浅谈—毛细管水银灯在线路板曝光机的应用

超高压毛细管水银灯管是一种水冷及瞬间点亮的灯管,它因灯壳呈毛细管状而得名(如图所示),英文是HIGH PRESSURE MERCURY VAPOR LAMPS。主要应用于 PCB FPC曝光机的光阻(UV)曝光固化、曝光制版及光化学反应等,它的功率为3KW、5KW、8KW等,常用的是5KW。它利用高压水银蒸气放电发光,灯管内装有一对电极,且抽去空气充入少量氩气和液态水银,通电后氩气放电将水银加热和汽化,水银蒸气受电子激发而放电产生强烈辉光。所以发光效率高,使用寿命长。
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二、超高压毛细管水银灯管的特点:

毛细管水银灯作为光源,在很多的电位梯度(电压递减也就是电势差)下工作获得高强能量,它的电弧(气体放电所产生的火花)被毛细管限制,所以与电弧和球形超强汞灯的电弧不同,是管壁稳定型电弧。

在毛细管灯中,水银蒸气压在50~200大气压之间,此时的电位梯度300~1000伏/厘米,为了使石英壁能承受这么高负载,毛细管超高压汞灯需要采用水冷却,冷却水的温度控制在22℃~±2℃。毛细管超高汞灯是采用特殊的两道过渡玻璃封接,灯内的汞不完全蒸发,处于饱和蒸汽压状态。而超高压毛细管水银灯是能够瞬间点灭的线状光源,采用水直接降温,灯管在水套内。例如:志圣曝光机的冷却水由左往右流动,如下图所示。
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三、超高压毛细管水银灯管的光谱范围:

利用在超高压状态下弧光放电而产生强烈的电磁辐射,辐射能量从近紫外区延续可见光呈连续状态,适用于有机高分子材料(例如感光树脂)在紫外光的作用下发生光交联,光分解及光聚合,在数秒内(不等)转化为固态(此变化过程称之为"UV固化")。上述需要的紫外线的波长恰恰是毛细管超高压汞灯强烈辐射区域,光谱主波峰在310nm-480nm之间,如下图所示:
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四、超高压毛细管水银灯管适用曝光机型:

毛细管水银灯适用于日本ORC、群翊、三英、志圣等曝光机品牌,其配套的机型灯管结构有两种,如图所示:

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毛细管水银灯管的寿命一般为 8000-10000 次左右,随着使用次数的增加,灯管两端的电流会加大,电压下降,发出光线中 UV(紫外线)成分会降低,IR(红外线)含量会增加。此时曝光时间会延长,从而影响PCB板表面油墨固化,造成良率下降;另外随着使用次数的增加,灯管内壁会多次被高压冲击,而产生劳损,最终灯管往往会爆裂呈粉碎状,如下图所示:
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五、影响灯管寿命的因素有以下几点:

A 电压:外电压是影响灯管寿命最直接的因素,曝光机安定器初级一般有可供选择电压类型,可以根据用户的需要选择,以上限为主,如客户实际电压为210V,请选择220V端口。当然,如果电压过高,灯管会超负荷运行,寿命大大降低;若电源容量不够时,灯管会不同程度地闪烁,从而也降低灯管寿命。

B 水温:因为灯管是直接水冷式,灯管发光时浸泡在水中,所以水温是影响灯管寿命的重因素。水温过高(>28℃),灯管IR含量会增加,灯管两端电极容易氧化而变黑,从而影响UV的正常工作;当水温过低(<14℃)时,水银在高压下不易被激发而形成导电气体,会产生闪烁现象,甚至自行熄灭,从而大大降低了使用次数。

C 纯水:灯管冷却采用的是纯水,纯水的纯度是一个很容易忽视的方面。纯度会因厂家而异,纯度较差时,如果离子罐已经达到吸附极限,纯水流经灯管时会在灯管表面形成一层膜(如下图D所示)。灯管表面温度较高,这层膜往往会炭化,附着在灯管上与管体发生化学反应,极难去除,这样灯管的 UV 光线会衰减很大使曝光时间延长,从而造成灯管报废。因此必须及时更换离子罐和纯水,水质较好时,离子罐45-60天更换一次,纯水30-45天更换一次。

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                                            (图D:灯管表面覆有一层水渍形成的膜)

D 离子过滤罐:纯水在循环过程中会携带杂质,在流经灯管经UV照射后,会电离与其它物质结合形成沉淀。离子罐有吸附杂质和软化水的作用,当使用一段时间后其活性会降低,表面会被杂质覆盖而无吸附能力,就会成为污染源,而且整个离子罐内会结块、堵塞,造成水流不畅,使灯管不能正常散热而炸灯管。

E 曝光时间:曝光时间的长短也是灯管寿命的一个影响因素,曝光时间越长,寿命越短。所以曝光时间不能过长,一般控制在15秒以内。

六、超高压毛细管水银灯管使用中注意事项:

超高压毛细管水银灯管,对于设备的使用条件和性能,以及维护人员的安装熟练程度,都具有较高的要求。为了有效地提高灯管的使用寿命,降低成本,需要做好以下几个方面:

1、确认设备供电输入电压为稳定电压,无明显波动。

2、设备安定器输出功率,应为曝光机标称额定功率值的范围内。

3、确认机器内冷却循环介质为纯净水,且每周定期更换。

4、确保内循环水温度在220℃±20℃C以内,管流量达1.5L/min,流通顺畅且无气泡产生,外循环水至热交换器水流通畅,无阻塞,无沉积物。

5、内循环水流经离子过滤器应通畅无阻塞现象.且每月更换新离子过滤器。

6、安装灯管时,密封O形环应完整无损,以防止生产使用中发生漏水而产生气泡。灯管即亮时,会因为水量过少沸腾致使灯管表面热量无法消散而炸裂,密封圈老化容易渗水,导致灯管电极处烧坏,如下图所示。
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灯管为玻璃制品,一点点小的疏忽,极容易引起破裂而漏真空。在所以安装时要极为注意,不要受外力造成灯管变形破裂。安装时以不漏水或渗水即可,千万不可将固定旋钮拧的过紧,造成内裂漏真空。

七、超高压毛细管水银灯管的辨别与检验方法:

毛细管灯管因其结构特殊,容易因灯管本身问题导致灯管碎裂或两端松动,影响灯管正常运行。所以关于毛细管水银灯管有以下外观检测标准:

1、灯管真空检测:灯管打电测试是否可以点亮,以此判断灯管真空是否泄漏。(真空泄漏灯管无法点亮。)

2、灯管两端同心轴检测:把灯管放在水平面台面上,滚动灯管目测灯管两端运动时是否顺畅和运动轨迹是否是为直线运动。灯管滚动时不顺畅和滚动两头运动轨迹不在一条直线,可以判定此灯管两端不同轴。(灯管两端不在同心轴的话,安装时容易导致灯管碎裂或松动。)

3、灯管两端异响检测:手握住灯管瓷头一端作轻微摇摆动作,听是否有异响声音来判断瓷头与石英粘合处有无松动,有异响声音则可以判定瓷头与石英粘合处有松动。(瓷头与石英粘合处松动,容易在安装时导致灯管断裂或使用时影响灯管使用寿命。)

4、灯管石英表面光洁度检测:目测灯管表面是否干净光洁,如有斑点用无尘布沾酒精擦拭,不能擦拭的斑点或是划痕可以判定此灯管异常。(灯管有斑点或是划痕影响灯管曝光能量。)

5、灯管瓷头表面光滑度检测:目测灯管两端瓷头部分表面是否光滑,瓷头小头部分严重凹凸不平可以判定此灯管异常。(小头部分严重凹凸不平会使密圈垫密封不好导致漏水,灯管端部漏水在使用时容易导致漏电﹑炸灯﹑闪灯等现象,严重影响灯管的运行和使用寿命。)

☆注明:曝光机根据光源的冷却方式不同,可分风冷、水直接冷却式、水间接冷却式三种。影响曝光成像质量的因素除干膜光致抗蚀剂的性能外,光源的选择、曝光时间(曝光量)的控制、都是影响曝光成像质量的重要因素。超高压毛细管水银灯具有瞬间启动快,体积小,功率大,寿命长,照度均匀,对中好等优点,是目前线路板曝光机常用于内、外层曝光首选。
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