复眼式UV_LED面光源的曝光机平行光系统

1、复眼式UV-LED面光源的曝光机平行光系统Paper Code: S-090闵秀红（深南电路有限公司，广东 深圳 518117）摘 要印制电路板生产设备紫外线曝光机的光源系统，其能耗大、使用维护成本高、含汞等缺陷，在倡导节能环保的当今，业界一直致力于改进。UV-LED面光源作为新一代绿色 环保紫外线光源，为印制电路板曝光领域带来革命性的变化。文章通过分析传统平行 光紫外曝光机光学系统特点，设计了一种平行光紫外线曝光机适用的UV-LED面光源系 统，UV-LED灯珠光功率利用率大幅提高，光照均匀性优良，并且不改变曝光机结构的 情况下，可直接安装使用。实验表明，采用了复眼式阵列光学透镜结构设计的U

2、V-LED 面光源系统，完全可替代传统平行光紫外曝光机光源。 紫外发光二极管；紫外曝光机；复眼透镜；平行光关键词中图分类号：TN41文献标识码：A文章编号：1009-0096（2014）04-0033-05Exposure machine fl y eye type UV-LED surfacelight source of collimated light systemMIN Xiu-hongAbstractThe light source system of ultraviolet exposure machine which is the PCB production equipment

3、,has high energy consumption, high using and maintenance costs, mercury and other defects. To promote energy- saving environmental protection industry today, the industry has been working to improve. UV-LED surface light source as a new generation of green ultraviolet light source, brings the revolu

4、tionary change for the PCB exposure fi eld. In this paper, through the analysis of features of the traditional collimated light ultraviolet exposure machine, it designed a kind of UV-LED surface light source system for the collimated light ultraviolet exposure machine, a substantial increase in UV-L

5、ED light pearl power ef ficiency, illumination uniformity is good, and does not change the exposure machine structure, can be directly installed. Experiments show that, the UV-LED surface light source system using the optical lens structure of fl y's eye array can completely replace the traditio

6、nal collimated l lightultraviolet exposure machine light source.Key wordsUV-LED; UV Exposure Machine; Fly-Eye Lens; Collimated Light1引言印制电路板紫外线平行光曝光机的光源一般采达5 kW，寿命只为800 h至1 000 h，加上每次使用前需先预热，因此实际有效使用时间远低于800 h。 而且这种传统水银灯会产生大量的热与红外线，会 破坏涂层，因此需使用较远的工作距离，进而更降用高压球形汞灯（短弧氙气汞灯），单支灯管功率-33-图形形成与蚀刻 Pattern Fo

7、rmation and Etching印制电路信息 2014 No.4低使用效率；而且大量的热与红外线导致系统热量高，需搭配冷却系统与空调设备，能量耗大，寿命 短，含汞，并产生臭氧等，其能耗大、使用维护成 本高、含汞等缺陷，在倡导节能环保的当今，业界 一直致力于改进，但因原始硬件的局限性一直难以 突破。近年来随着大功率UV-LED的问世，其高效节 能、恒定的光照强度、优秀的温度控制、几乎为零 的维护成本，为印制电路板曝光特种光源带来革命 性的变化。UV-LED面光源作为新一代绿色环保紫外 线光源，替代传统曝光灯成为发展趋势，而传统紫 外线平行光曝光机无法直接应用UV-LED光源，需要 对设备进

8、行改造，阻碍了UV-LED技术的推广应用。 本文通过分析传统平行光紫外曝光机光学系统特 点，设计了一种平行光紫外线曝光机适用的UV-LED面光源系统。光机台的使用寿命。（6）是目前环保性最好的光源。不含汞等有害 物质，十分坚固耐用，在运输、安装和使用中不会 破碎，无污染。在制造和使用过程中的能耗小，是 一种典型的绿色光源。2.2提高PCB图形转移制程的稳定性（1）稳定的影响转移品质。由于UV-LED不含红外线，可以避免底片因温度变化而产生的胀缩变 形。（2）几乎没有光能衰减，超长的使用寿用（相 对汞弧灯1 000 h寿命）。（3）曝光均匀度保持长久一致性。没有反光镜（或反光罩）的变形和换灯时对

9、灯管光轴的调整等 引起的均匀度变差问题。同时通过调节流入阵列中 每个UV-LED的电流来控制发光强度，以实现曝光能 量的高均匀度。2UV-LED面光源替代传统紫外线光2.3降低使用成本源的优势UV-LED即发紫外光的LED二极管（Ultraviolet light emitting diode），其波长为315 nm 450 nm。面 光源是只发光的模式，是通过专门设计使UV-LED能 发出一个完整连续紫外光面。UV-LED是一种固体冷光源，它不是通过热能使 物体升温而发光的，而是由电能直接转换成光能， 是继白炽灯、荧光灯和高气压放电灯（HID）之后的 第四代新型光源。PCB行业所用的UV-L

10、ED即是在紫外光波段355 nm 415 nm之间的LED。UV-LED的高效性能，大幅度降低了曝光机的用电量，同时也减少了热效应，并且无需冷却水，减 少资源浪费，可节省高达80%的运行成本。2.4节能环保普通曝光机所使用的高压汞灯含有大量的有 害水银，使环境遭到破坏。另外由于其光谱范围很 宽，会产生长波段的红外线，发出不利于制程的热 量；也会产生波长小于240 nm的电磁辐射，其能量小 于5.2 eV，已超过空气中氧分子的结合能。因而可产 生具有强烈气味和污染的臭氧，对操作者身体有害。 而UV-LED的波长很窄，主要为365 nm或395 nm，其 光谱半宽度约5 nm左右，不会产生对人体有

11、害的电 磁辐射。UV-LED不仅极为省电，也不含汞等有害物 质，是环保性能好的光源。UV-LED光源在国外生产的PCB曝光设备中已 经得到越来越多的应用。目前最先进的直接成像 （LDI）系统中，日本的SCREEN采用多波长组合的 UV-LED光源系统。德国的Kreo、法国的ALTIX和瑞 士的PrintprocessAG等在全自动或手动曝光设备中采用了水冷的UV-LED光源。2.1 UV-LED的特点（1）LED的PN结特性，决定了其区别于传统光源的电气性能，即单向非线性导电特性，低电压驱 动，以及使用安全、调光容易等特性。（2）响应速度快，通电后无须热启动时间，点 亮时间约60 ns。在PC

12、B曝光时可瞬间点亮，无待机 损耗。（3）发光效率高，能量消耗低，较传统高压汞 弧灯可节电80%。（4）配光特性强，采用不同的透镜结构就可以 达到特定的发光效果。很适合在曝光设备中获得所 需的平行光。（5）超长使用寿命，达数万小时。可等同于曝3UV-LED面光源光学系统分析及做法-34-图形形成与蚀刻Pattern Formation and Etching印制电路信息 2014 No.4PCB的线路制作工艺中，一个重要的环节就是利用光学曝光的方法进行菲林与印制板间的图像转 移，而曝光机是实现图像转移的关键设备，印刷电 路板的质量、精度等问题很大程度上取决于曝光质 量。在受照台面的有效曝光面积内

13、，紫外线的平行 度、能量均匀度又决定了系统的曝光质量。曝光机曝光光源形式分为散射光、平行光， 事实上，完全的理想平行光曝光机是不存在的，但 我们经常会用曝光机光源的入射角qc（Declination Angle）和散射角qa/2（Collimation Angle）来决定曝 光机的性能（如图1）。一般平行光曝光机的定义是入射角qc和散射角qa/2之角度3°。图3 5 kW短弧氙气汞灯小透镜的形状可以是长方形或者六边形等等，处于中心位置的小透镜被称为中心小透镜，其它小透镜 以它为中心向四周呈辐射分布。通常使用时，需要 有两列复眼透镜平行排列，第一列透镜中的各个小 元素透镜的焦点与第二列

14、透镜中对应的元素透镜中 心重合。两列复眼透镜的光轴互相平行，即两列透 镜的元素透镜分别一一对应（如图4所示）。它的匀光原理是：当光束照射到第一块透镜 后，光束被聚焦到第二块复眼透镜的中心，此时的 光束会聚并不是传统意义上的简单会聚，而是入射 光束被第一块复眼透镜中的小透镜分解成个通道（是小透镜的个数），即光源被多个小透镜成像 于第二块透镜中的每个小透镜的中心位置，然后出 射到达照明面。每个通道的光束独立地照明目标平 面，所以到达照明面的光斑是每个通道照明光束的 叠加。结果每个通道光束内的细小的不均匀性因为 光束的对称叠加而优化，整个孔径内的出射光均匀性得到很大改善。图1 光源入射角/散射角示意

15、图为了达到平行光目的，紫外线平行光曝光机的光学系统主要由光源（高压球形汞灯）、椭球面集光 器、冷光镜、光学积光器、二向反射镜和球面上下平 行反射镜组成（图2）。光源发出的光被椭球面集光 器聚焦后，经冷光镜反射到光学积光器，从光学积光 器射出的光到达二向反射镜位置。二向反射镜挡住 时，光线反射到上平行反射镜；二向反射镜移开时， 光线由光学积光器直射到下平行反射镜，被上下平行 反射镜准直反射到受照台面上对PCB板进行曝光。近 似光路如图2中点划线所描述。图4 复眼透镜以上分析可得知，要保证紫外线平行光曝光机光学系统优良的平行度和均匀性，复眼透镜必不可 少重要光学元件。UV-LED由于是平面发光，方

16、向性强，光线仅需 通过一组特制的光学透镜就能得到理想的平行光。 光线的平行半角是通过精密模造和研磨的石英透镜 来保证的，装配后就不会改变。每个透镜的机械尺 寸较反光镜或反射罩小数百倍，加工技术也更成 熟，使光线容易达到更小的平行半角，也使UV-LED曝光机能达到更高的线路解析度。UV-LED面光源发图2 紫外线平行光曝光机光学系统图中光学积光器其实质是复眼透镜（又叫蝇眼透镜），是现在光学系统中实现均匀照明常用的一 种光学元件。由一系列相同的小透镜拼合得到的，-35-图形形成与蚀刻 Pattern Formation and Etching印制电路信息 2014 No.4出的紫外光直接照射于受照

17、台面（晒版），光效率最高，但如果要实现两面曝光，则需要上下台面安 装2个UV-LED面光源，节能效果大打折扣，并且要 改变原有设备结构，改造难度大，不利于UV-LED技 术的推广应用。可以根据传统平行光紫外曝光机光 学系统，结合UV-LED面光源特点设计一种平行光紫 外线曝光机适用的UV-LED面光源的节能曝光灯。UV-LED面光源的节能曝光灯，必需具备平行 光、能量均匀度好、节能、可直接安装使用的特点。 根据这四项特点，根据上述紫外线平行光曝光机 光学系统分析， 可设计如图5所示方式，直接安装于原光学积分器位置的复眼式UV-LED面光源曝光灯。 复眼透镜均匀照明的原理是（图6）：UV-LED

18、面光源由30方格阵列组成，4颗（电功率10 W/颗） UV-LED灯珠集成封装在一个方格内，表面为聚光 透镜，将UV-LED灯珠发出的120°光整形为30束准 平行光束，每个光束与光轴平行，光束通过第一块 透镜后聚焦在第二块透镜的中心处，第一排复眼透 镜将光源形成多个光源像进行照明，第二排复眼透 镜的每个小透镜将第一排复眼透镜对应的小透镜重 叠成像于照明面上。由于第一排复眼透镜将光源的整个宽光束分为多个细光束照明，且每个细光束范围内的微小不均匀性由于处于对称位置细光束的相互叠加，使细光束的微小不均匀性获得补偿，从而 使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用。从第 二排复眼透镜出射的光斑

19、通过聚光镜聚焦在上下平 行反射镜上，这样，反射镜上光斑的每一点均受到 光源所有点发出的光线照射，同时，光源上每一点 发出的光束又都交会重叠到照明光斑上的同一视场 范围内（如图7所示），所以得到一个均匀的方形 面光源。图7 复眼均光示意图UV-LED面光源曝光灯，发射出的紫外光为30束梯形叠加的形式，经平行反射镜整形为平行光照射 到受照台面，光照均匀性及能量利用率大幅提高。4实验部分试验主要结合前面分析与实际过程中设计了复眼式UV-LED面光源曝光灯，曝光灯及安装结构实物图如图8所示，分别对：光能量照度，光照均匀性， 线路解析度进行了测试。图5 UV-LED面光源光学示意图图8 UV-LED面光

20、源曝光灯及安装结构实物图4.1光能量照度实验中分别设计了均匀排列和复眼阵列两种排图6 UV-LED面光源复眼均光原理示意图-36-图形形成与蚀刻Pattern Formation and Etching印制电路信息 2014 No.4列方式的UV-LED面光源曝光灯（如图9所示）。4.3线路解析度线路解析度测试结果，满足曝光工艺要求。数据表和解析图如图11所示。图9 UV-LED面光源灯珠排列方式测试结果：均匀排列式照度4 mW/cm2。所用灯珠电功率4 W/颗，共用225颗，总功率900 W； 复眼阵列排列式照度10 mW/cm2，所用灯珠10w/颗，共用120颗，总功率1200 W； 两种排列方式相比