：100 MJ/cm2；（2）采用九點測試法；（3） 測試工具：已經(jīng)校正的UV光能量計；（4）計算方法：[1－（最大值－最小值）/（最大值＋最小值）]*100%。

表4是曝光能量均勻性的測試結(jié)果，平行光曝光能量的均勻性都是大于等于85%。滿足實驗曝光的要求。

表4 曝光能量均勻性的測試

4.4 顯影控制

顯影液為1.0%的碳酸鈉（加適量的消泡劑）；顯影的噴射壓力0.15 MPa（1.5 Kg/cm2）；顯影液的溫度為28 ℃ ～ 32 ℃，顯影時間調(diào)整為通過顯影區(qū)1/2處露銅。

圖7是顯影解析度測試，顯影后干膜線路經(jīng)過3次膠帶反復(fù)剝離測試，45μm干膜線條已可達到無甩膜翹起現(xiàn)象，滿足0.05 mm/0.05 mm（2 mil/2 mil）線路要求。

5 總結(jié)

文章研究開發(fā)了平行曝光機圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)，由原來0.127 mm/0.127 mm（5 mil/5 mil）線路能力提升到0.05 mm/0.05 mm（2 mil/2 mil）能力，實現(xiàn)了向精細線路的大跨越，為制作高精密度線路板提供了強大的技術(shù)基礎(chǔ)，同時也滿足了市場的需要，促進了PCB行業(yè)的發(fā)展。

[1]顧志剛. PCB用曝光機文平行光系統(tǒng)[J]. 印制電路信息, 2002,3:38-39.

[2]鄭新武. 紫外線曝光機燈源系統(tǒng)設(shè)計[J]. 印制電路信息, 2011,5:21-30.

[3]楊志鋒, 李寅, 陳永明. PCB曝光機自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機電工程技術(shù), 2009,38(11):43-45.