UV-LED面光源在PCB阻焊曝光中的应用

UV-LED面光源在PCB阻焊曝光中的应用

闵秀红

【摘 要】In recent years, the development of the UV-LED, bring

revolutionary changes in the field of PCB exposure. It is energy efficient

and has constant light intensity, good temperature control, and almost

zero maintenance cost. It promotes UV-LED surface light source replacing

the traditional exposure lamp and becomes a accordance with the

characteristics of the ultraviolet light source for PCB solder mask exposure

process, this paper discusses not only the related technologies to

overcome the difficulties in the promotion and application, but also

provided solutions through experimental data, analysis of the factors of

impact on the uniformity, the time and the resolution of UV-LED surface

light source exposure. Using scanning mixed-wavelength UV-LED surface

light source exposure mode, the practice shows that it is energy efficient,

and the light intensity distribution is uniform and stable, is able to fully

meet the requirements of the indicators of the anti-welds exposure

实践表明，采用扫描式、混合波长的UV-LED面光源曝光方式，高效节能、光强

分布均匀稳定、能够完全满足阻焊曝光过程对光源的指标要求，可操作性强，对印

制电路板曝光工艺的品质提升与节能降耗将起到推动作用。

【期刊名称】《印制电路信息》

【年(卷),期】2013(000)004

【总页数】6页(P119-124)

【关键词】紫外发光二极管;扫描;波长;照度

【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 前言

紫外线曝光灯作为印制电路板生产曝光机设备耗材，其能耗大，使用维护成本高，

含汞并产生臭氧等，在倡导节能环保的当今，日益成为业界所关注的焦点。2013

年开始，一项关于汞的禁止条约在全球140多个国家和地区达成共识，并由联合

国环境规划署主持签订《水俣公约》，限定各行业对汞成分的控制和排量计划。目

的在于尽量减少汞对人类身体和全球环境的威胁。采用新型的节能环保紫外光源替

代传统紫外线曝光灯已势在必行。

近年来随着大功率UV-LED的问世，为印制电路板曝光特种光源带来革命性的变

化。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。促使

UV-LED面光源替代传统曝光灯成为发展趋势。

2 应用分析

在印制电路板生产阻焊曝光工艺，主要利用UV紫外线照射把图形转移至油墨上。

油墨内之感光起始剂受到UV紫外线照射后，帮助油墨内光敏聚合反应开始，形成

高分子聚合物。 一般采用超高压水银灯或金属卤素灯（如图1），单支灯管功率

通常达7 KW～10 KW，在PCB曝光灯管中的能耗最高，这种灯的寿命只有800

至1000小时，加上每次使用前需先预热，因此实际有效使用时间更远低于800

小时。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，再加上庞大的设备体积，能量耗大，寿命短，含汞，并

产生臭氧等，这些都是传统曝光灯的缺点。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。

UV-LED即发紫外光的LED二极管（是英文Ultraviolet light emitting diode的

缩写），其波长为315 nm ～ 450 nm。 UV-LED面光源（如图2）是UV-LED

光源的一种，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。与传统UV光源相比，优点是：出光率高，寿命长，纯度高。

UV-LED面光源是目前PCB生产中所用普通紫外线曝光灯理想的升级换代产品。

2.1 阻焊曝光对UV-LED面光源性能要求

（1）波长

曝光灯光源的特性直接影响阻焊曝光质量和效率，光源所发射出的光谱应与感光材

料吸收光谱相匹配，能获得较好的曝光效果。目前阻焊油墨的吸收光波长为

（350～450）nm，较短波长的光，曝光后成像图形的边缘整齐清晰，较长的波

长光能量穿透力好，可使油墨深层快速固化。

由于300 nm以下波长易被玻璃和底片的聚酯片基所吸收，所以在曝光机中选用

的光源其波长一般为（310～440）nm之间（如图3）。而真正能被油墨吸收的

只有365 nm、385 nm等波长，大量的热与红外线导致系统热量高，其利用率很

低。

UV-LED面光源可根据所选用阻焊油墨特性，可采用365 nm、385 nm混合波长

（如图4），能量高度集中在油墨所需要的波长段，极大的提高了能量利用率。

（2）光源形式

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5）。目前传统阻焊曝光机采

用的是散射光，散射角θα/2≤45°。

而UV-LED（紫外—发光二极管）面光源通过光学透镜处理，形成平行光的光斑，

再由多个平行光光斑组合成一个平行光的面光源，平行角＜2°，光源质量更优秀。

（3）光照度

确定阻焊曝光时间通常采用SST21格曝光尺做曝光显像检查。用光密度尺进行曝

光时，光密度小的（即较透明的）等级，油墨接受紫外光能量多，聚合较完全，而

光密度大的（即透明程度差的）等级，油墨接受的紫外光能量少，不发生聚合反应

或聚合不完全，这样选择不同时间进行曝光，可得到不同成像级数，在显影时被显

影掉或只剩下一部分。

曝光光能量公式：E=It 式中：

E——总的曝光能量，mJ/cm2

I——光照度，mW/cm2

t——曝光时间，s

从上述可知，总曝光能量E随灯光照度I和时间t而变化。若t恒定，光源照度决

定了光能量大小，光源照度是选择曝光光源的一项重要指标。

采用UV-LED面光源照射方式，发出的是高纯度365 nm和385 nm混合紫外光，

其能量高度集中在油墨所需要的光谱段，UV-LED面光源虽然只有5 mW/cm2左

右的紫外光强度，但其实际使用效果和光强45 mW/cm2的金属卤素灯效果不相

上下的主要原因，通常使曝光时间缩短到0.5秒到5秒。

（4）曝光均匀性

曝光均匀性是衡量光源质量的一项重要指标。传统曝光灯采用反光罩，将灯源发出

的散射光集聚到一起形成面，曝光能量中心部较周边高，均匀性最佳可达80%。

均匀性受反光罩、水套等影响经常需要调整。

而UV-LED面光源直接由点光源矩阵组合成的面光源，均匀性达85%以上，且稳

定，不受外界因素影响。

2.2 UV-LED面光源的可操作性

如何将UV-LED面光源应用在PCB曝光机上，是考验UV-LED面光源的可操作性。

可采用扫描式的曝光方向（如下图6、7所示），将面光源分别安装于曝光室上下

位置。可采用光源固定扫描式和光源动作扫描式两种方法。

光源固定式即光源固定（如图6），曝光台面框进入曝光室后，均速沿UV-LED

面光源宽度方向往返，此种方式优点是面光源质量稳定，故障率低，缺点是为实现

一个框架扫描，另一框架可同时工作，须增加一个扫描位置，设备尺寸较长。

光源动作式即框架进入曝光室后不动作（如图7），面光源进行扫描动作，均速沿

框架宽度方向往返，此种方式优点是不受设备尺寸制约，可实现用于改造传统曝光

机，缺点是面光源经常动作，故障相对增多。

图6 UV-LED光源固定

图7 UV-LED光源动作

扫描式曝光方式，能有效减小UV-LED面光源尺寸面积，在曝光时间保持相同的

情况下，不仅可有利解决UV-LED灯珠散热问题，同时大幅降低设备成本。

3 试验部分

为验证UV-LED面光源能适用PCB曝光工艺，在我司引进的UV-LED面光源阻焊

曝光机上，分别对不同灯源曝光机台的解析度对比，结果对比如下表1所示：

通过以上试验数据分析，结合在我司实际批量板生产验证。实践表明采用扫描式、

混合波长的UVLED面光源曝光方式，光强分布均匀稳定，能完全满足PCB阻焊

曝光工艺，在工艺品质方面更优于传统的金属卤素灯曝光机。

4 应用效果

UV-LED面光源与传统汞灯应用在阻焊曝光机上比较（如表2所示），主要具有

以下优点：

（1）传统的汞灯曝光方式，功率大光源散热面小，使用大量散热设备产生无价值

的高能耗，UVLED面光源属于冷光源，无须设计反光罩系统，光冷却系统，能量

利用效率极高。

（2）发光部件LED主波峰为365 nm（或加入385 nm组成的混合波长），无红

外光发出，所以被照射产品的表面没有温度的提升，没有红外线热辐射，避免了菲

林胀缩，保证影像转移的品质。

（3）光输出稳定，光照度更强、能量更高、均匀性更好，瞬间点亮，无需待机，

即刻达到100%功率紫外输出，有效发光效率是汞灯的10倍以上，提高了工作效

率 。

（4）LED-UV光源使用时无需灯管预热，不含有毒物质汞。相比传统汞灯曝光机

功率消耗几百瓦，甚至上千瓦，使用时需预热约10多分钟，灯管还含有毒物质汞。

LED-UV面光源是替代传统光源技术的一种更安全、更环保的选择更符合节能环保

的要求。

（5）UV-LED面光源可操作性强，应用于曝光机，使光的平行半角小于2°（普通

水冷机大于45°），线路解晰度可达50 μm/μm（普通机为75 μm/μm）以下。

UV-LED相对常规1000小时使用寿命的灯管，能量衰减仅为其1%，提高生产和

品质的稳定性。由于几乎没有光能衰减，所以增强了制程的稳定性，提升产品的合

格率。

通过以上对比分析，UV-LED面光源不仅完全可以替代传统的曝光灯，在节能降耗、

环境保护、提升工艺品质及效率方面有显著的优势。

4 结论及展望

UV-LED面光源是目前PCB生产中所用普通汞灯曝光机理想的升级换代产品。实

践表明，采用扫描式、混合波长的UV-LED面光源曝光方式，高效节能、光强分

布均匀稳定、能够完全满足阻焊曝光过程对光源的指标要求，可操作性强，对

PCB曝光工艺的品质提升与节能降耗将起到推动作用。

大功率UV-LED的出现给印制线路曝光领域带来了新的希望，凭借环保，冷光源，

低能耗，使得人们对这种新的技术充满期待。随着UV-LED的价格不断降低，可

以大胆的预测UV-LED面光源在未来几年将迅速成为这个领域的主流。