摘要： 紫外曝光机是印刷线路板（PCB）制作工艺中的重要设备，PCB高密度、微细化的发展趋势，对曝光机光照均匀性，平行性的要求越来越高。为了找出可以更好满足市场需求的曝光机光学系统，运用非成像光学方法，对两种不同光学结构曝光机的光斑均匀性进行了对比分析。通过实验可以看出，在通光孔径较大的光学系统中，复眼透镜阵列和方棒对改善系统光照均匀性以及能量利用率的作用，在实验基础上对如何选择光学系统的匀光器件做了对比性阐述。
关键词： 印刷线路板（PCB）； 紫外曝光机； 复眼； 方棒
中图分类号： O 434.2 文献标识码： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.02.007
引 言
近些年来，智能手机、平板电脑、微型投影仪等等一些高科技电子产品越来越多地出现在人们的视野，影响着人们的日常生活、工作和学习。人们对这些产品的性能要求也越来越高，所以作为其中核心部件的PCB电路板的性能也在不断提高，高密度、微细化成为PCB目前的主要发展趋势。
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光刻胶片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。在晒版的有效曝光面积内，紫外线的平行度、能量均匀度又决定了系统的曝光质量[1]。
文中重点研究了PCB紫外曝光机光学系统的光照均匀性问题。在现有光学系统的基础上，对两种匀光系统进行实验性分析比较，通过光学软件仿真模拟，对比得出好的设计方案。
1 曝光机光学系统组成及其工作原理
传统曝光机光学系统主要由光源（高压球形汞灯）、椭球面反光杯、冷光镜、透射式复眼透镜阵列、二向色镜和球面平行光反射镜组成，如图1所示。
光源发出的光被椭球面反光杯聚焦后，经冷光镜反射到复眼透镜阵列场镜，从投影镜出射的光到达二向色镜，光谱中的紫外部分被50%透射，50%反射后，到达两块对称分布的大面积球面平行反光镜，被准直反射到晒板上对PCB板进行曝光。近似光路如图1中点划线所描述。
方棒通常与椭球面反光杯一起使用，组成方棒照明系统。将方棒的前端面放在椭球面反光杯的第二焦面上，方棒横截面的长宽与晒板长宽成正比，经椭球面反射的光会聚在方棒前端面，光线在方棒内经过多次反射后，在后端面外形成均匀亮度的矩形光斑。
根据方棒加工工艺的不同，可分为实心与空心两种方棒。空心方棒用4块高反射率镜片胶合制成，重量轻，且光线在方棒内空气中传播，大大降低了由于玻璃吸收导致的光能量损失。不过，空心方棒也有其不足，为了最大程度地在方棒内壁实现反射，一般需要对方棒内壁进行镀膜处理，这对加工工艺的要求比较高；而且方棒胶合难度大，同时受到高会聚光照射产生的150～300 ℃高温影响，使方棒的胶合胶容易变形、软化，从而影响方棒的性能。实心方棒相比之下易于加工，成本较低，只需在装校的时候注意不要影响玻璃的全反射条件即可[2]。
2.2 方棒能量利用率
除了光照均匀度之外，光斑能量密度也是曝光机性能的一项重要指标，能量密度高可以大大缩短PCB曝光时间，提高了曝光效率，因此，提高系统能量利用率有很大的现实意义。
对于方棒，影响其性能的参数主要有两个：长度和截面积。方棒的长度会影响照明均匀性，通常根据系统照明均匀性的要求来确定方棒长度。截面积大小主要根据照射在方棒前端面的光斑大小确定，目的是让光照尽可能多地进入方棒，提高方棒的孔径利用率。以上只是感性的分析，要达到实际的照明效果，需要理性地优化设计方棒的初始结构，使其能够有效地提高系统的能量利用率。
光学扩展量是非成像光学理论的核心内容，根据同性非导体媒质中的时谐场，由程函方程可以推导出系统光学扩展量
3.2 影响复眼透镜匀光性能的因素
在曝光机光学系统中，复眼透镜对系统能量利用率以及光斑均匀性的影响主要与下面几个因素有关：复眼透镜列数；入射光束发散角；小透镜焦距及口径。
（1）为充分发挥复眼照明系统的性能，应选择适当列数的小透镜，数目过少，则失去了利用小透镜将入射宽光束分解成细光束从而提高照明均匀性的作用；数目过多，可以改善高斯光束的照明均匀性，照明光斑亮度更高。但由于照明系统像差的存在，实际光线的传播途径过多偏离了理想光线的传播途径，因此影响了被照明面的光斑均匀性，而且对设计以及加工制造都会带来一定的困难，导致成本增加。应当根据光束在第一排复眼透镜上分布的不均匀性以及聚光光斑的尺寸来确定复眼透镜的列数。
（2）当发散角较小时，入射光通过前排透镜后，会偏离后排对应透镜的中心，但没有完全偏离对应的小透镜单元。由于焦平面上同一点发出的光线经过透镜后还会平行出射，因此对复眼透镜阵列的照明均匀性不会产生大的影响，没有旁瓣现象发生。但是入射光束发散角较大时，从前排透镜出射的光线可能完全偏离后排的对应小透镜，照明光斑将偏离中央照明区域，对照明效果产生严重的影响，产生旁瓣，甚至出现完全分离的光斑。所以当光源的出射光发散角较大时，必须增加准直镜将光源的发散角减小，使其近乎平行地入射到复眼阵列上，减小旁瓣，提高能量利用率。
（3）小透镜焦距及口径：小透镜的口径应满足使整个物面获得照明，因而物面尺寸的要求也就确定了小透镜的相对孔径。根据小透镜的相对孔径及口径可以确定其焦距[8，9]。
3.3 实验分析
4 结 论
在曝光机光学系统中，由于光源并非理想点光源，故经过椭球面反光杯聚焦之后，第二焦点处所成光斑是有一定的尺寸的光斑。对于方棒系统而言，过大的截面积意味着长度也要跟截面积相匹配，从而对加工、装配、系统整体结构紧凑性以及加工成本都带来不少的麻烦。相对而言，利用复眼系统，可以尽可能满足第二焦点处的光斑尺寸，对系统能量利用率的提高也有很大帮助，所以对PCB曝光机光学系统来说，选择复眼匀光系统比较合理。
参考文献：
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