紫外线曝光机是印制板制造工艺中的重要设备,灯源是影响印制板曝光质量的主要因素。提供一种曝光机灯源系统设计方案,包括灯源的调光电路选择、三菱PlC扩展模块模的使用、以及控制灯箱抽风风扇的PlC程序

郑新武

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-21-短评与介绍  Short Comment & Introduction印制电路信息 2011 No.5紫外线曝光机灯源系统设计郑新武（厦门大学机电工程系，福建  厦门   361005）摘   要      紫外线曝光机是印制板制造工艺中的重要设备，灯源是影响印制板曝光质量的主要因素。本文提供一种曝光机灯源系统设计方案，包括灯源的调光电路选择、三菱PLC扩展模块模的使用、以及控制灯箱抽风风扇的PLC程序。关键词      紫外线曝光机；印制板；调光电路；PLC中图分类号：TN41      文献标识码：A      文章编号：1009-0096（2011）5-0021-02The lamp source system of Ultraviolet exposure machine designZHENG Xin-wuAbstract    Ultraviolet(UV) exposure machine is very important equipment during manufacturing process of PCB, the lamp source is the primary factor affects the exposure quality. This article provides an power system design of exposure machine, including light dimming circuit selection, the use of mitsubishi PLC extension module, and PLC program to control ventilation fan of the light boxes.Key words     Ultraviolet exposure machine; PCB; dimming circuit; PLC1  引言曝光机在制作印制板的过程中的作用是进行图像转移[1]，通过UV灯发出的紫外线对有机聚合物（通常称为电子抗蚀剂或光刻胶）进行曝光，受电子束辐照后的光刻胶，其物理化学性质发生变化，在一定的溶剂中形成溶解或不溶解区域，从而在抗蚀剂上形成精细图形。本设计基于对一台旧曝光机改造，曝光机系统主要包括晒架系统、光源系统、冷却系统、曝光控制系统四大部分[2]。主要机构有：双晒架由电机正反转控制其进出曝光室；上下灯箱实现PCB板双面曝光，灯源的曝光时间由快门打开、闭合控制；由空调提供曝光室冷却，灯箱的冷却采用间接型循环风冷。由三菱PLC控制晒架进出曝光室、光源快门的开闭、灯源冷却。印制电路板曝光机使用的灯管为金属卤素灯，为保证灯的紫外线强度，满足油墨固化要求，灯管的工作功率较大，灯管工作时会不停的发热。同时，必须在较高的温度下金属卤素灯功率才能维持在额定功率，但是灯管周围温度过高会影响灯管的使用寿命。因此，为保证灯的正常工作，必须在灯箱中设计冷却系统来控制灯管周围的温度。本文主要讲述曝光机光源系统的调光电路，以及灯管的冷却控制。2  调光电路金属卤化物灯的调光技术主要有：利用电子镇流器调光；采用变感抗式调光；用变容抗式调光。本曝光机金属卤灯为国产Sc-Na型，考虑灯的特性、设备价格以及电路调光性能等因素，选择变容抗式            图形转移  Imaging  印制电路信息 2011 No.5-22-短评与介绍  Short Comment & Introduction恒功率自耦升压式镇流器CWA型镇流器调光电路如图1。通过改变镇流器工作电容的容抗，实现调光，该镇流器可获得较高的开路电压，线路功率因数可达90%，在电源电压起伏较大情况下，对稳定灯的功率，维护好灯的性能起到较好的调节作用。图1  变容抗式CWA型镇流调光电路曝光机在曝光时，根据PCB曝光工艺要求设计5 kW、8 kW两档曝光。为了减少耗能，延长灯管的使用寿命，在非曝光状态灯管需要维持在3 kW，以便在曝光时灯管功率能在短时间内达到曝光需求功率。即调光电路设计为3级可调。C3接通，灯正常启动点亮，在5 min内金属卤灯的功率上升到待机状态的3 kW。使用5 kW功率进行曝光时，快门打开，中等功率继电器（Midium Relay）辅助触点吸合，C2接通；使用8 kW功率进行曝光时，快门打开，中等功率继电器和高功率继电器（High Relay）同时吸合，C1、C2、C3接通。继电器的开闭用PLC程序控制。3  灯管冷却系统的设计对于曝光机设备中的8 kW大功率工作的金卤灯而言，灯箱温度调节是设计的难点。灯点亮升压过程中如果风量过大，灯箱内温度不够灯功率无法达到额定工作状态需要，如果风量过小或不及时冷却，灯箱内温度过高，影响灯的工作寿命，灯箱内设置有过热保护开关保障灯箱内的温度。设计中通过采集灯管两端的电压，使用PLC程序控制风扇对灯管进行冷却，使灯管正常工作，同时避免灯箱过热，使灯管长时间正常稳定工作。控制流程如图2。图2  灯管电压控制流程控制方案中，问题的关键之一就是实时获取灯管两端的电压。由于三菱的PLC模数扩展模块只能接受直流电压输入，电压范围为0~10 V（-0.5 V，+15 V），因此需要将灯管两端的0~500 V交流电压经过变压和整流后得到符合要求的直流范围内，同时要考虑灯管在启动时会产生高压脉冲，需要做适当的保护来保护电子元器件。设计的单向桥式整流滤波电路如图3所示。图3  单向桥式整流电容滤波电路在图4电路中，因为灯工作电压范围在0~500 V，因此经过电阻R1、R2和变压器后，设计U灯:U2＝100:1，即将输入到整流的交流电压范围降到0~5 V。通过多次实验，获得灯管电压高于450 V时开启灯箱抽风风扇，灯管电压低于450 V时关闭风扇。三菱模数转换模块FX1N-2AD-BD，提供两路模数转换，其分辨率为2.5 mV（10 V/4000），其数字输出与模拟输入的线性关系如图4所示。图4  模数线性关系4  PLC程序编写根据系统运动控制所需要的输入输出信号的数量，系统选用了三菱的FX1S－30MT可编程控制器，软件设计采用三菱公司的GE Develop软件。首先设置模数转换模块为电压信号输入，并储存数据，同时设置灯箱抽风风扇开启闭合灯管两端的电压值，梯形图如图5。梯形图中M8001为特殊功能寄存器，PLC运行时常闭。PLC开启M8112获得曝光灯的电压模拟输入（下转第30页）图形转移  Imaging  印制电路信息 2011 No.5-30-短评与介绍  Short Comment & Introduction3.3.2  镀层成分x射线能谱（EDS）分析样品测试获得的EDS 如图3 所示。图3中a和b的图谱可以看出试验参数优化后镀层中Ni的含量明显降低而铜的含量升高，因此优化参数后所得到的镀层电阻率更低。不大。（2）经过正交试验得出亚鉄氰化钾为添加剂次亚磷酸钠还原化学镀铜的 佳基础配方和操作条件为：硫酸铜8 g/L；硫酸镍0.8 g/L；亚鉄氰化钾2 mg/L次亚磷酸钠30 g/L；柠檬酸20 g/L；硼酸30 g/L；pH 9；温度75 ℃。（3）电镜扫描和能谱分析图片可以得出：添加亚铁氰化钾并优化试验参数后镀层由原来的棕黑色变为光亮的铜色，镀层中Ni的含量明显降低，且镀层电阻率也随之降低。参考文献崔国峰,李宁等. 化学镀铜在微电子领域的应用及展望[J]. 电镀与环保, 2003,23(5): 5-7.CHENG D H, XU W Y, ZHANG ZY, eta1. Electro less copper plating using hypophosphite as reducing agent [J]. Met Finish, 1997, 95(1): 36-38.张怀武, 何为, 胡文成等. 现代印制电路原理与工艺[M]. 机械工业出版社, 2006.    甘雪萍.亚铁氰化钾对以次亚磷酸钠为还原剂化学镀铜的影响[J]. 材料程, 2009(4):9-40.[1][2][3][4]4  结论（1）在镀液中添加亚铁氰化钾时能够降低沉积速率并且改善镀层形貌。亚铁氰化钾浓度从0增加至4 mg/L时，沉积速度从10.58 μm/h下降为 4.31 μm/h，但是亚铁氰化钾浓度继续升高对沉积速度的影响PCI信号，同时将灯管的电压数值存到D215里面，设置D11=2030（即灯管电压为450 V）为灯箱抽风风扇的开启点。通过一段比较程序，设计灯管电压大于450 V时，M53接通；灯管电压低于450 V时，M55接通。由于灯管工作时电压会波动，因此设计风扇延时2 s开启可避免抽分风扇频繁启动，即电管电压大于450 V维持2 s后灯箱抽风风扇开启，灯管电压低于450 V维持2 s后灯箱抽分风扇关闭。[1][2]5  结语针对以上给出的以变容抗式CWA型镇流器调光电路，以灯管两端的电压为控制量控制灯箱抽风风扇的冷却系统，应用于旧曝光机的实际改造，实现了使用国产金卤灯达到高质的曝光效果，节约了曝光机的改造成本，降低机械维护难度。但是，本电源系统设计方案仅从电压方面控制金属卤素灯的工作状态，可在设计中添加温度控制和电流控制，确保设备的工作性能和安全。参考文献杨志锋,李寅,陈永明. PCB曝光机自动控制系统设计[J]. 机电工程, 2009,第38卷,第1期.徐小辉,李磊民. 紫外线曝光机的总体设计[J]. 印制电路信息, 2006,1.第一作者简介郑新武，硕士研究生。研究领域：数控系统、工业自动控制。PCI图5  灯箱冷却控制梯形图~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~（上接第22页）孔化 电镀 Metallization & Plating

紫外线曝光机灯源系统设计

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