曝光機(jī)對印制電路板阻焊層品質(zhì)的影響

付鳳奇 余為勇 王 俊 謝倫魁

（深圳市景旺電子股份有限公司，廣東 深圳 518102）

0 引言

為保護(hù)非焊接區(qū)域上的線路，印制電路板（printed circuit board，PCB）制作阻焊層，在焊接過程及后段制程中，避免板面被污染和損壞，確保絕緣效果。阻焊層的制作中，曝光環(huán)節(jié)尤為重要，不同顏色的阻焊油墨均會吸收紫外光造成光固化，不同曝光機(jī)產(chǎn)生的紫外光波長不盡相同，因此阻焊油墨光固化的程度也不同。在顯影過程中，光固化不足的底層油墨易被顯影藥水攻擊，在阻焊堤底部形成側(cè)蝕，導(dǎo)致出現(xiàn)阻焊堤脫落的風(fēng)險，阻焊油墨可靠性降低，如發(fā)生冷熱沖擊后油墨開裂等。本文介紹了直接成像（direct imaging，DI）曝光機(jī)、鹵素?zé)羝毓鈾C(jī)和發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）曝光機(jī)對PCB 阻焊油墨品質(zhì)的影響。

1 不同種類阻焊曝光機(jī)介紹

目前，常見的阻焊曝光機(jī)有DI 曝光機(jī)、普通曝光機(jī)（鹵素?zé)羝毓鈾C(jī)和LED 燈曝光機(jī)），其工作原理各不相同。

1.1 DI曝光機(jī)

DI 曝光機(jī)主要由光源、圖形發(fā)生器、光學(xué)成像單元、運(yùn)動控制及工作軟件組成。其中，光源、圖形發(fā)生器和光學(xué)成像單元是DI 曝光機(jī)的核心部件。光源強(qiáng)度、角度及波長均會影響DI 設(shè)備產(chǎn)率、良品率及覆蓋工藝。目前，DI 曝光機(jī)通常采用激光或紫外線發(fā)光二極管（UV-LED）作為光源，紫外波段可供選擇的波長為365～425 nm，可制成單波段、雙波段、三波段及多波段曝光機(jī)，用于PCB 內(nèi)外層的圖形轉(zhuǎn)移和阻焊制作，其工作原理如圖1所示。

圖1 DI曝光機(jī)工作原理示意

曝光機(jī)的工作主機(jī)通過算法將計算機(jī)輔助制造（computer aided manufacturing，CAM）文件轉(zhuǎn)換成光柵圖形處理器（raster image processor，RIP）的光柵圖像文件，傳至相關(guān)板卡，板卡將圖像文件傳給數(shù)字微反射鏡（digtial micromirror devices，DMD），大量的小反射鏡通過光學(xué)成像單元顯示圖像信息。

DI曝光機(jī)的優(yōu)點是不需要照相底版，可提高阻焊制作精度和合格率，使多層PCB對位更加準(zhǔn)確；同時，縮短生產(chǎn)流程，加快周轉(zhuǎn)速度，降低成本。

1.2 普通曝光機(jī)

普通曝光機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，通過打開光源發(fā)射紫外線，將圖像信息從底片轉(zhuǎn)移到印有感光油墨的PCB 上，再通過顯影將不需要保留的阻焊油墨去除，留下需要的阻焊圖形，工作原理如圖2所示。

圖2 普通曝光機(jī)工作原理示意（照相底版）

普通曝光機(jī)的優(yōu)點是技術(shù)成熟，燈管成本低，操作方便。與DI 曝光機(jī)相比，缺點是對位精度相較差，而且需要底版作為圖像轉(zhuǎn)移工具，可能因底版缺陷產(chǎn)生品質(zhì)問題，增加生產(chǎn)成本。普通曝光機(jī)主要有鹵素?zé)羝毓鈾C(jī)和LED燈曝光機(jī)，燈源如圖3所示。與鹵素?zé)羝毓鈾C(jī)相比，LED燈曝光機(jī)具有燈源使用壽命長、節(jié)能、環(huán)保及成本較低的優(yōu)點。

圖3 曝光機(jī)燈源

2 不同種類阻焊曝光機(jī)的波長

阻焊油墨的光固化反應(yīng)是光起始劑吸收紫外光后，觸發(fā)感光樹脂官能團(tuán)產(chǎn)生的聚合反應(yīng)。紫外光中各個波段光線在油墨中的穿透能力不同，如圖4所示。長波段具有較強(qiáng)穿透性，短波段穿透力弱，僅能固化油墨表面，因此阻焊油墨使用的曝光機(jī)光源需搭配合適的波長。3種曝光機(jī)常見波長分布見表1。

圖4 各波段紫外光在油墨中穿透能力的比較

表1 3種曝光機(jī)常見波長分布

一般阻焊感光油墨配方中有光引發(fā)劑、顏料、穩(wěn)定劑等，使UV 光較難穿透到基材表面，需同時解決好表面固化和深度固化的技術(shù)問題，因此適用于阻焊感光油墨的曝光機(jī)需具備長短波、多波段的特點。

用紫外光譜輻射儀（德國Opsytec UVpad）對4種曝光機(jī)（鹵素?zé)羝毓鈾C(jī)、LED 曝光機(jī)、A廠商提供的DI曝光機(jī)1、B廠商提供的DI曝光機(jī)2）進(jìn)行光譜測量對比，結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 鹵素曝光機(jī)燈光譜

圖6 LED曝光機(jī)燈光譜

圖7 DI曝光機(jī)1燈光譜

圖8 DI曝光機(jī)2燈光譜

由圖可知，鹵素?zé)舨ㄩL覆蓋最廣，適用于所有阻焊油墨，LED 和DI長波范圍較狹窄，對阻焊油墨有一定的局限性。

3 阻焊油墨使用不同曝光機(jī)的顯影性能

3.1 實驗儀器與實驗材料

測試儀器：阻焊鹵素曝光機(jī)、LED 曝光機(jī)、DI曝光機(jī)、金相顯微鏡。

阻焊油墨：選擇常用的綠、黑、白3 種不同顏色阻焊油墨。

3.2 實驗參數(shù)

阻焊厚度：38～42 μm（使用43T網(wǎng)版印刷）。

曝光尺格數(shù)：10格。

顯影速度：按照操作指引要求完成。

3.3 實驗流程

網(wǎng)印→預(yù)烤→曝光→顯影→后烤→切片分析側(cè)蝕數(shù)據(jù)。

3.4 實驗設(shè)計

分別對不同顏色的油墨和不同類別的曝光機(jī)展開實驗對比，見表2。

表2 實驗設(shè)計方案

3.5 實驗結(jié)果與分析

同種油墨在相同曝光尺條件下進(jìn)行實驗，顯影、后烤后切片分析，結(jié)果、數(shù)據(jù)分析和切片分別如表3、表4和圖9所示。

表3 顯影側(cè)蝕切片結(jié)果

表4 阻焊側(cè)蝕切片

由圖9 可知，顯影側(cè)蝕與油墨、曝光機(jī)種類均強(qiáng)相關(guān)。綠油側(cè)蝕量相對趨于穩(wěn)定，受曝光機(jī)種類的影響最小。同種顏色的油墨搭配不同曝光機(jī)，綠油使用鹵素?zé)羝毓鈾C(jī)時，其側(cè)蝕量最大；白油使用DI 曝光機(jī)時，其側(cè)蝕量最大；黑油使用LED 曝光機(jī)時，其側(cè)蝕最大。綜上所述，可得以下結(jié)論。

（1）綠色油墨顯影側(cè)蝕基本不受曝光機(jī)種類的影響，阻焊油墨與DI 波長高度匹配時，顯影后為“零側(cè)蝕”，如圖10所示。

（2）黑色油墨使用LED 曝光機(jī)的顯影側(cè)蝕較大，使用鹵素?zé)羝毓鈾C(jī)的顯影側(cè)蝕最小。

（3）白色油墨使用鹵素?zé)羝毓鈾C(jī)的顯影側(cè)蝕最小，LED 曝光機(jī)次之，白油不適用本次實驗選用的DI 曝光機(jī)。顯影后，阻焊堤出現(xiàn)嚴(yán)重的油墨剝離異常，說明使用DI 曝光機(jī)生產(chǎn)白油板時，光線只能使表層油墨固化，底層油墨無法固化，加大曝光能量也毫無效果。

4 阻焊油墨使用不同曝光機(jī)的可靠性研究

4.1 實驗方案

針對第3 章實驗的測試板，開展冷熱沖擊實驗，觀察各阻焊在不同曝光光源下，開裂和百格刀測試的情況，確定在高低溫驟變時，不同種類的曝光機(jī)對阻焊油墨可靠性的影響。

4.2 實驗條件

測試溫度：T1 為-40 ℃；T2 為140 ℃。保持時間15 min，轉(zhuǎn)換時間＜10 s，循環(huán)次數(shù)1 000次。

4.3 評估方法

（1）阻焊油墨開裂。使用如圖11所示的測試圖形，按上述條件進(jìn)行冷熱沖擊實驗，在百倍鏡下觀測油墨開裂情況。

圖11 冷熱沖擊測試設(shè)計

（2）百格刀測試。經(jīng)過冷熱沖擊后，使用百格刀在涂覆有阻焊油墨的大銅面上畫格，最后用3M 膠帶測試畫格位置，觀測阻焊油墨剝離的情況。

4.4 實驗結(jié)果

4.4.1 阻焊油墨開裂情況

阻焊油墨開裂情況如表5和圖12所示。

圖12 冷熱沖擊測試結(jié)果

表5 阻焊油墨開裂情況

4.4.2 百格刀測試情況

阻焊油墨百格刀測試情況如表6 和圖13所示。

圖13 百格刀測試

表6 阻焊油墨百格刀測試情況百格刀測試結(jié)果

通過以上測試和分析，可得以下結(jié)論。

（1）同種綠色阻焊油墨使用不同的曝光機(jī)，油墨性能存在差異，其可靠性能也不同。

（2）黑色阻焊油墨幾乎不受曝光機(jī)種類的影響，影響其可靠性的因素主要為油墨自身的性能。

（3）白色阻焊油墨的可靠性不如綠色和黑色油墨。

（4）相比于傳統(tǒng)鹵素?zé)艉蚅ED 燈曝光機(jī)，除白色油墨外，DI 曝光機(jī)不會降低阻焊油墨可靠性。

5 結(jié)論

通過以上測試和結(jié)果分析，選擇阻焊曝光設(shè)備時，需考慮以下幾個方面。

（1）選擇與廠內(nèi)主要使用的阻焊油墨匹配性好的曝光機(jī)，提升光固化效果，主要關(guān)注燈源波長范圍和各波段比例。

（2）曝光機(jī)差異對綠色阻焊油墨顯影性能影響較小，在曝光機(jī)波長、曝光參數(shù)適配的情況下，影響阻焊可靠性的因素主要為油墨自身性能。

（3）白色油墨因其性能的特殊性，需選擇光源含有特殊波長的DI 曝光機(jī)，如405 nm 和425 nm的DI曝光機(jī)。