PCB激光制版曝光誤差分析及校正

劉清源 王英志 胡俊

摘 要 本文所研究的PCB激光制版系統采用了基于空間光調制器的數字光刻技術，文中首先闡述了數字光刻技術的原理，給出曝光強度函數并建立與掃描距離之間的數學模型。之后針對實際曝光過程中存在的曝光誤差給出公式，并帶入該數學模型中進行分析，給出在一定掃描速度下不同的偏移量對實際曝光位置的影響情況。該分析結果對提高PCB激光制版系統的精度指標具有一定的指導意義。

【關鍵詞】PCB激光制版 數字光刻 曝光誤差

數字光刻技術的原理是指將掩模圖形逐幅傳輸給空間光調制器，并在紫外激光照射的條件下，借助光刻膠將掩模圖形轉移到PCB基板上。隨著DMD制造工藝的不斷提升，將DMD作為空間光調制器具有很大優勢，主要表現在像素小、填充比高和響應速度快等方面。但DMD上微鏡陣列的最大分辨率為1920×1080，單個微鏡尺寸為10.8μm，無法滿足大面積PCB的加工需求。為了實現大面積PCB的加工，目前常用的解決方法是采用掃描曝光技術，也就是讓調制后的紫外激光勻速的掃描過光刻膠表面使之曝光。但是采用掃描曝光技術會引入曝光誤差，曝光誤差由紫外激光的掃描速度與光刻膠上像素點的曝光位置不匹配產生，本文就此問題詳細分析了曝光誤差產生的原因并校正。

1 光刻膠上單個像素點的曝光強度模型建立

對于PCB來說，線寬一般在6～20mil左右，對位精度±0.6～2mil。為了滿足需求，選擇1024×768分辨率的DMD作為空間光調制器件，單個微鏡尺寸為13.68μm，微鏡中心的通孔尺寸為1μm。DMD作為光學器件成像時要考慮到相干成像、非相干成像和部分相干成像。

本文基于相干成像理論對DMD上單個微鏡成像進行分析，之后建立光刻膠上單個像素點的曝光函數模型。假設單個微鏡的尺寸為a，單個微鏡中心的通孔尺寸為b，對單個微鏡建立坐標系oxy。根據相干成像理論，紫外激光通過DMD上單個微鏡后的光波場分布函數公式如下：

其中rect表示矩陣函數，Φ表示微鏡偏轉時的相位差，±表示微鏡的偏轉狀態。

根據定理，紫外激光通過DMD上單個微鏡后的光強函數I0正比于|h（x， y）|2，紫外激光通過DMD上單個微鏡后，照射在光刻膠表面得到的光斑呈現高斯分布，所以用高斯一階函數近似作為光刻膠表面單個像素點的曝光強度函數，即：

其中σ表示高斯半徑，假設為6.825μm（單個微鏡尺寸的1/2）。

接下來對掃描曝光過程進行分析。掃描曝光技術的原理是讓調制后的紫外激光勻速的掃描過光刻膠使之曝光，這樣就要求DMD上單個微鏡的正向偏轉時間（紫外激光打到光刻膠上的時間）與DMD模塊相對于平臺勻速移動一個微鏡寬度所需時間相同，因此曝光強度函數可進一步寫成：

其中m表示DMD模塊沿x軸方向掃描的移動量，n表示DMD模塊沿y軸方向掃描的移動量，該公式表示一個微鏡寬度范圍內曝光強度函數的積分。

2 曝光誤差分析

實際掃描曝光過程中考慮到投影物鏡的縮放誤差，DMD上單個微鏡的正向偏轉時間（紫外激光打到光刻膠上的時間）與DMD模塊相對于平臺勻速移動一個微鏡寬度所需時間不匹配誤差，給出曝光誤差公式如下：

△A表示投影物鏡的縮放誤差，k表示投影物鏡的縮放倍率，c1表示x軸方向偏移量，c2表示y軸方向偏移量。

為了計算方便，將高斯誤差函數erf （z）和公式（4）帶入公式（3）得到公式（5）：

3 仿真結果及討論

假設投影物鏡的縮放倍率為4，縮放誤差為10-3。通過改變偏移量對曝光誤差進行對比，結果如表1所示。

由第2章節中的曝光誤差模型得到的曝光仿真圖如圖1所示。由上文得到的曝光誤差理論值，對曝光誤差模型進行校正，得到曝光校正圖如圖2所示。

4 總結

通過對PCB激光制版系統的掃描曝光技術的研究，可以看出曝光誤差對曝光結果有一定的影響。本文就此問題分析并仿真了系統縮放倍率及偏移量對曝光誤差的影響，之后采用位移補償的方式進行了校正。

參考文獻

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作者簡介

劉清源（1992-），男，滿族，吉林省吉林市人。研究生。研究方向為電子科學與技術。

作者單位

長春理工大學電子信息工程學院 吉林省長春市 130022