Актуальность темы или когда нужна УФ-матрица на светодиодах
При изготовлении печатных плат с использованием фоторезистивной технологии необходимым элементом является источник ультрафиолетового света для засветки фоторезиста через фотошаблон и его последующей фотоиндуцированной полимеризации.
При изготовлении печатных плат малого размера можно использовать компактные люминесцентные УФ-лампы излучающие в длинноволновой («мягкой») части ультрафиолетового диапазона. Их еще называют лампами «черного света» (Blacklight). Характерная особенность этих ламп – колба почти черного цвета изготавливаемая из стекла Вуда, и выполняющая функции светофильтра. Спектр излучения этих ламп лежит в пределах 350-400 нм. Область использования Blacklight-ламп – проверка банконот, дискотеки, фотографии и т.д. Другой тип ламп - бактерицидные кварцевые лампы и лампы ДРЛ (дуговая ртутная лампа) использовать то же можно, но не желательно, т.к. их они излучают «жесткий» УФ (кварцевые - 205—315 нм, ДРЛ начиная с 185 нм), что весьма вредно для кожи и глаз человека и кроме этого приводит к образованию озона.
При изготовлении печатных плат большого размера (которые в длину больше 20 см) существенную роль начинает играть равномерность засветки фоторезиста при сохранении небольших значений угла боковой засветки. Это сложно обеспечить при использовании Blacklight-ламп, поскольку при этом необходимо размещать лампу на значительном удалении от поверхности платы, что приведет к существенному снижению интенсивности облучения и увеличению времени экспонирования.
УФ-матрица - преимущества
Перспективным решением проблемы является использование матрицы ультрафиолетовых светодиодов (UV-LED). Спектр излучения наиболее распространенных УФ-светодиодов лежит в пределах 390-400 нм, а их энергетический КПД составляет 10-20 %. Для обеспечения максимального контраста и достижения минимальной ширины дорожек целесообразно использовать светодиоды с малыми значениями угла обзора (20° и менее).
Рисунок 1. Внешний вид экспонирующей системы на УФ-светодиодах
Преимуществами этого решения являются:
- безопасность, поскольку излучение лежит в «мягкой» длинноволновой части ультрафиолетового диапазона;
- высокая скорость выполнения экспонирования (30 сек.- 120 сек.);
- возможность достижения малых значений (0,1-0,15 мм) ширины дорожек за счет малой боковой засветки;
- отсутствие «пересвета» или «недосвета» отдельных участков платы;
- масштабируемость, поскольку можно изготовить светодиодную матрицу практически любых размеров.
Конструкция УФ-системы для экспонирования
При построении представленной УФ-системы для экспонирования прожектора использовались 5мм ультрафиолетовые светодиоды типа ARL-5213VC-200 mcd. Спектр излучения данных светодиодов лежит в пределах 395-400 нм, угол обзора – 20°, номинальный ток - 20 мА, падение напряжения 3,0 - 3,5 В, максимальная яркость при номинальном токе - 200 мКд.
Для создания светодиодных матриц были использованы 3-и макетные платы (с двухсторонней металлизацией) типоразмером 50х90 отверстий со стандартным расстоянием между отверстиями 2,54 мм (общий размер платы - 130х230 см). Каждая матрица содержит по 120 светодиодов, расстояние между светодиодами выбрано равным 12,7 мм (5 отверстий). Выбор расстояния обусловлен условием равномерности засветки фоторезиста: необходимо, чтобы достаточно сфокусированные лучи от светодиодов (а угол их расхождения достаточно мал - 15-20%) перекрывались на поверхности фоторезиста при условии отнесения матрицы на разумное расстояние – 15-20 см. При более плотном расположении светодиодов возрастает стоимость и трудоемкость монтажа всей системы. Электрическая схема светодиодных матриц представлена на рисунке 1. Матрица представляла собой параллельное соединение множества светодиодных линеек. Каждая линейка состояла из четырех последовательно соединенных светодиодов ARL-5213VC и токовыравнивающего резистора сопротивлением 560 Ом и максимальной рассеиваемой мощностью 0,5 Вт. Условием обеспечения равномерного потока на стыках матриц является расположение крайних светодиодов разных матриц на том же расстояние друг от друга, что и внутри матрицы. Для этого светодиоды в матрицах расположены не идентично друг другу, а с некоторым сдвигом (см. фото). Матрицы подключаются к источнику постоянного напряжения 24 В параллельно (рисунок 2).
Светодиодные матрицы закреплены на деревянном щите-основании по углам которого смонтированы стойки длиной 180 мм. Эти стойки задают расстояние от светодиодной матрицы до платы с фоторезистом. В качестве стоек использованы болты D8х180 (см. рисунок 1).
Рисунок 2. Принципиальная электрическая схема УФ-системы, включающая три модуля
Таймер для регулировки времени экспонирования
Для регулирования времени экспонирования и автоматического отключения УФ-системы использован простой таймер. Принципиальная электрическая схема таймера представлена на рисунке 3.
Рисунок 3. Принципиальная электрическая схема таймера для регулировки времени экспонирования
Длительность включенного состояния задается цепочкой R1C1. Коммутация нагрузки из светодиодных матриц осуществляется MOSFET-транзистором T1. Резистор R3 выполняет с одной стороны функцию токограничивающего элемента, с другой совместно с R2 – функцию резисторного делителя, ограничивающего максимальное напряжение на затворе MOSFET-транзистора.
Нижнее положение ключа
При переключении трехпозиционного тумблера в нижнее положение происходит заряд конденсатора С1, при этом через эмиттерную цепь p-n-p транзистора Q1 протекает некоторый ток и транзистор переходит в открытое состояние. На затвор MOSFET-транзистора поступает высокий уровень напряжения и он также открывается, коммутируя светодиодные матрицы к источнику питания.
Среднее положение ключа
При переводе ключа из нижнего положения в среднее в эмиттерной цепи транзистора Q1 продолжает протекать ток поддерживаемый зарядом, запасенным в С1. Пока ток не снизится ниже определенного уровня транзисторы Q1 и T1 будут оставаться открытыми пропуская ток через светодиоды. Время включенного состояния определяется цепочкой R1C1.
Верхнее положение ключа
При переводе ключа в верхнее положение эмиттерная цепь транзистора Q1 «закорачивается» через резистор R1, транзисторы переходят в закрытое состояние размыкая нагрузку.
Таким образом, в нижнем положении ключа светодиодная матрица все время светится, при переводе в среднее – продолжает светиться заданное цепочкой R1C1 время, при переводе в верхнее – выключается.
Расчет времени экспонирования
Для полной засветки фоторезиста нужна определенная энергия эта энергия (называемая дозой или чувствительностью) указывается фирмой изготовителем в справочных листках на фоторезист и измеряется в мДж/см2. Чувствительность фоторезиста численно равна количеству энергии поглощенной фоторезистом на единицу его площади. Это базовый параметр для расчета времени засветки. Так для пленочного фоторезиста ALPHA 340 чувствительность равна 50 мДж/см2.
Определим плотность мощности излучаемой УФ – светодиодной системой. Для этого нам понадобится четыре параметра:
• Среднее падение напряжения на светодиодах ARL-5213VC-200 mcd - составляет 3,2 В;
• Ток через светодиоды, задаваемый внешними резисторами – 20 мА.;
• КПД УФ-светодиодов положим равной 10% (точное значение КПД установить сложно, поэтом у будем использовать примерное);
• Количество светодиодов – 3*72 шт. – 216 шт.
• Суммарная освещаемая площадь УФ-системы – (3*130)х230 = 89700 мм2 = 897 см2.
Таким образом, средняя излучаемая мощность составляет :
3,2В * 0,02 А * 10 % * 216 шт. = 1,3824 Вт
И на единицу площади:
1,3824 Вт / 897 см2 = 0,001541 Вт/см2
То есть на единицу площади в 1 секунду попадает 1,541 мДж энергии.
Для того чтобы фоторезиста ALPHA 340 с чувствительностью в 50 мДж/см2 набрал свою дозу, необходимо время засветки:
50 мДж/см2 / 1,541 мДж = 32,4 сек.
Сборка экспонирующей УФ-системы
1. Для сборки светодиодной матрицы используем:
- УФ- светодиоды ARL-5213VC-200 mcd – 360 штук. Реально необходимо около 400 штук с учетом отбраковки, обусловленной сильной неравномерностью (линзовостью) засветки отдельных экземпляров;
- резисторы 0,5 Вт, 560 Ом – 90 штук;
- макетные платы размером 130х230 см с двусторонней металлизацией – 3 шт.
2. Запаиваем светодиоды в платы. Пайку светодиодов в платы проводим не идентично друг другу, а с некоторым сдвигом, для того чтобы крайние светодиоды разных макетных плат были расположены на том же расстояние друг от друга, что и внутри матрицы (см. фото).
3. Соединяем светодиоды между собой, оставляя крайний плюсовой вывод линейки (см. фото).
4. Подгибаем оставшиеся плюсовые выводы и обкусываем их до нужной длины (см. фото).
5. Осуществляем формовку выводов резисторов – загибаем их и обкусываем как показано на фото.
6. Припаиваем резисторы к плюсовым выводам светодиодов (см. фото).
7. Зачищаем медный провод, лудим его. Оставляем небольшой заизолированный хвостик. Делаем три таких провода (см. фото).
8. Припаиваем провод к выводам резисторов (см. фото).
9. Проверяем работоспособность каждой их плат с использованием стабилизированного источника напряжения (см. фото).
10. Проверяем равномерность засветки. Если мы не будем проводить предварительную отбраковку светодиодов то результат, как правило, будет неудовлетворительный (см. фото). Операцию проверки равномерности засветки проводим для оставшихся плат.
11. Если обнаружена неравномерность засветки, то маркируем неподходящие светодиоды липкими стикерами (см. фото). И выпаиваем их, заменяя на заранее отобранные качественные светодиоды.
12. Проверяем еще раз неравномерность засветки (см. фото). Если все в порядке, то переходим к следующему шагу.
13. Изготавливаем из мебельного щита основание 30х48 см для монтажа плат со светодиодами. В качестве стоек основания используем болты D8х180 (с шайбами и гайками) закрепляемые по углам основания. Для крепления плат используем шурупы 2,5х25 мм. Для того чтобы обеспечить зазор между платами и деревянным основанием используем гайки М4, по три штуки на шуруп. Для фиксации электрических выводов и электрических соединений используется клеммная колодка.
14. Обкусываем изолированные «технические» плюсовые выводы плат.
15. Соединяем платы между собой с помощью электрических проводников.
16. Монтируем платы на деревянном основании. Электрические выводы подключены на клеммник, также закрепленный на основании.
17. . Проверяем работоспособность системы. Если все работает, приступаем к изготовлению таймера.
18. . Проверяем работоспособность системы. Если все работает, приступаем к изготовлению таймера.
- MOSFET транзистор IRF540;
- биполярный p-n-p транзистор КТ3107В (или BC556В);
- трехпозиционный S-O-S тумблер;
- переменный резистор номиналом 100 кОм;
- электролитический конденсатор 470 мкФ, 25 В;
- постоянный резистор 4,7 кОм (0,125 Вт);
- постоянный резистор 10 кОм (0,125 Вт).
Электрическая схема их соединения представлена выше.
19. Используем для крепления тумблера и переменного резистора пластину текстолита 7х2 см.
20. Навесным монтажом припаиваем к выводам тумблера и резистора остальные элементы схемы.
21. Изготавливаем стойки, напримери зи металлических анкеров.
22. Крепим блок таймера к основанию с помощью саморезов. Также монтируем клеммник и соединяем со светодиодной матрицей с помощью проводников.
23. Используем стабилизированный импульсный блок питания с выходным напряжением 24 В, выходным током – до 3,6 А
24. Подключаем блок питания к клеммнику. Тестируем устройство.
25. Устройство готово к использованию
