紫外线灯曝光系统、使用方法及校准方法

专利名称：紫外线灯曝光系统、使用方法及校准方法
技术领域：
本发明涉及用于向各种基板上光刻物质进行曝光的曝光设备及使用方法和校准
方法，更具体地讲，涉及一种改进了的用于基板紫外线曝光的紫外线灯曝光系统及其使用 方法和校准方法。
背景技术：
为"激活"印刷电路板(PCB板)制造过程中基板上的聚合物，比如，感光抗蚀物质 或光聚合阻焊层，通常使用紫外线。此外，在工业实用工艺中，紫外线也用于固化各类可聚 合的物质，诸如粘接层、表面涂层、粘合剂、敷形涂层等。产生紫外线的系统通常称为曝光系 统或紫外线灯曝光系统。 现有的紫外灯曝光系统经常采用波长为350至430纳米的灯，其主要为金属卤化 物或水银短弧灯，这些灯发出的紫外线通过一个机械反射罩投射到基板的表面。这些灯在 聚合周期持续地提供能量。然而，这导致了没有基板需要曝光时巨大的能量浪费。此外，让 这些灯常开也縮短了它们有效的寿命周期。另外，这些灯提供的峰值能量有限，这导致了在 处理需要较高能量输入的物质，比如，表面涂层、敷形涂层等时，曝光时间过度地延长。
大部分物质在光聚合(即用光生成聚合物)时需要30到100百万焦耳的能量输 入。然后，对于环氧类物质，比如环氧丙烯酸酯等，和其他物质，比如用于PCB阻焊层的物 质，则需要400到800百万焦耳左右的能量输入。为产生这么大的能量，现有曝光系统经常 需要给每片基板曝光30到60秒的时间。此外，这些灯经常被放置在距离基板约30到60 厘米的位置，这也导致了大量的能量丢失。还有，灯的上述位置常常使基板表面在不同的区 域曝光不均，从而导致生产次品。 现有的一个用于增加光聚合能量的灯曝光系统记载在发明名称为"SYSTEM AND METHOD FOR EXPOSING ELECTRONICSUBSTRATES TO UV LI GHT"、公开号为2007/0287091的 美国专利申请文献中，其公开的内容可作为本发明的参考。如其记载的那样，闪光灯曝光系 统包括一个或多个灯，这些灯发出的光通过一个单一的、共同的灯罩组合反射到基板上。也 就是说，所有的灯通过一个共同的反射光路来工作。该文献也讨论了在不同的时间来触发 这些灯，但其不能控制基板上特定的曝光区域或者在任何特定区域的曝光强度。
因此，本领域需要一个改进的灯曝光系统，用于产生紫外线以聚合各种物质。

发明内容
本发明的主要目的是提供一种节能，且曝光时能在基板表面产生均匀光照强度的 紫外线灯曝光系统； 本发明的另一 目的是提供该紫外线灯曝光系统的使用方法；
本发明的再一 目的是提供该紫外线灯曝光系统的校准方法。 为实现上述目的，本发明的紫外线灯曝光系统包括一组发出紫外线光的灯；一 组与所述灯对应设置的反射器，每个反射器匹配一个灯以组成灯和反射器对，每个所述灯和反射器对具有一个投射到一个基板表面的大体独立的反射光路；每个所述灯连接至少一 个电容，所述电容用于为所述灯提供能量；一个触发控制电路，用于触发连接到每个所述灯 的所述至少一个电容，以单独控制每个所述灯的光照时间和强度。 为单独控制每个灯的光照时间和强度，以在被曝光的基板的表面获得均匀的光照 强度，本发明的紫外线灯曝光系统的使用方法包括以下步骤测量一组紫外线灯中的每个 灯的光线能量，以校正一基板表面的光线能量的强度，其中，每个灯分别对着所述基板表面 的不同区域；基于上述测量结果，决定每个灯的触发概况；将所述每个灯的触发概况存入 存储器；将一个基板置于与所述一组紫外线灯距离约250毫米的范围内，其中每个灯具有 一个匹配的反射器；根据所储存的触发概况，独立地触发所述一组紫外线灯的至少一部分 中的每个灯，并使其工作一个预定的时间。 为单独控制每个灯的光照时间和强度，以在被曝光的基板的表面获得均匀的光照 强度，本发明的紫外线灯曝光系统的校准方法包括测量距离所述一组紫外线灯一固定距 离的一基板表面的一组不同位置的光照能量；基于上述测量结果，决定每个灯的触发概况， 从而使所述基板的表面获得均匀的光照强度；将所述每个灯的触发概况存入存储器。
由上述方案可见，相对于现有技术中所有的灯共用单个反射罩、共享光线通路的 配置，本发明的紫外线灯曝光系统能更好地控制基板上任何给定点处的光照强度。由于仅 在较短的曝光时间内触发与所曝光处理的基板尺寸相应的灯，即当基板尺寸较小时，仅部 分灯被触发；而且，在保证曝光能量足够的情况下，灯可在低于其最大能量输出的水平工 作，因此，整个曝光系统降低了能量消耗；又由于触发控制电路单独控制每个灯的光照时间 和强度，这样，容易在基板表面形成均匀的光照强度。 本发明的紫外线灯曝光系统的主要改进包括所述灯和反射器对以一个矩阵排 列，其中，每个灯被其配对的反射器与邻近的灯隔开，每个灯的光能分别独立地投射到所述 基板的不同区域，所述矩阵在距离所述基板的表面不到150毫米的位置设置；每个灯被触 发闪光。 由于灯与基板的距离更近，即曝光时光到达基板的距离更近，光能的损失更小，所 以可以使用更小功率的灯，更小的电容和/或更少的能量，以在基板表面获得相同的光照 能量。同时，灯被触发闪光，其闪光的时间更短，进一步降低了系统的能量消耗；此外，减少 了曝光产生的热量从而间接提高了生产良率。 总之，本发明的紫外线灯曝光系统具有系统能量消耗相对较低、容易在基板表面 形成均匀的光照强度等优点。


通过以下具体实施方式
的详细描述并结合附图，本发明将更容易被理解，相同的 附图标记表示相同结构或功能的部件。
图1是本发明紫外线灯曝光系统的一个实施例的示意图； 图2是图1中紫外线灯曝光系统的背面视图，其采用了一个计算机控制器； 图3A是反射器的俯视图； 图3B是反射器的主视图； 图4是本发明一个实施例优选的灯闪光曲线 图5是本发明一个实施例的紫外线灯曝光系统的电原理图； 图6A-6D是本发明 一个实施例的灯的电路图； 图7是本发明一个实施例的紫外线灯曝光系统的工作流程图。
具体实施例方式
以下描述用于使本领域技术人员再现和利用本发明，并利用本发明人所述的最佳 实施例来实施本发明。本发明有各式各样的、对于本领域技术人员来说很明显的变形。任 何这些变形、等同替换及代替均在本发明的发明思想和范围之内。 参照图l，介绍本发明的一个实施例。如图所示，紫外线灯曝光系统10，包括一个 由一组紫外线灯组成的灯曝光模块12，一排用于向灯曝光模块12提供能量的电容14(参照 图2)，和一个用于控制各灯触发的触发控制电路16。 灯曝光模块12包括15个灯121，其以3乘5的矩阵排列。本实施例仅以15个灯 来说明，实际上，可以根据需要调整灯的数量和设计各种不同的矩阵，也可选用具有更大或 者更小功率输出的灯，其均不脱离本发明的范围。此外，本发明主要结合PCB基板的曝光来 进行说明，事实上，其也用于带有光聚合物质的其它基板。 每个灯121具有与之匹配的反射器122，两者共同组成一个灯和反射器对。每个反 射器122从四面将与其配对的灯121罩住，并将其与其相邻的灯隔开。每个灯和反射器对 产生一个投射到一个基板(未图示)表面的大体独立的反射光路。 每个灯121覆盖约150毫米X200毫米的区域。就如显示屏上像素那样排列，所有
的灯排列起来形成一个光源基础，以向基板提供一个高强度的均匀的紫外光。 在一个优选例中，待处理的涂敷有光聚合物质的基板放置在距离反射器的边缘约
为250毫米的范围内，或约150毫米范围内。在这种配置中，对于某个特定的灯而言，其临
近的灯所发出的部分光将影响该特定灯所覆盖区域的光照强度，但总体上基板上某特定点
的光照强度绝大部分由其正上方所对应的灯来决定。 因此，相对于现有技术中所有的灯共用单个反射罩、共享光线通路的配置，本发明 的上述配置能更好地控制基板上任何给定点处的光照强度。此外，本发明中，基板离灯更 近，所以可以使用更小功率的灯，更小的电容和/或更少的能量，以在基板表面获得相同的 光照能量。 —排电容14用于向每个灯121提供必要的电压和电流。在本实施例中，每个灯接 两个电容，这样，15个灯共使用30个电容。电容14的容量约为1200微法拉，灯121采用类
似PerkinElmer⑧DG 890l-i型闪光灯。这些灯经恰当地处理，可防止工作时产生臭氧。 触发控制电路16用于控制灯121的触发。作为一个实施例，所有灯121可作为一 个整体被提供能量。然而，本发明的一个独特的优势在于，各灯能够独立控制。也就是说， 触发控制电路16通过控制相应电容14的放电来独立地控制每个灯121。每个灯121均可 独立于其它任何灯而开启和关闭。这就允许根据需要的次序来触发这些灯，以及仅仅触发 所有这些灯中的一部分。 触发控制电路16可编程，其可为本领域所熟知的专用集成设计电路、自定义编程 电路、标准通用计算机。基于时间、次序、工作周期等不同的处理需要来控制存储器，以及下 面介绍的每个灯的具体的触发概况可存于可编程存储器18中。
通过对各个灯的工作状况编程，调整整个光照能量输出，使本领域技术人员能够 得出灯的一个正常的老化，同时也可减少总的能量输出。更具体地讲，灯在使用中通常有不 同程度的老化，因此，矩阵中的各灯随时间老化后有较大的差异，这样，可编程控制使得操 作者可以按照需要的能量输出来点亮每个相应的灯。 参照图2，紫外线灯曝光系统10的触发控制电路16和可编程存储器18由一个标 准个人电脑20及起连接功能的标准工业控制界面22来实现。除此之外，图2与图1完全 相同，两者采用不同的视角。基于所需的配置及控制界面的设计，标准工业控制界面22也 不是必须的。作为一个实施例，连接到个人电脑的界面卡可以通过使用一个CPLD，即复杂可 编程逻辑器件来实现。该CPLD主导了所有的时间和次序主题等信息。在个人电脑的控制 下，该CPLD向灯曝光系统发出必要的控制信号。 上述对本发明的描述基于单个的灯121的排列，其分布在待处理的基板的一个面 上，实际上，也可以设计分别置于基板上下表面的两个灯的排列。该两个灯的排列可以使用 各自的电容组和控制电路，也可由共同部件来提供能量和控制。 在一个实施例中，曝光灯模块12本身为508毫米X762毫米，其覆盖的图像区域为 610毫米X 762毫米。图3A是反射器122的俯视图，图3B是反射器122的主视图。
如前所述，本发明的紫外线灯曝光系统一个通常的用途为，在PCB表面聚合感光 阻焊物质。这类光聚合物质需要较高的能量来曝光。为使PCB的生产自动化，需要较大的 紫外线能量，以便使曝光的时间能够跟其它处理作业相适应；另外，为了确保获得正确的几 何图像和聚合的程度，紫外线能量沿基板表面最好均匀地分布。 更具体地，现有紫外线灯曝光系统中使用的高强度紫外灯典型的"常开"寿命周期 为1000小时。因此，现有系统每隔约600到1000小时就常常需要换灯。然后，新换上的灯 即使在相同的能量输入下也很难有相等的能量输出。另外，随灯的老化，其有效的能量输出 降低。最后，不同的光聚合物质需要不同的能量来聚合。 现有系统缺少有效的方法来控制能量强度的差异和变化，特别是随时间推进。另 外，现有系统仅有一个共同的反射光路，随灯的老化，没有办法在基板的表面产生均匀的能
量强度。 作为对照，本发明能够分别控制每个灯，上述现有系统的缺陷能够被克服。在本发 明的系统中，排列中的每个灯的能量输出被调整，以使曝光能量达到最优化的均匀。更具体 地，本发明中，在每个灯单独控制下，一组功率更小的灯的排列组合构成了一个极大改进的 系统。 根据本发明的一个实施例，排列中每个灯的能量输出可以测量并与一个标准的基
准比较。一个操作的方法为，使用一个具有一个或多个工业标准灰阶图样工具的标准的PCB
基板作为测试板。该测试板可由在各个不同固定位置布置多个灰阶图样构成。该测试板也
可由布置在每个灯的位置的多个小板组合而成。灰阶图样提供了光聚合物质聚合数量的度
量。其它可用的相似方法可以为，放置一个辐射计于灯下不同的位置，测量每个位置的光照
能量；或者，将具有一组辐射计的测试床置于基板的位置并测量每个位置的光照能量。基于
这些测量数据，可以得知每个灯在以高于、低于或者等于基准能量的水平在工作。 这些光照能量数据被输入到触发控制电路或者/和计算机中。对于全自动化的系
统，辐射计测试床的输出数据可直接写入控制电脑。基于这些获得的数据，触发控制电路(或者运行于计算机的软件)决定哪个灯以相对较高的能量输出工作，哪个灯以相对较低 的能量输出工作，等等。触发控制电路或者/和软件然后为系统中的每个灯储存其触发概 况。该触发概况将控制每个电容在每个触发周期的储存和释放的电量，从而通过控制每个 灯的方式控制能量输出的数量。作为一个例子，触发概况可以包括用于在基准能量输出的 基础上校正某个特定灯的能量输出的时间持续值。 如前述，紫外线灯曝光系统最好被一个可编程的电脑来控制。图5是本发明一个 优选实施例的电原理图。该图中的主控制器通过其I/0与外接电脑连接。图6A-6D是本发 明一个实施例的灯的电路图。其中，lll为泄漏电阻电路，113为触发电源供应电路，112a、 112b、112c分别为上述15个灯中第1至第5个灯、第6至第10个灯、第11至第15个灯的 触发电路。 图7是本发明一个实施例的紫外线灯曝光系统的工作流程图。在步骤61，测量每 个灯的光线能量输出，如前面所描述的那样。基于上述测量结果，决定每个灯的触发概况， 即步骤62。然后，将所述每个灯的触发概况存入存储器，即步骤63。接着，将一个涂敷有感 光物质的基板置于曝光的工作位置，即步骤64。在步骤65，根据所储存的触发概况，独立地 闪光触发相应的紫外线灯。当一片基板曝光处理完毕后，再依次装载和处理后续的基板。考 虑到灯的老化，本发明的该系统需要间隔一个固定的时间，比如每天、每班等等，定期地校 准，以调整每个灯的触发概况。 为了延长灯的寿命周期，一个技术手段为提供一个能量，使灯仅在最大能量输出 的约80%的水平工作。在最大能量输出的80%即可提供足够能量输出的场合，可逐步地提 高灯的能量输入，以补偿由于灯老化而逐渐减少的能量输出。这样做既降低了系统的能量 消耗，又延长了灯的使用寿命。 本发明通过闪光触发灯的方式及将灯布置在与基板灯更近的位置进一步减少了 能量消耗。更具体地说，灯和基板的距离少于约250毫米，优选为少于约150毫米。还有，灯 仅在基板曝光的时候才被提供能量。举例说，当涂敷有感光物质的PCB基板需要较大能量 曝光的时候，灯在5秒内闪光5次。如图4所示，作为一个优选的方式，在整个5秒的时间 内，灯每次闪光持续约28毫秒，每次闪光之间间隔约1秒，因此，整个的曝光时间为约5X28 =140毫秒。 假设本发明的紫外线灯曝光系统被整合到一个自动曝光机中，该曝光机卸载一片 已曝光好的基板和装载一个新的待曝光的基板需要约15秒的时间，则该曝光机的一个处 理周期的工作时间为20秒，即工作周期为20秒。这相对于目前需要30到60秒的时间来 曝光一片基板的已有系统是一个极大的速度和效率的改进。还有，本发明的灯仅在不到工 作周期25%的时间内工作(实际上，灯仅在20秒中的5秒内的一块很小时间内打开)，较 之已有系统，本发明的紫外线灯曝光系统产生较小的热量。这对于控制曝光系统中各物质， 特别是用于光刻的涤纶底版或称原图的热膨胀系数非常重要。更具体地，平均较低的工作 温度减少了原图的膨胀和变形，从而便于更好的注册和原图与基板的对齐，继而获得较高 的生产合格率。 如前述，上述模块中的15个灯全部使用时，每次可对尺寸为610毫米X762毫米的 标准基板进行曝光处理。本发明的另一个优点在于，能以排列中的部分灯来完成特定的应 用。比如，需要处理的基板的尺寸为406X457毫米时，仅使用15个灯中的6个灯即可。由于触发控制电路或者/和控制计算机能够容易地控制所需要的灯，任何灯的组合可适用一 个特定的应用。这减少了处理较小基板时系统的能量消耗，同时，提高了系统的灵活性。
本发明的紫外线灯曝光系统除了适用于PCB曝光外，也适合用于其它片状基材上 光敏物质的曝光。 对于本领域普通技术人员，上述实施例有多种变形，其均包括在本发明的范围和 思想之内。
权利要求
紫外线灯曝光系统，包括一组发出紫外线光的灯；其特征在于一组与所述灯对应设置的反射器，每个反射器匹配一个灯以组成灯和反射器对，每个所述灯和反射器对具有一个投射到一个基板表面的大体独立的反射光路；每个所述灯连接至少一个电容，所述电容用于为所述灯提供能量；一个触发控制电路，用于触发连接到每个所述灯的所述至少一个电容，以单独控制每个所述灯的光照时间和强度。
2. 根据权利要求1所述的紫外线灯曝光系统，其特征在于所述灯以距离被曝光基板 不到250毫米的位置设置。
3. 根据权利要求1所述的紫外线灯曝光系统，其特征在于每个所述灯独立于其他灯 被触发闪光。
4. 根据权利要求3所述的紫外线灯曝光系统，其特征在于每个所述灯被触发闪光共5 秒的时间。
5. 根据权利要求4所述的紫外线灯曝光系统，其特征在于每个所述灯在5秒的时间 内闪光5次，每次闪光持续约28毫秒。
6. 根据权利要求5所述的紫外线灯曝光系统，其特征在于所述系统具有一个20秒的 工作周期，所述灯仅在所述的5秒内被提供能量，在余下的15秒内被关闭。
7. 根据权利要求1所述的紫外线灯曝光系统，其特征在于所述灯和反射器对以一个 第一矩阵排列，每个灯被其配对的反射器与邻近的灯隔开，每个灯的光能分别独立地投射 到被曝光基板的不同区域。
8. 根据权利要求7所述的紫外线灯曝光系统，其特征在于所述第一矩阵中的仅部分 灯被提供能量。
9. 根据权利要求8所述的紫外线灯曝光系统，其特征在于所述灯根据程序化的顺序在不同的时间被触发。
10. 根据权利要求8所述的紫外线灯曝光系统，其特征在于所述触发控制电路随每个所述灯的老化而提高其照明强度。
11. 根据权利要求7所述的紫外线灯曝光系统，其特征在于进一步包括位于所述基板 相对面的以一个第二矩阵排列的灯和反射器对，所述触发控制电路以独立于所述第一矩阵 中的灯的方式控制所述第二矩阵中的灯。
12. 根据权利要求7所述的紫外线灯曝光系统，其特征在于所述触发控制电路包括一 个可编程的存储器，以储存每个所述灯的触发概况。
13. 根据权利要求7所述的紫外线灯曝光系统，其特征在于所述触发控制电路包括一 个计算机，所述计算机被编程以根据每个灯预先设好的触发概况触发和控制连接到每个所 述灯的所述至少一个电容。
14. 根据权利要求13所述的紫外线灯曝光系统，其特征在于每个灯的所述触发概况 基于系统校准被间隔性地更新。
15. 紫外线灯曝光系统，包括 一组紫外线灯；其特征在于与所述一组紫外线灯对应设置的一组反射器，每个反射器匹配一个灯以组成灯和反射器对，每个所述灯和反射器对具有一个投射到一个基板表面的独立的反射光路，所述灯和反射器对以一个矩阵排列，其中，每个灯被其配对的反射器与邻近的灯隔开，每个灯的光能分别独立地投射到所述基板的不同区域，所述矩阵在距离所述基板的表面不到150毫米的位置设置；每个所述灯连接至少一个电容，所述电容用于为所述灯提供能量；一个触发控制电路，连接到每个所述灯的所述至少一个电容，用于触发闪光，以对每个所述灯的光照时间和强度进行单独控制。
16. 根据权利要求15所述的紫外线灯曝光系统，其特征在于在每个曝光周期中，所述矩阵中至少部分所述灯被触发闪光，所述基板在紫外线下曝光约1到5秒。
17. 根据权利要求1所述紫外线灯曝光系统的使用方法，其特征在于，包括测量一组紫外线灯中的每个灯的光线能量，以校正一基板表面的光线能量的强度，其中，每个灯分别对着所述基板表面的不同区域；基于上述测量结果，决定每个灯的触发概况；将所述每个灯的触发概况存入存储器；将一个基板置于与所述一组紫外线灯距离约250毫米的范围内，其中每个灯具有一个匹配的反射器；根据所储存的触发概况，独立地触发所述一组紫外线灯的至少一部分中的每个灯，并使其工作一个预定的时间。
18. 根据权利要求1所述紫外线灯曝光系统的校准方法，其特征在于，包括测量距离所述一组紫外线灯一固定距离的一基板表面的一组不同位置的光照能量；基于上述测量结果，决定每个灯的触发概况，从而使所述基板的表面获得均匀的光照强度；将所述每个灯的触发概况存入存储器。
19. 根据权利要求18所述的校准方法，其特征在于测量步骤包括放置一个辐射计于一个第一位置，测量其光照能量；然后，移动所述辐射计到一个第二位置，测量其光照能量，直到每个位置均被测量。
20. 根据权利要求18所述的校准方法，其特征在于测量步骤包括将具有一组辐射计的测试床置于所述基板的位置，并测量每个位置的光照能量。
21. 根据权利要求18所述的校准方法，其特征在于测量步骤包括将一个具有一个标准化的涤纶灰阶图样的测试板置于所述灯下曝光；禾口评测每个固定位置的灰阶图样以决定每个位置的光照能量水平。
全文摘要
本发明涉及一种改进了的用于基板紫外线曝光的紫外线灯曝光系统及其使用方法和校准方法。本发明的紫外线灯曝光系统包括一组发出紫外线光的灯；一组与所述灯对应设置的反射器，每个反射器匹配一个灯以组成灯和反射器对，每个所述灯和反射器对具有一个投射到一个基板表面的大体独立的反射光路；每个所述灯连接至少一个电容，所述电容用于为所述灯提供能量；一个触发控制电路，用于触发连接到每个所述灯的所述至少一个电容，以单独控制每个所述灯的光照时间和强度。与现有技术相比，本发明的紫外线灯曝光系统具有系统能量消耗相对较低、容易在基板表面形成均匀的光照强度等优点。
文档编号H05K3/00GK101794078SQ20091014966
公开日2010年8月4日 申请日期2009年6月10日 优先权日2009年2月3日
发明者格瑞格·巴克斯特, 莱昂内尔·弗尔伍德 申请人:王氏港建经销有限公司