PCB紫外平行光曝光机照明系统的改进研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.4MB 44 页 15积分

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摘要

随着当今电子技术的高速发展，电子产品也正加速进行着更新换代。电子产

品的核心部件 PCB(Printed circuit board)，即印刷线路板正不断朝着更大面积、更

高集成度的方向发展。并且相应的，电子行业对印刷线路板的制造质量以及制造

速度也提出了更高层次的要求。

PCB 曝光机是目前工业生产过程中采用的制造印刷线路板的主要设备之一，

它的曝光速度和曝光质量也直接影响着生产印刷线路板的速度及质量。影响紫外

线平行光曝光机曝光速度和质量的关键参数是曝光平面的光照均匀性、曝光平面

的平均能量密度、曝光光线的平行度以及曝光光线的总体倾斜度。由于这些性能

参数相互制约，所以导致以往的紫外线平行光曝光机都未能达到性能上绝对的高

层次，存在技术缺陷。

本论文基于非成像光学设计理论，借助光学仿真设计软件，在提出并比较分

析了方棒及复眼透镜组两种优化方案的基础上，选择复眼透镜组优化方案。分析

了Lighttools Merit Function 优化功能并自行编制了 Lighttools VBA 接口优化程序，

从而对各个主要部件进行了性能优化，特别是针对其中复眼透镜组的曲率及间距

进行了优化仿真，大幅度提高了 PCB 紫外平行光曝光机曝光表面的光照均匀性，

提高了系统能量利用率，从而满足当今电子设备生产高效率，产品高质量的大规

模生产要求。

关键词：PCB 曝光机非成像光学均匀性平均能量密度 VBA

ABSTRACT

As the rapid development of electronic technology nowadays, the electronic

products are continuously speeding up their technical renovation and transformation.

The core component of electronic products, PCB (Printed circuit board) is continuously

developing towards the direction of larger dimensions and higher level of integration.

And correspondently, the electronic industrial is asking higher demand of

manufacturing quality and faster manufacturing speed of PCB.

PCB exposure machine is one of the most important equipment that used in today’s

process of industrial manufacturing. The exposure speed and quality of exposure

machine directly influence the manufacturing speed and quality of PCB. The key

parameters that influencing the exposure speed and quality of UV collimated light

exposure machine are illumination uniformity, average energy density on the exposure

surface, parallel degree of collimated light and degree of inclination. Because these

parameters constraint from each other, so that, with this technical restrict, the

performance of former exposure machine system cannot reach to absolutely high level.

Based on the optical design theory of non-imaging optics, with the aid of optical

software, the paper choose a new method of system optimization, which programmed

LightTools VBA application programming interface optimization procedures of

illumination module of UV collimated light exposure machine solution rather than

square rod optimization solution, than Lighttools merit function optimization solution to

improve the final performance. Especially the simulation and optimization of the

parameters of fly eye lens groups. The uniformity on the exposure surface and light

efficiency are greatly improved, so as to meet the requirement of high quality and fast

speed for mass production.

Key Words: PCB exposure machine, Non-imaging optics, Uniformity,

Average energy density, VBA

摘要

ABSTRACT

ABSTRACT .................................................................................................................. VII

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

§1.1 行业背景介绍 ...................................................................................................... 1

§1.1.1 半导体产业介绍 ........................................................................................... 1

§1.1.2 曝光相关产业介绍 ....................................................................................... 3

§1.2 国内外先进技术 .................................................................................................. 7

§1.3 论文的内容及意义 ............................................................................................. 10

第二章非成像光学理论基础 ....................................................................................... 11

§2.1 几何光学的概念 .................................................................................................. 11

§2.2 集光比的定义及其理论最大值 ........................................................................ 12

§2.3 光线追迹程序的公式化表述 ............................................................................. 14

§2.4 光学扩展量的概念 ............................................................................................. 17

§2.5 倾斜不变量 ......................................................................................................... 21

第三章 PCB 紫外平行光曝光机基本工作原理及系统主要部件 .............................. 22

§3.1 曝光原理与系统结构 ........................................................................................ 22

§3.2 系统关键部件 .................................................................................................... 24

§3.3 曝光工艺 ............................................................................................................ 24

§3.4 主要性能指标 .................................................................................................... 25

第四章 PCB 紫外平行光曝光机的系统优化研究 ...................................................... 28

§4.1 方棒优化方案 .................................................................................................... 28

§4.1.1 方棒的工作原理 ......................................................................................... 28

§4.1.2 方棒性能分析 ............................................................................................. 30

§4.2 复眼透镜组优化方案 ........................................................................................ 31

§4.2.1 复眼透镜的工作原理 ................................................................................. 31

§4.2.2 复眼透镜组性能分析 ................................................................................. 32

§4.3 整体优化设计 .................................................................................................... 33

§4.4 实验验证 ............................................................................................................ 35

第五章总结与展望 ...................................................................................................... 36

§5.1 总结 .................................................................................................................... 36

§5.2 展望 .................................................................................................................... 36

参考文献 ........................................................................................................................ 37

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 42

致谢 43

第一章绪论

§1.1 行业背景介绍

§1.1.1 半导体产业介绍

在20 世纪,伴随着从机械技术派生出的到集中电子技术产品的转化进程，作为

电子产品主要“建筑材料”的半导体及其产业，毫无争议地成为了这场技术革命的中

心之一。

半导体这一材料的来源是由于半导体材料有时是电的导体而有时是非导体。

建成具有单一功能的简单芯片（称为分离元件）最早的半导体材料是锗。现在全

部微芯片的百分之八十五以上都是由半导体材料硅制造的。

制造电子器件的基本半导体材料是圆形单晶薄片，称为硅片。在硅片制造厂，

由硅片生产的半导体产品又被称为微芯片或芯片，图 1-1 为硅片和芯片图

图1-1 硅片和芯片图

微芯片和芯片在社会产品中占据着重要的地位。目前一部手机中半导体器件

的价值已达 100 美元，甚至更高；而个人电脑中半导体的成本已占总成本的百分

之三十到百分之四十；即便是半导体材料用量极少汽车产品中，也包含有价值 140

美元左右的微芯片，且随着汽车智能化程度的提高，这个价值量将会显著增加。

据不完全统计，2001 年微芯片全球销售额已经超过了 2000 亿美元，而且呈现逐年

上升的趋势。

半导体产业发展的基础实是在 20 世纪上半叶开发的技术上培育出来的，并在

20 世纪 50 年代迅速成长为以硅为基础的商品化晶体管技术。1957 年，在美国加

利福尼亚洲的帕洛阿托市的仙童半导体公司制造出第一个商用平面晶体管。它有

一层铝互联材料，这种材料被淀积在硅片的最顶层以连接晶体管的不同部分。从

PCB 紫外平行光曝光机照明系统的改进研究

硅上热氧化生长的一层自然氧化层被用于隔离铝导线。这些层的使用在半导体领

域是一重要发展，也是称其为平面技术的原因。

半导体产业向前迈进的重要一步是将对个电子元件集成在一个硅衬底上，被

称为集成电路或简称 IC。他是由仙童半导体公司的 Robert Noyce 和德州仪器公司

的Jack Kilby 于1959 年分别独自发明的。在一块集成电路的硅表面上可以制造各

种各样不同的半导体器件，例如，晶体管，二极管，电阻和电容。它们被连接成

一个具有确定芯片功能的电路。表达集成电路通常意味着描述这个芯片和它全部

元件。第一个 IC 器件如图 1-2 所示。

图1-2 第一个 IC 器件（德州仪器）

自从集成电路（图 1-3 为常见的封装好的集成电路）问世以来，电路集成已经

有了巨大的增长。在一块集成电路上可以集成各种各样不同元件的能力激励工程

师们设计更复杂的电子电路，以满足新客户的需求。

图1-3 封装好的集成芯片

我们可以大致以一块芯片上的元件数划分集成时代[1]。从 20 世纪 60 年代到现

在，这是组织半导体产业发展的有用方法，如表 1-1 所示。

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摘要随着当今电子技术的高速发展，电子产品也正加速进行着更新换代。电子产品的核心部件PCB(Printedcircuitboard)，即印刷线路板正不断朝着更大面积、更高集成度的方向发展。并且相应的，电子行业对印刷线路板的制造质量以及制造速度也提出了更高层次的要求。PCB曝光机是目前工业生产过程中采用的制造印刷线路板的主要设备之一，它的曝光速度和曝光质量也直接影响着生产印刷线路板的速度及质量。影响紫外线平行光曝光机曝光速度和质量的关键参数是曝光平面的光照均匀性、曝光平面的平均能量密度、曝光光线的平行度以及曝光光线的总体倾斜度。由于这些性能参数相互制约，所以导致以往的紫外线平行光曝光机都未能达到性...

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