Установка прямого экспонирования на основе жидкокристаллической матрицы Российский патент 2025 года по МПК H05K3/00 H04N25/10 

Изобретение относится к области производства электроники (радиоэлектроники), в частности, к производству печатных плат на этапе фотолитографии и может быть применено в приборостроительной, радиотехнической, электронной отраслях промышленности.

В технологических процессах изготовления печатных плат для формирования изображения, т.е. изготовления рисунка металлических проводников для образования электрической схемы на заготовках используется оборудование контактного экспонирования и прямого формирования изображения источником излучения. При контактном экспонировании для формирования изображения заготовка с нанесенным фоточувствительным материалом (фоторезистом) подвергается воздействию излучения через фотошаблон, который находится в непосредственном контакте с заготовкой. В установках прямого экспонирования для формирования проводящего рисунка применяется лазер или светодиодный источник излучения, который при помощи оптической системы воздействует узкосфокусированным лучом на фоточувствительный материал.

Аналогом к заявляемой установке является устройство для контактного экспонирования печатных плат [Устройство для контактного экспонирования печатных плат, SU 1455989 A1, опубл. 20.04.1995], которое содержит основание, установленные на нем нижние копировальные рамы, выполненные в виде жесткого обода, закрепленную на верхнем торце нижней копировальной рамы эластичную прозрачную пленку, вмонтированную в раму уплотнение, верхнюю копировальную раму с закрепленной на ней прозрачной пленкой и уплотнением, прижимающий верхнюю раму к нижней раме во время экспонирования и вакуумирования привод, фотоприемники и источники света.

Устройство работает следующим образом. Перед загрузкой фотошаблонов с заготовкой средство подъема поднимает центральную часть пленки нижней рамы. Фотошаблон с заготовкой загружается на пленку. Средство подъема при помощи привода опускается. Нижние рамы поворачиваются вокруг вертикальной оси. Фотошаблоны с заготовкой попадают в узел экспонирования. Верхняя рама при помощи привода прижимается к нижней раме. Из полости, образованной пленками и уплотнением, с помощью узла вакуумирования откачивается воздух, обеспечивая тем самым прижатие фотошаблонов к заготовке. При достижении требуемого вакуума производится экспонирование. Режим экспонирования выдерживается автоматически экспозиметром. После окончания экспонирования привод поднимает верхнюю раму. Нижние рамы поворачиваются. Средство подъема при помощи привода поднимается, поднимая при этом фотошаблоны с заготовками над пленкой. Нижние рамы поочередно заходят в узел экспонирования и узел загрузки.

Недостатками устройства контактного экспонирования являются: сложность точного совмещения фотошаблона и заготовки из-за нестабильности геометрических размеров плёночных фотошаблонов при изменении условий окружающей среды: температуры и влажности; увеличение количества дефектов по мере износа фотошаблона в процессе эксплуатации из-за механического контакта с заготовками; увеличенная стоимость производства, обусловленная дополнительной технологической операцией изготовления фотошаблона, а также содержанием пространства для хранения фотошаблонов.

Также близким по сущности к заявляемому устройству является устройство для прямого лазерного экспонирования [Laser direct imaging apparatus, JP 2007094122 A, опубл. 12.04.2007], которое осуществляет экспонирование фоторезиста лучом лазера.

В состав устройства входят источник лазерного излучения, плоское зеркало, полигональное зеркало, fθ-линза, направляющее зеркало, двигатель, сенсор начала, панель для размещения оптических элементов, основание с установленной на нем горизонтально подставкой, с которой жестко соединена панель для размещения оптических элементов, где закреплены источник лазерного излучения, плоское зеркало, полигональное зеркало, fθ-линза и направляющее зеркало, причем источник лазерного излучения и плоское зеркало установлены таким образом, что лазерный пучок попадает в центр этого зеркала, а полигональное зеркало, fθ-линза и направляющее зеркало размещены так, чтобы при вращении полигонального зеркала отраженный от его граней пучок излучения проходил через fθ-линзу, отражался от направляющего зеркала в сторону плоскости размещения заготовки и производил ее сканирование, при этом сенсор начала прикреплен к подставке в таком положении, чтобы пучок лазерного излучения при каждом сканирующем движении мог кратковременно попадать на светочувствительную зону сенсора, а двигатель имел механическую связь с заготовкой для ее перемещения в направлении субсканирования.

Кроме того, устройство содержит расширитель пучка, акустико-оптический модулятор, цилиндрическую линзу, зеркало сенсора начала, дополнительное плоское зеркало, средство отклонения оптической оси, четырехсекционные фотосенсоры, направляющие столика, подвижный столик, установленный на направляющих столика, закрепленных на основании, причем двигатель в линейном исполнении смонтирован на основании и соединен подвижной частью с подвижным столиком, а плоское зеркало, расширитель пучка, дополнительное плоское зеркало, акустико-оптический модулятор и средство отклонения оптической оси расположены на панели для размещения оптических элементов так, чтобы отраженный плоским зеркалом пучок лазерного излучения проходил через расширитель пучка, отражался от дополнительного плоского зеркала, попадал в акустико-оптический модулятор, затем отражался от средства отклонения оптической оси в сторону полигонального зеркала, при этом четырехсекционные фотосенсоры размещены на подвижном столике вдоль его наиболее удаленного от подставки края с равномерным интервалом вдоль прямой линии, параллельной направлению сканирования, цилиндрическая линза прикреплена к подставке таким образом, что совершающий сканирование лазерный пучок, отраженный от направляющего зеркала, проходит через цилиндрическую ось цилиндрической линзы и фокусируется на поверхности экспонируемой заготовки, а зеркало сенсора начала установлено рядом с одним из краев цилиндрической линзы под ней в положении, позволяющем направлять кратковременно попадающий на это зеркало пучок лазерного излучения на светочувствительную поверхность сенсора начала.

Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени плоская заготовка зафиксирована на подвижном столике, который выдвинут на максимальное расстояние от подставки, источник лазерного излучения выключен, двигатель находится в остановленном состоянии, а полигональное зеркало неподвижно. После поступления сигнала "Пуск" от компьютерной системы управления полигональное зеркало начинает вращаться с некоторой постоянной скоростью, а двигатель начинает перемещать подвижный столик с размещенной на нем плоской заготовкой в направлении субсканирования. После этого источник лазерного излучения начинает излучать лазерный пучок, промодулированный с помощью акустико-оптического модулятора специально сформированным электрическим сигналом. Это излучение попадает на вращающееся полигональные зеркало. Отразившийся от его движущихся граней пучок лазерного излучения, пройдя через fθ-линзу и отразившись от направляющего зеркала, фокусируется цилиндрической линзой, попадает на поверхность заготовки и совершает ее сканирование. При этом во время каждого сканирующего движения этот лазерный пучок через зеркало сенсора начала кратковременно попадает на светочувствительную зону сенсора начала, который генерирует электрические импульсы. По этим импульсам компьютерная система управления синхронизирует во времени сигналы модуляции лазерного излучения. Оптическая конструкция, представляющая собой совокупность fθ-линзы и цилиндрической линзы, обеспечивает фокусирование упомянутого пучка на сканируемую поверхность в каждый момент времени. При каждом сканирующем движении средство отклонения оптической оси корректирует ее таким образом, чтобы линия сканирования представляла собой прямую.

Таким образом, сканирующая система экспонирует прямую линию на покрытой фоторезистом плоской заготовке точно направляемым лазерным пучком. При этом механическое устройство перемещения, представляющее собой подвижный столик с линейным приводом, обеспечивает равномерное движение заготовки относительно других элементов в перпендикулярном этой линии направлении, а компьютерная система управления с помощью акустико-оптического модулятора обеспечивает прохождение и блокирование лазерного излучения в строго определенные моменты времени так, чтобы оно попадало только на те участки поверхности, которые соответствуют засвечиваемым пикселам наносимого изображения. В итоге в слое фоторезиста линия за линией из облученных и необлученных участков формируется рисунок.

Недостатками установки являются конструкционная сложность ее оптической и механической систем, что обуславливает дороговизну ее изготовления, а также увеличение количества дефектов по мере износа элементов механической системы.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение стоимости и повышение устойчивости технологической операции экспонирования печатных плат, что достигается использованием в конструкции установки ЖК-матрицы, осуществляющей перенос топологии на заготовку и исключающей применение физических фотошаблонов, а также сложных оптических и механических систем формирования узконаправленного луча.

Техническим результатом является упрощение конструкции устройства прямого экспонирования за счет применения монохромной жидкокристаллической (ЖК) матрицы, которая выступает в качестве цифрового фотошаблона и обеспечивает селективную экспозицию фоторезиста, что позволяет осуществить экспонирование всей заготовки целиком одновременно без перемещения источника излучения или самой заготовки. Повышение устойчивости операции экспонирования обеспечивается стабильностью геометрических размеров отображаемого на ЖК-матрице проводящего рисунка при изменении внешних условий, а также отсутствием механического износа ЖК-матрицы при использовании устройства.

Заявленный технический результат достигается тем, что в установке прямого экспонирования печатных плат, включающей системы экспонирования, фиксации, совмещения и контроллер; система экспонирования включает ультрафиолетовую светодиодную матрицу (УФ- матрица), рассеиватель, обеспечивающий параллельность УФ лучей, расположенный параллельно УФ-матрице со стороны распространения излучения; монохромную жидкокристаллическую матрицу (ЖК-матрица), расположенную параллельно УФ-матрице за рассеивателем, а также подсистемы управления ЖК-матрицей и УФ-матрицей; система фиксации включает фиксатор, выполненный в виде рамы с закрепленной по её периметру прозрачной эластичной пленкой, находящейся в натяжении, предназначенный для закрепления заготовки печатной платы на ЖК-матрице и вакуумный насос с подсистемой управления, создающий разрежение между ЖК-матрицей и фиксатором; система совмещения включает видеокамеру, объектив которой направлен в сторону ЖК-матрицы и находится перпендикулярно к её плоскости, и подсистему перемещения камеры; контроллер принимает информацию с видеокамеры и соединен с механизмом перемещения видеокамеры, а так же с подсистемами управления ЖК-матрицей, УФ-матрицей и насосом.

Установка обеспечивает экспонирование заготовки путем фиксации положения заготовки относительно ЖК-матрицы и создания плотного контакта между ними с помощью системы фиксации; определения положения заготовки относительно ЖК-матрицы и генерации контроллером соответствующего положению заготовки изображения воспроизводимой топологии и его отображения на ЖК-матрице; формирования параллельного светового пучка путем пропускания света от УФ-матрицы через рассеиватель.

Заявляемое изобретение поясняется фигурами.

Фиг. 1 - Структурная схема установки прямого экспонирования с использованием ЖК-матрицы.

Фиг. 2 - Общий вид установки прямого экспонирования с использованием ЖК-матрицы.

Фиг. 3 - Модуль экспонирования установки.

На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства. На контроллер 1 от видеокамеры 3 поступает изображение расположения заготовки 5 на рабочей области установки. На основе изображения контроллер 1 осуществляет совмещение цифрового фотошаблона с заготовкой 5 и отправляет скорректированное изображение фотошаблона в подсистему управления ЖК-матрицей 8. Контроллер 1 определяет экспозиционную дозу путем передачи параметров времени экспонирования и интенсивности источника излучения подсистеме управления УФ матрицей 11, а также управляет подсистемой управления насосом 15 и механизмом перемещения видеокамеры 4.

Система фиксации 12 обеспечивает плотный контакт между ЖК-матрицей 7 и заготовкой 5 в процессе экспонирования. Заготовка 5 с нанесенным фоточувствительным материалом располагается на ЖК-матрице 7, а сверху накрывается фиксатором 13, выполненным в виде рамы с натянутой на нее прозрачной эластичной полимерной пленкой. В пространстве между ЖК-матрицей 7 и фиксатором 13 вакуумный насос 14 создает разряжение, прижимающее заготовку 5 к ЖК-матрице 7.

Система экспонирования 6 включает в себя ЖК- и УФ- матрицы (7,10), подсистемы управления ЖК- и УФ-матрицами (8,11), а также рассеиватель 9. Подсистема управления ЖК-матрицы 8 получает от контроллера 1 скорректированное изображение проводящего рисунка. Подсистема управления УФ-матрицей 11 обеспечивает необходимое время экспонирования и интенсивность УФ-излучения. Между УФ и ЖК-матрицами (10,7) располагается рассеиватель 9, представляющий собой прямоугольную матрицу плоско-выпуклых линз, расположенный параллельно УФ-матрице 10 со стороны распространения излучения, обеспечивающий параллельность ультрафиолетовых лучей и, соответственно, равномерность интенсивности излучения на поверхности заготовки 5.

Общий вид установки приведен на фиг. 2 Устройство включает в себя: источник излучения 10 в виде матрицы с УФ-светодиодами; рассеиватель 9, обеспечивающий параллельность УФ лучей; монохромную ЖК-матрицу 7, на которой отображено изображение фотошаблона 16 и реперные знаки позиционирования 15; заготовку 5 с нанесенным фоторезистом и технологическими отверстиями 18; фиксатор 13; насос 14; механизм перемещения видеокамеры 4; видеокамеру 3.

Элементы 7,9,10, закрепленные на корпусе 19, образуют систему экспонирования 6 установки (фиг.3). В процессе экспонирования в области контакта заготовки и ЖК-матрицы присутствуют следующие элементы: непрозрачная и прозрачная для УФ-излучения части ЖК-матрицы 20 и 21, а также прореагировавшая и непрореагировавшая части фоторезиста 22 и 23; слой медной фольги 24; диэлектрическое основание 25 и оптически прозрачная пленка фиксатора 13. Элементы 22-25 являются составляющими заготовки 5.

Устройство работает следующим образом:

1. фиксатор 13 поднимается;

2. на ЖК-матрицу 7 кладется заготовка 5 с нанесенным фоторезистом;

3. фиксатор 13 опускается;

4. из пространства между ЖК-матрицей 7 и фиксатором 13 с помощью вакуумного насоса 14 откачивается воздух для обеспечения плотного прижатия заготовки 5 к ЖК-матрице 7;

5. с помощью механизма перемещения 4 видеокамера 3 устанавливается на таком расстоянии от заготовки 5, чтобы вся заготовка 5 попадала в область видимости видеокамеры 3 с учетом обеспечения максимальной площади заготовки на изображении;

6. изображение заготовки 5 при помощи видеокамеры 3 поступает на контроллер 1, где производится обработка производственного файла изображения проводящего рисунка для его совмещения с заготовкой (совмещение производится по реперным знакам на изображении проводящего рисунка 17 и технологическим отверстиям на заготовке 18);

7. скорректированное изображение выводится на ЖК-матрицу 7 и производится включение светодиодной УФ-матрицы 10 с необходимыми параметрами экспонирования;

8. завершение операции (насос отключается 14, фиксирующая рамка 13 поднимается, и заготовка 5 извлекается).

Изобретение относится к области производства электроники (радиоэлектроники), в частности к производству печатных плат на этапе фотолитографии, и может быть применено в приборостроительной, радиотехнической, электронной отраслях промышленности. Технический результат - упрощение конструкции устройства прямого экспонирования, повышение устойчивости операции экспонирования. Установка прямого экспонирования печатных плат включает системы экспонирования, фиксации, совмещения и контроллер. Система экспонирования включает ультрафиолетовую светодиодную матрицу (УФ-матрица), рассеиватель, обеспечивающий параллельность УФ-лучей, расположенный параллельно УФ-матрице со стороны распространения излучения; монохромную жидкокристаллическую матрицу (ЖК-матрица), расположенную параллельно УФ-матрице за рассеивателем, а также подсистемы управления ЖК-матрицей и УФ-матрицей. Система фиксации включает фиксатор, выполненный в виде рамы с закрепленной по её периметру прозрачной эластичной пленкой, находящейся в натяжении, предназначенный для закрепления заготовки печатной платы на ЖК-матрице, и вакуумный насос с подсистемой управления, создающий разрежение между ЖК-матрицей и фиксатором. Система совмещения включает видеокамеру, объектив которой направлен в сторону ЖК-матрицы и находится перпендикулярно к её плоскости, и подсистему перемещения камеры. Контроллер принимает информацию с видеокамеры и соединен с механизмом перемещения видеокамеры, а также с подсистемами управления ЖК-матрицей, УФ-матрицей и насосом. 3 ил.

Установка прямого экспонирования печатных плат, включающая системы экспонирования, фиксации, совмещения и контроллер; система экспонирования включает ультрафиолетовую светодиодную матрицу (УФ-матрица), рассеиватель, обеспечивающий параллельность УФ-лучей, расположенный параллельно УФ-матрице со стороны распространения излучения; монохромную жидкокристаллическую матрицу (ЖК-матрица), расположенную параллельно УФ-матрице за рассеивателем, а также подсистемы управления ЖК-матрицей и УФ-матрицей; система фиксации включает фиксатор, выполненный в виде рамы с закрепленной по её периметру прозрачной эластичной пленкой, находящейся в натяжении, предназначенный для закрепления заготовки печатной платы на ЖК-матрице, и вакуумный насос с подсистемой управления, создающий разрежение между ЖК-матрицей и фиксатором; система совмещения включает видеокамеру, объектив которой направлен в сторону ЖК-матрицы и находится перпендикулярно к её плоскости, и подсистему перемещения камеры; контроллер принимает информацию с видеокамеры и соединен с механизмом перемещения видеокамеры, а также с подсистемами управления ЖК-матрицей, УФ-матрицей и насосом.