復(fù)眼式UV-LED面光源的曝光機(jī)平行光系統(tǒng)

閔秀紅

（深南電路有限公司，廣東 深圳 518117）

1 引言

印制電路板紫外線平行光曝光機(jī)的光源一般采用高壓球形汞燈（短弧氙氣汞燈），單支燈管功率達(dá)5 kW，壽命只為800 h至1 000 h，加上每次使用前需先預(yù)熱，因此實(shí)際有效使用時(shí)間遠(yuǎn)低于800 h。而且這種傳統(tǒng)水銀燈會(huì)產(chǎn)生大量的熱與紅外線，會(huì)破壞涂層，因此需使用較遠(yuǎn)的工作距離，進(jìn)而更降低使用效率；而且大量的熱與紅外線導(dǎo)致系統(tǒng)熱量高，需搭配冷卻系統(tǒng)與空調(diào)設(shè)備，能量耗大，壽命短，含汞，并產(chǎn)生臭氧等，其能耗大、使用維護(hù)成本高、含汞等缺陷，在倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保的當(dāng)今，業(yè)界一直致力于改進(jìn)，但因原始硬件的局限性一直難以突破。

近年來隨著大功率UV-LED的問世，其高效節(jié)能、恒定的光照強(qiáng)度、優(yōu)秀的溫度控制、幾乎為零的維護(hù)成本，為印制電路板曝光特種光源帶來革命性的變化。UV-LED面光源作為新一代綠色環(huán)保紫外線光源，替代傳統(tǒng)曝光燈成為發(fā)展趨勢(shì)，而傳統(tǒng)紫外線平行光曝光機(jī)無法直接應(yīng)用UV-LED光源，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，阻礙了UV-LED技術(shù)的推廣應(yīng)用。本文通過分析傳統(tǒng)平行光紫外曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種平行光紫外線曝光機(jī)適用的UV-LED面光源系統(tǒng)。

2 UV-LED面光源替代傳統(tǒng)紫外線光源的優(yōu)勢(shì)

UV-LED即發(fā)紫外光的LED二極管（Ultraviolet light emitting diode），其波長(zhǎng)為315 nm ～ 450 nm。面光源是只發(fā)光的模式，是通過專門設(shè)計(jì)使UV-LED能發(fā)出一個(gè)完整連續(xù)紫外光面。

UV-LED是一種固體冷光源，它不是通過熱能使物體升溫而發(fā)光的，而是由電能直接轉(zhuǎn)換成光能，是繼白熾燈、熒光燈和高氣壓放電燈（HID）之后的第四代新型光源。PCB行業(yè)所用的UV-LED即是在紫外光波段355 nm ～ 415 nm之間的LED。

2.1 UV-LED的特點(diǎn)

（1）LED的PN結(jié)特性，決定了其區(qū)別于傳統(tǒng)光源的電氣性能，即單向非線性導(dǎo)電特性，低電壓驅(qū)動(dòng)，以及使用安全、調(diào)光容易等特性。

（2）響應(yīng)速度快，通電后無須熱啟動(dòng)時(shí)間，點(diǎn)亮?xí)r間約60 ns。在PCB曝光時(shí)可瞬間點(diǎn)亮，無待機(jī)損耗。

（3）發(fā)光效率高，能量消耗低，較傳統(tǒng)高壓汞弧燈可節(jié)電80%。

（4）配光特性強(qiáng)，采用不同的透鏡結(jié)構(gòu)就可以達(dá)到特定的發(fā)光效果。很適合在曝光設(shè)備中獲得所需的平行光。

（5）超長(zhǎng)使用壽命，達(dá)數(shù)萬小時(shí)?？傻韧谄毓鈾C(jī)臺(tái)的使用壽命。

（6）是目前環(huán)保性最好的光源。不含汞等有害物質(zhì)，十分堅(jiān)固耐用，在運(yùn)輸、安裝和使用中不會(huì)破碎，無污染。在制造和使用過程中的能耗小，是一種典型的綠色光源。

2.2 提高PCB圖形轉(zhuǎn)移制程的穩(wěn)定性

（1）穩(wěn)定的影響轉(zhuǎn)移品質(zhì)。由于UV-LED不含紅外線，可以避免底片因溫度變化而產(chǎn)生的脹縮變形。

（2）幾乎沒有光能衰減，超長(zhǎng)的使用壽用（相對(duì)汞弧燈1 000 h壽命）。

（3）曝光均勻度保持長(zhǎng)久一致性。沒有反光鏡（或反光罩）的變形和換燈時(shí)對(duì)燈管光軸的調(diào)整等引起的均勻度變差問題。同時(shí)通過調(diào)節(jié)流入陣列中每個(gè)UV-LED的電流來控制發(fā)光強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)曝光能量的高均勻度。

2.3 降低使用成本

UV-LED的高效性能，大幅度降低了曝光機(jī)的用電量，同時(shí)也減少了熱效應(yīng)，并且無需冷卻水，減少資源浪費(fèi)，可節(jié)省高達(dá)80%的運(yùn)行成本。

2.4 節(jié)能環(huán)保

普通曝光機(jī)所使用的高壓汞燈含有大量的有害水銀，使環(huán)境遭到破壞。另外由于其光譜范圍很寬，會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)波段的紅外線，發(fā)出不利于制程的熱量；也會(huì)產(chǎn)生波長(zhǎng)小于240 nm的電磁輻射，其能量小于5.2 eV，已超過空氣中氧分子的結(jié)合能。因而可產(chǎn)生具有強(qiáng)烈氣味和污染的臭氧，對(duì)操作者身體有害。而UV-LED的波長(zhǎng)很窄，主要為365 nm或395 nm，其光譜半寬度約5 nm左右，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的電磁輻射。UV-LED不僅極為省電，也不含汞等有害物質(zhì)，是環(huán)保性能好的光源。

UV-LED光源在國(guó)外生產(chǎn)的PCB曝光設(shè)備中已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用。目前最先進(jìn)的直接成像（LDI）系統(tǒng)中，日本的SCREEN采用多波長(zhǎng)組合的UV-LED光源系統(tǒng)。德國(guó)的Kreo、法國(guó)的ALTIX和瑞士的PrintprocessAG等在全自動(dòng)或手動(dòng)曝光設(shè)備中采用了水冷的UV-LED光源。

3 UV-LED面光源光學(xué)系統(tǒng)分析及做法

PCB的線路制作工藝中，一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是利用光學(xué)曝光的方法進(jìn)行菲林與印制板間的圖像轉(zhuǎn)移，而曝光機(jī)是實(shí)現(xiàn)圖像轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵設(shè)備，印刷電路板的質(zhì)量、精度等問題很大程度上取決于曝光質(zhì)量。在受照臺(tái)面的有效曝光面積內(nèi)，紫外線的平行度、能量均勻度又決定了系統(tǒng)的曝光質(zhì)量。

曝光機(jī)曝光光源形式分為散射光、平行光，事實(shí)上，完全的理想平行光曝光機(jī)是不存在的，但我們經(jīng)常會(huì)用曝光機(jī)光源的入射角θc（Declination Angle）和散射角θα/2（Collimation Angle）來決定曝光機(jī)的性能（如圖1）。一般平行光曝光機(jī)的定義是入射角θc和散射角θα/2之角度≤3°。

圖1 光源入射角/散射角示意圖

為了達(dá)到平行光目的，紫外線平行光曝光機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)主要由光源（高壓球形汞燈）、橢球面集光器、冷光鏡、光學(xué)積光器、二向反射鏡和球面上下平行反射鏡組成（圖2）。光源發(fā)出的光被橢球面集光器聚焦后，經(jīng)冷光鏡反射到光學(xué)積光器，從光學(xué)積光器射出的光到達(dá)二向反射鏡位置。二向反射鏡擋住時(shí)，光線反射到上平行反射鏡；二向反射鏡移開時(shí)，光線由光學(xué)積光器直射到下平行反射鏡，被上下平行反射鏡準(zhǔn)直反射到受照臺(tái)面上對(duì)PCB板進(jìn)行曝光。近似光路如圖2中點(diǎn)劃線所描述。

圖2 紫外線平行光曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)

圖3 5 kW短弧氙氣汞燈

圖中光學(xué)積光器其實(shí)質(zhì)是復(fù)眼透鏡（又叫蠅眼透鏡），是現(xiàn)在光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)均勻照明常用的一種光學(xué)元件。由一系列相同的小透鏡拼合得到的，小透鏡的形狀可以是長(zhǎng)方形或者六邊形等等，處于中心位置的小透鏡被稱為中心小透鏡，其它小透鏡以它為中心向四周呈輻射分布。通常使用時(shí)，需要有兩列復(fù)眼透鏡平行排列，第一列透鏡中的各個(gè)小元素透鏡的焦點(diǎn)與第二列透鏡中對(duì)應(yīng)的元素透鏡中心重合。兩列復(fù)眼透鏡的光軸互相平行，即兩列透鏡的元素透鏡分別一一對(duì)應(yīng)（如圖4所示）。

它的勻光原理是：當(dāng)光束照射到第一塊透鏡后，光束被聚焦到第二塊復(fù)眼透鏡的中心，此時(shí)的光束會(huì)聚并不是傳統(tǒng)意義上的簡(jiǎn)單會(huì)聚，而是入射光束被第一塊復(fù)眼透鏡中的小透鏡分解成N個(gè)通道（N是小透鏡的個(gè)數(shù)），即光源被多個(gè)小透鏡成像于第二塊透鏡中的每個(gè)小透鏡的中心位置，然后出射到達(dá)照明面。每個(gè)通道的光束獨(dú)立地照明目標(biāo)平面，所以到達(dá)照明面的光斑是每個(gè)通道照明光束的疊加。結(jié)果每個(gè)通道光束內(nèi)的細(xì)小的不均勻性因?yàn)楣馐膶?duì)稱疊加而優(yōu)化，整個(gè)孔徑內(nèi)的出射光均勻性得到很大改善。

圖4 復(fù)眼透鏡

以上分析可得知，要保證紫外線平行光曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)良的平行度和均勻性，復(fù)眼透鏡必不可少重要光學(xué)元件。

UV-LED由于是平面發(fā)光，方向性強(qiáng)，光線僅需通過一組特制的光學(xué)透鏡就能得到理想的平行光。光線的平行半角是通過精密模造和研磨的石英透鏡來保證的，裝配后就不會(huì)改變。每個(gè)透鏡的機(jī)械尺寸較反光鏡或反射罩小數(shù)百倍，加工技術(shù)也更成熟，使光線容易達(dá)到更小的平行半角，也使UV-LED曝光機(jī)能達(dá)到更高的線路解析度。UV-LED面光源發(fā)出的紫外光直接照射于受照臺(tái)面（曬版），光效率最高，但如果要實(shí)現(xiàn)兩面曝光，則需要上下臺(tái)面安裝2個(gè)UV-LED面光源，節(jié)能效果大打折扣，并且要改變?cè)性O(shè)備結(jié)構(gòu)，改造難度大，不利于UV-LED技術(shù)的推廣應(yīng)用。可以根據(jù)傳統(tǒng)平行光紫外曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合UV-LED面光源特點(diǎn)設(shè)計(jì)一種平行光紫外線曝光機(jī)適用的UV-LED面光源的節(jié)能曝光燈。

UV-LED面光源的節(jié)能曝光燈，必需具備平行光、能量均勻度好、節(jié)能、可直接安裝使用的特點(diǎn)。

根據(jù)這四項(xiàng)特點(diǎn)，根據(jù)上述紫外線平行光曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)分析， 可設(shè)計(jì)如圖5所示方式，直接安裝于原光學(xué)積分器位置的復(fù)眼式UV-LED面光源曝光燈。

復(fù)眼透鏡均勻照明的原理是（圖6）：UV-LED面光源由30方格陣列組成，4顆（電功率10 W/顆）UV-LED燈珠集成封裝在一個(gè)方格內(nèi)，表面為聚光透鏡，將UV-LED燈珠發(fā)出的120°光整形為30束準(zhǔn)平行光束，每個(gè)光束與光軸平行，光束通過第一塊透鏡后聚焦在第二塊透鏡的中心處，第一排復(fù)眼透鏡將光源形成多個(gè)光源像進(jìn)行照明，第二排復(fù)眼透鏡的每個(gè)小透鏡將第一排復(fù)眼透鏡對(duì)應(yīng)的小透鏡重疊成像于照明面上。由于第一排復(fù)眼透鏡將光源的整個(gè)寬光束分為多個(gè)細(xì)光束照明，且每個(gè)細(xì)光束范圍內(nèi)的微小不均勻性由于處于對(duì)稱位置細(xì)光束的相互疊加，使細(xì)光束的微小不均勻性獲得補(bǔ)償，從而使整個(gè)孔徑內(nèi)的光能量得到有效均勻的利用。從第二排復(fù)眼透鏡出射的光斑通過聚光鏡聚焦在上下平行反射鏡上，這樣，反射鏡上光斑的每一點(diǎn)均受到光源所有點(diǎn)發(fā)出的光線照射，同時(shí)，光源上每一點(diǎn)發(fā)出的光束又都交會(huì)重疊到照明光斑上的同一視場(chǎng)范圍內(nèi)（如圖7所示），所以得到一個(gè)均勻的方形面光源。

圖5 UV-LED面光源光學(xué)示意圖

圖6 UV-LED面光源復(fù)眼均光原理示意圖

圖7 復(fù)眼均光示意圖

UV-LED面光源曝光燈，發(fā)射出的紫外光為30束梯形疊加的形式，經(jīng)平行反射鏡整形為平行光照射到受照臺(tái)面，光照均勻性及能量利用率大幅提高。

4 實(shí)驗(yàn)部分

試驗(yàn)主要結(jié)合前面分析與實(shí)際過程中設(shè)計(jì)了復(fù)眼式UV-LED面光源曝光燈，曝光燈及安裝結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖8所示，分別對(duì)：光能量照度，光照均勻性，線路解析度進(jìn)行了測(cè)試。

圖8 UV-LED面光源曝光燈及安裝結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

4.1 光能量照度

實(shí)驗(yàn)中分別設(shè)計(jì)了均勻排列和復(fù)眼陣列兩種排列方式的UV-LED面光源曝光燈（如圖9所示）。

圖9 UV-LED面光源燈珠排列方式

測(cè)試結(jié)果：均勻排列式照度4 mW/cm2。所用燈珠電功率4 W/顆，共用225顆，總功率900 W；

復(fù)眼陣列排列式照度10 mW/cm2，所用燈珠10w/顆，共用120顆，總功率1200 W；

兩種排列方式相比較，采用復(fù)眼陣列式雖然功率增加1/3，但光能量照度大幅提升1.5倍，可滿足平行光曝光機(jī)光能量照度要求。

4.2 光照均勻性

測(cè)試方法：采用UV能量計(jì)測(cè)量曝光臺(tái)面九個(gè)點(diǎn)的能量。

曝光量設(shè)定：時(shí)間模式5 s，強(qiáng)度設(shè)定：100%。

測(cè)量?jī)x：ORC- UV351能量計(jì)

測(cè)量結(jié)果如圖10。

圖10

結(jié)果：均勻性都達(dá)到90%以上，可滿足要求。

4.3 線路解析度

線路解析度測(cè)試結(jié)果，滿足曝光工藝要求。數(shù)據(jù)表和解析圖如圖11所示。

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圖11 數(shù)據(jù)表和解析度圖

通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，復(fù)眼式陣列光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的UV-LED面光源系統(tǒng)， UV-LED燈珠光功率利用率大幅提高，光照均勻性優(yōu)良，并且不改變曝光機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，可直接安裝使用。實(shí)驗(yàn)表明，采用了復(fù)眼式陣列光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的UV-LED面光源系統(tǒng)，完全可替代傳統(tǒng)平行光紫外曝光機(jī)光源。

5 結(jié)論

采用了復(fù)眼式陣列的UV-LED面光源系統(tǒng)，光能量均勻性和能量密度求能量均勻性達(dá)到90%以上，平均能量密度達(dá)到10 mW/cm2。利用復(fù)眼陣列式，對(duì)系統(tǒng)能量利用率的提高也有很大幫助，UV-LED燈珠光功率利用率大幅提高，光照均勻性優(yōu)良，完全可替代傳統(tǒng)平行光紫外曝光機(jī)光源。

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