复眼式UV-LED面光源的曝光机平行光系统

复眼式UV-LED面光源的曝光机平行光系统
闵秀红
【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UV-LED面光源系统，完全可替代传统平行光紫外曝光机光源。

%The light source system of ultraviolet exposure machine which is the PCB production equipment, 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 revolutionary change for the PCB exposure ifeld. 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-LED light pearl power efifciency, 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 lfy's eye array can completely replace the traditional collimated l light ultraviolet exposure machine light source.
【期刊名称】《印制电路信息》
【年(卷),期】2014(000)004
【总页数】5页(P33-37)
【关键词】紫外发光二极管;紫外曝光机;复眼透镜;平行光
【作者】闵秀红
【作者单位】深南电路有限公司，广东深圳 518117
【正文语种】中文
【中图分类】TN41
1 引言
印制电路板紫外线平行光曝光机的光源一般采用高压球形汞灯（短弧氙气汞灯），单支灯管功率达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。

2 UV-LED面光源替代传统紫外线光源的优势
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-LED即是在紫外光波段355 nm ～ 415 nm之间的LED。

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PCB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。

2.3 降低使用成本
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。

3 UV-LED面光源光学系统分析及做法
PCB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，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θc（Declination Angle）和散射角θα/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θc和散射角θα/2之角度≤3°。

图1 光源入射角/散射角示意图
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2 紫外线平行光曝光机光学系统
图3 5 kW短弧氙气汞灯
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，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N个通道（N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面光源发出的紫外光直接照射于受照台面（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5 UV-LED面光源光学示意图
图6 UV-LED面光源复眼均光原理示意图
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8 UV-LED面光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列方式的UV-LED面光源曝光灯
（如图9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；
两种排列方式相比较，采用复眼阵列式虽然功率增加1/3，但光能量照度大幅提升1.5倍，可满足平行光曝光机光能量照度要求。

4.2 光照均匀性
测试方法：采用UV能量计测量曝光台面九个点的能量。

曝光量设定：时间模式5 s，强度设定：100%。

测量仪：ORC- UV351能量计
测量结果如图10。

图10
结果：均匀性都达到90%以上，可满足要求。

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11 数据表和解析度图
通过以上试验数据分析，复眼式阵列光学透镜结构设计的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UV-LED面光源系统，完全可替代传统平行光紫外曝光机光源。

5 结论
采用了复眼式阵列的UV-LED面光源系统，光能量均匀性和能量密度求能量均匀性达到90%以上，平均能量密度达到10 mW/cm2。

利用复眼阵列式，对系统能量利用率的提高也有很大帮助，UV-LED灯珠光功率利用率大幅提高，光照均匀性
优良，完全可替代传统平行光紫外曝光机光源。

参考文献
【相关文献】
[1]赵新才, 吴云峰. PCB曝光机照明系统的均匀性仿真与研究[J]. 光学仪器, 2010, 32(4):52-57.
[2]顾志刚. PCB用曝光机之平行光系统[J]. 印制电路信息, 2002.3:38-39.
[3]刘钱飞, 张小宁等. LED背光源亮度均匀性改善方法[J]. 真空电子技术, 2009.6:17-20.。