紫外曝光機(jī)均勻照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究＊

劉鵬飛，楊 波，陸 侃

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093）

引 言

近些年來，智能手機(jī)、平板電腦、微型投影儀等等一些高科技電子產(chǎn)品越來越多地出現(xiàn)在人們的視野，影響著人們的日常生活、工作和學(xué)習(xí)。人們對這些產(chǎn)品的性能要求也越來越高，所以作為其中核心部件的PCB電路板的性能也在不斷提高，高密度、微細(xì)化成為PCB目前的主要發(fā)展趨勢。

PCB的線路制作工藝中，一個重要的環(huán)節(jié)就是利用光學(xué)曝光的方法進(jìn)行光刻膠片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。在曬版的有效曝光面積內(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［1］。

文中重點(diǎn)研究了PCB紫外曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的光照均勻性問題。在現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對兩種勻光系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性分析比較，通過光學(xué)軟件仿真模擬，對比得出好的設(shè)計(jì)方案。

1 曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)組成及其工作原理

傳統(tǒng)曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)主要由光源（高壓球形汞燈）、橢球面反光杯、冷光鏡、透射式復(fù)眼透鏡陣列、二向色鏡和球面平行光反射鏡組成，如圖1所示。

光源發(fā)出的光被橢球面反光杯聚焦后，經(jīng)冷光鏡反射到復(fù)眼透鏡陣列場鏡，從投影鏡出射的光到達(dá)二向色鏡，光譜中的紫外部分被50%透射，50%反射后，到達(dá)兩塊對稱分布的大面積球面平行反光鏡，被準(zhǔn)直反射到曬板上對PCB板進(jìn)行曝光。近似光路如圖1中點(diǎn)劃線所描述。

圖1 曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)Fig.1 UV exposure machine optical system

2 方棒工作原理及實(shí)驗(yàn)分析

2.1 方棒的工作原理

方棒又稱積分棒，可以把光源輸出的圓形光斑轉(zhuǎn)換為照明面所需要的矩形光斑，并同時(shí)提高系統(tǒng)的能量利用率和光照均勻性。方棒的工作原理和光纖類似，如圖2所示。

圖2 方棒工作原理Fig.2 Light pipe operating principle

方棒通常與橢球面反光杯一起使用，組成方棒照明系統(tǒng)。將方棒的前端面放在橢球面反光杯的第二焦面上，方棒橫截面的長寬與曬板長寬成正比，經(jīng)橢球面反射的光會聚在方棒前端面，光線在方棒內(nèi)經(jīng)過多次反射后，在后端面外形成均勻亮度的矩形光斑。

根據(jù)方棒加工工藝的不同，可分為實(shí)心與空心兩種方棒?？招姆桨粲?塊高反射率鏡片膠合制成，重量輕，且光線在方棒內(nèi)空氣中傳播，大大降低了由于玻璃吸收導(dǎo)致的光能量損失。不過，空心方棒也有其不足，為了最大程度地在方棒內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)反射，一般需要對方棒內(nèi)壁進(jìn)行鍍膜處理，這對加工工藝的要求比較高；而且方棒膠合難度大，同時(shí)受到高會聚光照射產(chǎn)生的150～300℃高溫影響，使方棒的膠合膠容易變形、軟化，從而影響方棒的性能。實(shí)心方棒相比之下易于加工，成本較低，只需在裝校的時(shí)候注意不要影響玻璃的全反射條件即可［2］。

2.2 方棒能量利用率

除了光照均勻度之外，光斑能量密度也是曝光機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，能量密度高可以大大縮短PCB曝光時(shí)間，提高了曝光效率，因此，提高系統(tǒng)能量利用率有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

對于方棒，影響其性能的參數(shù)主要有兩個：長度和截面積。方棒的長度會影響照明均勻性，通常根據(jù)系統(tǒng)照明均勻性的要求來確定方棒長度。截面積大小主要根據(jù)照射在方棒前端面的光斑大小確定，目的是讓光照盡可能多地進(jìn)入方棒，提高方棒的孔徑利用率。以上只是感性的分析，要達(dá)到實(shí)際的照明效果，需要理性地優(yōu)化設(shè)計(jì)方棒的初始結(jié)構(gòu)，使其能夠有效地提高系統(tǒng)的能量利用率。

光學(xué)擴(kuò)展量是非成像光學(xué)理論的核心內(nèi)容，根據(jù)同性非導(dǎo)體媒質(zhì)中的時(shí)諧場，由程函方程可以推導(dǎo)出系統(tǒng)光學(xué)擴(kuò)展量

式（1）中，n為折射率，x，y為坐標(biāo)參數(shù)，L，M為光線的方向余弦；（x，y，L，M）組成的四維空間稱為相空間，類似于哈密爾頓相空間。在理想狀態(tài)下，即不考慮反射、折射、吸收等能量損失時(shí)，面積元dxdy，立體角dLdM范圍內(nèi)的光在傳播過程中光通量保持不變，即光學(xué)擴(kuò)展量不變。因此，式（1）可以視為通過光學(xué)系統(tǒng)某一橫截面某一立體角的光通量的描述。光學(xué)系統(tǒng)的能量利用率就是由光學(xué)擴(kuò)展量決定，然后進(jìn)一步確定系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)。在這里，現(xiàn)引入光學(xué)擴(kuò)展量，根據(jù)光源的光分布特性來確定方棒的初始結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的能量利用率達(dá)到一個比較高的值［3］。

對于光軸垂直于平面的平面光學(xué)元件，平面上各點(diǎn)的孔徑角相同時(shí)，光學(xué)擴(kuò)展量可以定義為

式（2）中，A為光學(xué)元件的面積，或者光學(xué)元件的通光孔徑，θ為孔徑角。對于方棒照明系統(tǒng)，光源發(fā)出的光經(jīng)橢球面反光杯聚光后照射在方棒前表面，所形成的光斑可以近似用式（2）來描述其光學(xué)擴(kuò)展量。

光源的光學(xué)擴(kuò)展量可以表示為：

式（3）中，R是入射到方棒前表面的光斑半徑，Φmax為最大孔徑角。如果方棒是均勻方棒，即方棒的前后表面面積相等，角度也不變（長方體），則方棒的前后表面光學(xué)擴(kuò)展量不變，可以表示為：

式（4）中，H為方棒前表面的長度，W為方棒前表面的寬度，Φ′max為方棒出射面即后表面的最大孔徑角。因?yàn)槭褂玫姆桨羰蔷鶆蚍桨簦怨饩€經(jīng)過方棒以后的孔徑角不會變化，即Φmax＝Φ′max［4］。

方棒出射面與光源的光學(xué)擴(kuò)展量之比為：

根據(jù)非成像光學(xué)理論，在一個光學(xué)整體系統(tǒng)內(nèi)部，當(dāng)后面光學(xué)部件的光學(xué)擴(kuò)展量大于其前面部件的光學(xué)擴(kuò)展量時(shí)，光能才可以得到充分利用。所以，對于上式來說，η1≤1時(shí)，光源發(fā)出的會聚光能量才可以被方棒系統(tǒng)充分利用。當(dāng)時(shí)，方棒光學(xué)擴(kuò)展量與光源光學(xué)擴(kuò)展量相等。圖3中，方形為方棒截面，圓形為入射光斑形狀，可見此時(shí)光并沒有完全進(jìn)入方棒，存在光能損失。

在圖3中，未進(jìn)入方棒的光斑面積為

如果進(jìn)入方棒的光束能量均勻，方棒的能量利用率為

從光學(xué)擴(kuò)展量考慮，對式（8）取極值時(shí)，得到關(guān)于H與R的關(guān)系，可以使系統(tǒng)具有最大的光能利用率［5，6］。

2.3 實(shí)驗(yàn)分析

光學(xué)系統(tǒng)主要由以下幾個部件構(gòu)成：光源，橢球面反光杯，冷光鏡，勻光系統(tǒng)，二向色鏡，球面平行光反光鏡。

光源采用的是5 000W高壓球形汞燈。球形汞燈是一種體積小、亮度高的點(diǎn)光源，當(dāng)該燈點(diǎn)燃穩(wěn)定之后，能輻射很強(qiáng)的紫外線和可見光譜，其中的紫外光譜部分是PCB曝光需要的必要條件。橢球面反光杯開口口徑363.5mm，焦距812.3mm，內(nèi)壁反射率設(shè)定為90%，10%吸收。冷光鏡的作用是將光源的光束反射導(dǎo)向勻光系統(tǒng)，在實(shí)際工業(yè)中，該鏡片采用的材料是高硼硅玻璃，它的特點(diǎn)之一是耐高溫。在實(shí)驗(yàn)中用到兩種勻光系統(tǒng)，分別為復(fù)眼系統(tǒng)和方棒系統(tǒng)。二向色鏡在這款曝光機(jī)中起到很重要的作用，因?yàn)樗鼘⑷肷涔馐殖闪藘刹糠?，入射光束能量?0%被反射，50%被透射，使得PCB雙面同時(shí)曝光成為可能。球面平行光反射鏡的主要作用一是將二向色鏡的光束導(dǎo)向曬板，另外一個也是最主要的作用是使擴(kuò)散光束會聚產(chǎn)生平行光。

系統(tǒng)局部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4是利用方棒的光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)，光源光線經(jīng)過橢球面反光碗經(jīng)過上方的第一面反射鏡后，聚焦在方棒前入射面，經(jīng)過后出射面照射到二向色鏡。

系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化之后，追蹤200萬條光線，得到圖5仿真結(jié)果：

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result

表面看上去均勻性不夠好，經(jīng)過計(jì)算得到均勻性約為70.6%，平均能量密度9mW／cm2。由于方棒系統(tǒng)的性能與方棒的長寬比有密切關(guān)系，所以在此處仿真中，均勻性與能量密度成了一對矛盾關(guān)系，相互制約。這個結(jié)果是經(jīng)過平衡了均勻性與能量密度的矛盾，得到的折中結(jié)果。

3 復(fù)眼工作原理及能量利用率分析

3.1 復(fù)眼透鏡工作原理

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小元素透鏡的焦點(diǎn)與第二列透鏡中對應(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應(yīng)。如圖6所示。

復(fù)眼透鏡可以應(yīng)用于平行光束或者光束角不是很大的場合。對光束角太大的會聚或者發(fā)散光束，復(fù)眼透鏡陣列系統(tǒng)不能很好地起到勻光作用。

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)的光束會聚并不是傳統(tǒng)意義上的簡單會聚，而是入射光束被第一塊復(fù)眼透鏡中的小透鏡分解成N個通道（N是小透鏡的個數(shù)），即光源被多個小透鏡成像于第二塊透鏡中的每個小透鏡的中心位置，然后出射到達(dá)照明面。每個通道的光束獨(dú)立地照明目標(biāo)平面，所以到達(dá)照明面的光斑是每個通道照明光束的疊加。結(jié)果每個通道光束內(nèi)的細(xì)小的不均勻性因?yàn)楣馐膶ΨQ疊加而優(yōu)化，整個孔徑內(nèi)的出射光均勻性得到很大改善［7］。

圖6 復(fù)眼透鏡Fig.6 Fly－eyes lens

3.2 影響復(fù)眼透鏡勻光性能的因素

在曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)中，復(fù)眼透鏡對系統(tǒng)能量利用率以及光斑均勻性的影響主要與下面幾個因素有關(guān)：復(fù)眼透鏡列數(shù)；入射光束發(fā)散角；小透鏡焦距及口徑。

（1）為充分發(fā)揮復(fù)眼照明系統(tǒng)的性能，應(yīng)選擇適當(dāng)列數(shù)的小透鏡，數(shù)目過少，則失去了利用小透鏡將入射寬光束分解成細(xì)光束從而提高照明均勻性的作用；數(shù)目過多，可以改善高斯光束的照明均勻性，照明光斑亮度更高。但由于照明系統(tǒng)像差的存在，實(shí)際光線的傳播途徑過多偏離了理想光線的傳播途徑，因此影響了被照明面的光斑均勻性，而且對設(shè)計(jì)以及加工制造都會帶來一定的困難，導(dǎo)致成本增加。應(yīng)當(dāng)根據(jù)光束在第一排復(fù)眼透鏡上分布的不均勻性以及聚光光斑的尺寸來確定復(fù)眼透鏡的列數(shù)。

（2）當(dāng)發(fā)散角較小時(shí)，入射光通過前排透鏡后，會偏離后排對應(yīng)透鏡的中心，但沒有完全偏離對應(yīng)的小透鏡單元。由于焦平面上同一點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡后還會平行出射，因此對復(fù)眼透鏡陣列的照明均勻性不會產(chǎn)生大的影響，沒有旁瓣現(xiàn)象發(fā)生。但是入射光束發(fā)散角較大時(shí)，從前排透鏡出射的光線可能完全偏離后排的對應(yīng)小透鏡，照明光斑將偏離中央照明區(qū)域，對照明效果產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，產(chǎn)生旁瓣，甚至出現(xiàn)完全分離的光斑。所以當(dāng)光源的出射光發(fā)散角較大時(shí)，必須增加準(zhǔn)直鏡將光源的發(fā)散角減小，使其近乎平行地入射到復(fù)眼陣列上，減小旁瓣，提高能量利用率。

（3）小透鏡焦距及口徑：小透鏡的口徑應(yīng)滿足使整個物面獲得照明，因而物面尺寸的要求也就確定了小透鏡的相對孔徑。根據(jù)小透鏡的相對孔徑及口徑可以確定其焦距［8，9］。

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

曝光機(jī)復(fù)眼照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)（復(fù)眼）Fig.7 UV exposure machine optical system（fly－eyes lens）

用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Lighttools進(jìn)行建模，各部件尺寸如下：

橢球面反光杯：口徑363.5mm，焦距812.3mm（兩焦點(diǎn)間距離）；

冷光鏡：315mm×315mm×5mm；

二向色鏡：380mm×340mm×5mm；

球面反光鏡：1 020mm×860mm×10mm，球面反射面曲率半徑2 900mm；

曬板（曝光面）：600mm×600mm；

復(fù)眼透鏡：每個小透鏡14mm×11.7mm，5×6陣列（由于系統(tǒng)橢球面反光杯的出光角比較小，因此沒有加入準(zhǔn)直鏡）。

初模完成以后，對細(xì)節(jié)，特別是對復(fù)眼透鏡陣列進(jìn)行了優(yōu)化以后，追蹤200萬條光線，得到的結(jié)果如圖8所示。

圖8 仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results

從圖8中可以看出，光斑均勻性比較理想，曬板上下面一致性較好。右圖數(shù)值結(jié)果顯示，最小能量密度12mW／cm2，最大能量密度16mW／cm2，根據(jù)均勻性計(jì)算方法，可以得到系統(tǒng)光照均勻性為85.8%，達(dá)到了初期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié) 論

文中對曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的仿真結(jié)果有兩項(xiàng)對比指標(biāo)，曬板面光斑的光能量均勻性和能量密度。要求能量均勻性達(dá)到82%以上，平均能量密度達(dá)到14mW／cm2。

在曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)中，由于光源并非理想點(diǎn)光源，故經(jīng)過橢球面反光杯聚焦之后，第二焦點(diǎn)處所成光斑是有一定的尺寸的光斑。對于方棒系統(tǒng)而言，過大的截面積意味著長度也要跟截面積相匹配，從而對加工、裝配、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)緊湊性以及加工成本都帶來不少的麻煩。相對而言，利用復(fù)眼系統(tǒng)，可以盡可能滿足第二焦點(diǎn)處的光斑尺寸，對系統(tǒng)能量利用率的提高也有很大幫助，所以對PCB曝光機(jī)光學(xué)系統(tǒng)來說，選擇復(fù)眼勻光系統(tǒng)比較合理。

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