曝光机对印制电路板阻焊层品质的影响

付凤奇 余为勇 王 俊 谢伦魁

（深圳市景旺电子股份有限公司，广东 深圳 518102）

0 引言

为保护非焊接区域上的线路，印制电路板（printed circuit board，PCB）制作阻焊层，在焊接过程及后段制程中，避免板面被污染和损坏，确保绝缘效果。阻焊层的制作中，曝光环节尤为重要，不同颜色的阻焊油墨均会吸收紫外光造成光固化，不同曝光机产生的紫外光波长不尽相同，因此阻焊油墨光固化的程度也不同。在显影过程中，光固化不足的底层油墨易被显影药水攻击，在阻焊堤底部形成侧蚀，导致出现阻焊堤脱落的风险，阻焊油墨可靠性降低，如发生冷热冲击后油墨开裂等。本文介绍了直接成像（direct imaging，DI）曝光机、卤素灯曝光机和发光二极管（light emitting diode，LED）曝光机对PCB 阻焊油墨品质的影响。

1 不同种类阻焊曝光机介绍

目前，常见的阻焊曝光机有DI 曝光机、普通曝光机（卤素灯曝光机和LED 灯曝光机），其工作原理各不相同。

1.1 DI曝光机

DI 曝光机主要由光源、图形发生器、光学成像单元、运动控制及工作软件组成。其中，光源、图形发生器和光学成像单元是DI 曝光机的核心部件。光源强度、角度及波长均会影响DI 设备产率、良品率及覆盖工艺。目前，DI 曝光机通常采用激光或紫外线发光二极管（UV-LED）作为光源，紫外波段可供选择的波长为365～425 nm，可制成单波段、双波段、三波段及多波段曝光机，用于PCB 内外层的图形转移和阻焊制作，其工作原理如图1所示。

图1 DI曝光机工作原理示意

曝光机的工作主机通过算法将计算机辅助制造（computer aided manufacturing，CAM）文件转换成光栅图形处理器（raster image processor，RIP）的光栅图像文件，传至相关板卡，板卡将图像文件传给数字微反射镜（digtial micromirror devices，DMD），大量的小反射镜通过光学成像单元显示图像信息。

DI曝光机的优点是不需要照相底版，可提高阻焊制作精度和合格率，使多层PCB对位更加准确；同时，缩短生产流程，加快周转速度，降低成本。

1.2 普通曝光机

普通曝光机结构简单，通过打开光源发射紫外线，将图像信息从底片转移到印有感光油墨的PCB 上，再通过显影将不需要保留的阻焊油墨去除，留下需要的阻焊图形，工作原理如图2所示。

图2 普通曝光机工作原理示意（照相底版）

普通曝光机的优点是技术成熟，灯管成本低，操作方便。与DI 曝光机相比，缺点是对位精度相较差，而且需要底版作为图像转移工具，可能因底版缺陷产生品质问题，增加生产成本。普通曝光机主要有卤素灯曝光机和LED灯曝光机，灯源如图3所示。与卤素灯曝光机相比，LED灯曝光机具有灯源使用寿命长、节能、环保及成本较低的优点。

图3 曝光机灯源

2 不同种类阻焊曝光机的波长

阻焊油墨的光固化反应是光起始剂吸收紫外光后，触发感光树脂官能团产生的聚合反应。紫外光中各个波段光线在油墨中的穿透能力不同，如图4所示。长波段具有较强穿透性，短波段穿透力弱，仅能固化油墨表面，因此阻焊油墨使用的曝光机光源需搭配合适的波长。3种曝光机常见波长分布见表1。

图4 各波段紫外光在油墨中穿透能力的比较

表1 3种曝光机常见波长分布

一般阻焊感光油墨配方中有光引发剂、颜料、稳定剂等，使UV 光较难穿透到基材表面，需同时解决好表面固化和深度固化的技术问题，因此适用于阻焊感光油墨的曝光机需具备长短波、多波段的特点。

用紫外光谱辐射仪（德国Opsytec UVpad）对4种曝光机（卤素灯曝光机、LED 曝光机、A厂商提供的DI曝光机1、B厂商提供的DI曝光机2）进行光谱测量对比，结果如图5～图8所示。

图5 卤素曝光机灯光谱

图6 LED曝光机灯光谱

图7 DI曝光机1灯光谱

图8 DI曝光机2灯光谱

由图可知，卤素灯波长覆盖最广，适用于所有阻焊油墨，LED 和DI长波范围较狭窄，对阻焊油墨有一定的局限性。

3 阻焊油墨使用不同曝光机的显影性能

3.1 实验仪器与实验材料

测试仪器：阻焊卤素曝光机、LED 曝光机、DI曝光机、金相显微镜。

阻焊油墨：选择常用的绿、黑、白3 种不同颜色阻焊油墨。

3.2 实验参数

阻焊厚度：38～42 μm（使用43T网版印刷）。

曝光尺格数：10格。

显影速度：按照操作指引要求完成。

3.3 实验流程

网印→预烤→曝光→显影→后烤→切片分析侧蚀数据。

3.4 实验设计

分别对不同颜色的油墨和不同类别的曝光机展开实验对比，见表2。

表2 实验设计方案

3.5 实验结果与分析

同种油墨在相同曝光尺条件下进行实验，显影、后烤后切片分析，结果、数据分析和切片分别如表3、表4和图9所示。

表3 显影侧蚀切片结果

表4 阻焊侧蚀切片

由图9 可知，显影侧蚀与油墨、曝光机种类均强相关。绿油侧蚀量相对趋于稳定，受曝光机种类的影响最小。同种颜色的油墨搭配不同曝光机，绿油使用卤素灯曝光机时，其侧蚀量最大；白油使用DI 曝光机时，其侧蚀量最大；黑油使用LED 曝光机时，其侧蚀最大。综上所述，可得以下结论。

（1）绿色油墨显影侧蚀基本不受曝光机种类的影响，阻焊油墨与DI 波长高度匹配时，显影后为“零侧蚀”，如图10所示。

（2）黑色油墨使用LED 曝光机的显影侧蚀较大，使用卤素灯曝光机的显影侧蚀最小。

（3）白色油墨使用卤素灯曝光机的显影侧蚀最小，LED 曝光机次之，白油不适用本次实验选用的DI 曝光机。显影后，阻焊堤出现严重的油墨剥离异常，说明使用DI 曝光机生产白油板时，光线只能使表层油墨固化，底层油墨无法固化，加大曝光能量也毫无效果。

4 阻焊油墨使用不同曝光机的可靠性研究

4.1 实验方案

针对第3 章实验的测试板，开展冷热冲击实验，观察各阻焊在不同曝光光源下，开裂和百格刀测试的情况，确定在高低温骤变时，不同种类的曝光机对阻焊油墨可靠性的影响。

4.2 实验条件

测试温度：T1 为-40 ℃；T2 为140 ℃。保持时间15 min，转换时间＜10 s，循环次数1 000次。

4.3 评估方法

（1）阻焊油墨开裂。使用如图11所示的测试图形，按上述条件进行冷热冲击实验，在百倍镜下观测油墨开裂情况。

图11 冷热冲击测试设计

（2）百格刀测试。经过冷热冲击后，使用百格刀在涂覆有阻焊油墨的大铜面上画格，最后用3M 胶带测试画格位置，观测阻焊油墨剥离的情况。

4.4 实验结果

4.4.1 阻焊油墨开裂情况

阻焊油墨开裂情况如表5和图12所示。

图12 冷热冲击测试结果

表5 阻焊油墨开裂情况

4.4.2 百格刀测试情况

阻焊油墨百格刀测试情况如表6 和图13所示。

图13 百格刀测试

表6 阻焊油墨百格刀测试情况百格刀测试结果

通过以上测试和分析，可得以下结论。

（1）同种绿色阻焊油墨使用不同的曝光机，油墨性能存在差异，其可靠性能也不同。

（2）黑色阻焊油墨几乎不受曝光机种类的影响，影响其可靠性的因素主要为油墨自身的性能。

（3）白色阻焊油墨的可靠性不如绿色和黑色油墨。

（4）相比于传统卤素灯和LED 灯曝光机，除白色油墨外，DI 曝光机不会降低阻焊油墨可靠性。

5 结论

通过以上测试和结果分析，选择阻焊曝光设备时，需考虑以下几个方面。

（1）选择与厂内主要使用的阻焊油墨匹配性好的曝光机，提升光固化效果，主要关注灯源波长范围和各波段比例。

（2）曝光机差异对绿色阻焊油墨显影性能影响较小，在曝光机波长、曝光参数适配的情况下，影响阻焊可靠性的因素主要为油墨自身性能。

（3）白色油墨因其性能的特殊性，需选择光源含有特殊波长的DI 曝光机，如405 nm 和425 nm的DI曝光机。