｜UV-LED於桌上型曝光系統之應用

摘要：傳統的汞燈源紫外線曝光系統體積龐大、價格也高，此外汞燈源存在環保問題。由於UV-LED的發展，桌上型曝光系統的產品也在國外陸續發表。此種小型曝光機可在不佔太多空間的狀況下，應用於印刷電路板（PCB）或半導體光刻基板的製作。傳統上照明系統是曝光機最關鍵的零組件之一，一般要求具有很好的照明均勻與準直性，能量利用率盡可能高，如果照明不均勻或光線準直度差，將導致被曝件轉換出來的線條寬度不均勻，甚至斷線等，對於電路板的電性影響甚鉅。而能量利用率高除了減少光能損耗外，也可加速生產時程。本文將針對UV-LED取代傳統照明系統的汞燈源的可行性作一系列的討論。

Abstract: A conventional UV exposure system using a mercury lamp has several issues: large volume, high price, and environmentally unfriendly. With the development of ultra-violet light emitting diode (UV-LED), more and more desk-top exposure systems have been proposed. The UV-LED based desktop exposure machine can be readily applied in the fabrication of printed circuit board (PCB) or semiconductor devices without a large space. For a conventional exposure system, the illumination sub-system plays a key role, and the basic requirements are high illumination uniformity, high collimation and as high an energy utilization efficiency as possible. If the output exposure beam is not uniform or does not provide enough collimation, the exposure device will face problems of non-uniformity in line-width and even broken lines, which seriously impacts the electrical function of a PCB. In addition, high energy utilization efficiency means less energy loss and higher throughput. This article will discuss the potential of using a UV-LED array to replace a mercury lamp.

關鍵詞：紫外線曝光系統、發光二極體、準直、均勻與大面積

Keywords：UV exposure system, Light-Emitting Diode (LED), Collimation、Uniformity、Large area

前言
應用於PCB製作的曝光系統最常使用的光源波段大多在365 nm附近。因此365 nm 的UV-LED在LED發展的歷史中是繼1994年藍光LED發表後最受矚目的LED，UV-LED的出現使得簡易型紫外線殺菌系統、曝光系統與檢測系統成為可能。而大功率365 nm UV LED的出現更使桌上型曝光系統的商品化提早實現。

以應用UV-LED光源於曝光系統為例，大部分設計者會考慮到LED光線的準直度。準直設計在可見光波段可採用折射或反射等幾何光學方式達成，其方法基本上亦適用於365 nm UV LED。其差別只在材料的選擇需適用於紫外光波段，尤其對紫外光吸收率需夠低。

但大部分設計只考慮到“準直”，對於均勻度的要求鮮少有人提出。因此設計一“LED準直且光線分佈均勻化”的文獻不多，本背景所述為目前可蒐集到的相關資料。

若進一步要求“LED高準直（<+/- 2度）、LED光線分佈均勻度大於90 %且曝光面積大”，則設計難度更高，此時機構設計與光路設計須同時考量。事實上，此種高準直、高均勻度與大面積的LED光路系統不只在UV波段有很高的需求，在其他波段需求度亦高。例如可應用於太陽能模擬系統（LED準直後其準直度與頻譜分佈近似太陽光）[1]、生物組織之方向性刺激光源[2]、桌面上準直UV曝光系統（ITRI機械所此刻正進行中）、可見光型3D全像顯示用背光源 （國內少數實驗室正嘗試進行）、缺陷檢測儀器與感測器[3]等的開發。以下分別敘述LED準直技術方面具有幾篇代表性的文章。

最早專利之一以Philips於2003年提出專利US 6547423 B2最為著名[4] （圖1（a））。由於LED發光源屬於面光源、朗伯分佈。LED光線經過近光源面的封裝結構折射後，可分為兩類：一類出射角度在光源面的法線方向附近,此些光線經一折射曲面後，即為近似準直光線。另一類出射角度較大的光線，則先通過一反射面，進行光線準直。此種設計的優點尚可於最外層加一折射結構，將準直光線偏折到欲設計的方向（圖1（b））。此設計的主要問題點在於中央折射面兩側縫隙過小，不利於加工。