JP2006167991A - スクリーン印刷装置及びその印刷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高密度・高多層基板の半田バンプ印刷を高精度に行うことが可能なスクリーン印刷装置及びその印刷方法を提供する。
【解決手段】 スクリーン印刷装置１は、印刷位置でスクリーンＳを介してペーストＰをワークＷ上に印刷機構６が、先端にスクリーンに当接する充填ノズル６２ａを有し、印刷時に消費されるペーストが充填される充填ヘッド６２と、充填ヘッドにペーストを補給する供給タンク６３を備え、充填ヘッドと供給タンク内にはそれぞれ押し出し機構６２ｂ，６３ａが設けられていて、ペーストのスクリーンへの押し出し圧力を制御することができる。また充填ヘッドを上下に昇降可能な充填ヘッド支持機構６４に支持され、充填ヘッドのスクリーンへの押し付け力も調整できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半田ペースト等をスクリーンマスクを介して基板に印刷するスクリーン印刷装置及びその印刷方法に係り、特に高密度・高多層基板のスクリーン印刷を得るのに好適なスクリーン印刷装置及びその印刷方法に関する。

一般にプリント基板と半導体チップを接続する技術としてフリップチップ（ＦＣ）方式と呼ばれる半田バンプ（微細な半田の突起物）を使用して接合する方式が採用されている。この方式は、平面的に半田バンプを配置することで数千から数万の接続点数を一度に接続できるため、ＩＴ化の進展によって益々高機能化する半導体チップの接続条件は微細・高密度・高点数化が急速に進んでいる。

従来の半田バンプの形成は、特許文献１に示されるようにワークアライメント位置と半田印刷位置の２工程で構成される装置を用い、ワークアライメント位置でワーク（基板）をセットし、半田印刷位置に移動して、スクリーン昇降機構を作用してワークに金属スクリーンマスク（以下、「スクリーン」と称す）を重ね、スキージ等により半田ペーストをスクリーンを通してワークに印刷して形成する工程で行っていた。

特開平１１−４８４４５号公報

この従来技術のスクリーン印刷装置が図５，６に示されている。スクリーン印刷装置１は、ワーク（基板）Ｗの位置決めを行うワークアライメント機構２、ワークＷをワークアライメント位置と半田印刷位置との間で直線往復移動させるワーク移動機構３、スクリーンＳとこのスクリーンＳをワークアライメント位置と半田印刷位置との間で直線往復移動させるスクリーン移動機構４及びスクリーンＳを上下に昇降させるスクリーン昇降機構５、半田バンプ印刷機構６、画像処理カメラ７とカメラ昇降機構８等より構成されている。この印刷装置１では、ワークＷをワークアライメント機構２のテーブル２１上に載置し、ワークアライメント位置において画像処理カメラ７で撮像した画像に基づいてワークアライメント機構２によってワークＷの位置決めを行い、次いでワークＷをワーク移動機構３によって半田印刷位置に移動し、この半田印刷位置でスクリーン昇降機構５によりスクリーンＳをワークＷに重ね、半田バンプ印刷機構６のスキージ６１を移動して半田ペーストＰをスクリーンＳを介してワークＷ上に塗布することによって、ワークＷ上に半田バンプＢを印刷している。

一般に、半田バンプの印刷品質の決め手はワークに対するスクリーンの高精度な重ね合わせと、スクリーンとスキージの接触角θ（充填作用角）による半田ペーストの刷り込み精度にある。図６の上面図に示すように半田バンプ印刷機構６の印刷ヘッド６６は半田ペーストＰをスキージ６１ではさんでスクリーンＳ上を移動して、図８に示すようなワークＷ上にバンプ印刷がなされている。なお、図８は、１枚のワークＷから製品を９個取る場合の、印刷孔Ｓ₁が配列したスクリーンＳとバンプＢ印刷されたワークＷを示している。

この場合、従来においては半田バンプ印刷が高密度・高点数化していないため、図７（ａ）に示すようにスキージ６１のリップ半径Ｒに対して適正な充填作用角θを保って印刷を行うことができたが、次世代の高密度・高多層基板のバンプ数はワーク１個当り数千バンプとなり、これまでの数百バンプの１０倍以上となることから、バンプφ１００×ピッチ１５０μｍとバンプの高密度化が進んでいる。
このような要求に従来の半田バンプ印刷技術で対応すると、図７（ｂ）に示すように微細バンプ印刷時においてはスキージ６１のリップ半径Ｒ（例えば、Ｒ＝０．１mm）に相当するほどの微細なバンプ径φ（φ＝０．１mm）では適正な充填作用角θを保つことができず、擦れや印刷不足が発生する。

また、バンプ径φの微細化に伴いスクリーンＳの厚みｔも、従来の２００μｍから５０μｍと薄膜スクリーンとなり、スキージ６１の摩擦力による撓みによって、スクリーンＳのワークＷからの浮き上がりや、位置ずれの問題があり、高密度・高多層基板の半田バンプの印刷が困難となっている。

更に、本出願人のＰＡＬＡＰ基板では、基板材質が従来のガラエポ基板と異なり、半田の濡れ性が良いことから、半田が正確にバンプ形成位置に転写されないとリフロー時（無酸化雰囲気で半田を溶かして、表面張力でボールに形成する）に半田が流れて近傍のバンプとつながりブリッジ不良になるといった問題があり、スクリーンの浮き上がりによる半田のにじみが生じない印刷技術が必要である。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、次世代の高密度・高多層基板の半田バンプ印刷を高精度に行うことが可能なスクリーン印刷装置及びその印刷方法を提供する。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載のスクリーン印刷装置及びその印刷方法を提供する。
請求項１に記載のスクリーン印刷装置は、スクリーンマスクを介してペーストをワーク上に印刷する印刷機構が、先端にスクリーンマスクに当接する充填ノズルを有し、充填ノズルがスクリーンマスク上を移動することで印刷を行う機構を有し、印刷時に消費されるペーストが充填される充填ヘッドと、充填ヘッドにペーストを補給する供給タンクとを備え、かつその充填ヘッド及び供給タンク内にはそれぞれ押し出し機構が設けられていて、ペーストのスクリーンマスクへの押し出し圧力を制御することができるようになっているものであり、これにより、充填ノズルからペーストを高精度に加圧吐出させることができ、高密度・微細バンプの印刷が可能となる。

請求項２のスクリーン印刷装置は、充填ノズルが剛性の高い材料で形成され、かつ充填ヘッドが、該充填ヘッドを上下に昇降可能な充填ヘッド支持機構に支持されていて、充填ヘッドのスクリーンマスクへの押し付け力を調整できるようにしたものであり、これにより、充填ヘッドからのペーストの漏れ防止やワークからのスクリーンマスクの浮き上がりを防止することによってペーストのにじみが生じない印刷が可能となる。また脆弱なスクリーンマスクをワークに隙間無く密着でき、微細化に伴う薄膜スクリーンマスクでの印刷も可能である。

請求項３に記載のスクリーン印刷方法は、充填ヘッドからスクリーンマスクに供給されるペーストの供給圧力を制御して、適正な印圧でスクリーン印刷を行うようにしたものであり、請求項１と同様の作用効果を奏するものである。
請求項４のスクリーン印刷方法は、充填ヘッドのスクリーンマスクへの押し付け力が調整できるようにしたものであり、請求項２と同様の作用効果を奏するものである。

以下、図面に従って本発明の実施の形態のスクリーン印刷装置及びその印刷方法について説明する。図１は、本発明の実施の形態のスクリーン印刷装置の全体構成を示す図であり、図２は、その要部である印刷機構を説明する図である。スクリーン印刷装置１は、基本的に、テーブル２１上に載せた、基板であるワークＷをＸＹθ方向に位置決めするワークアライメント機構２、ワークＷをワークアライメント位置と印刷位置との間で直線移動させるワーク移動機構３、スクリーンＳ（スクリーンマスク）をワークアライメント位置と印刷位置との間で直線移動させるスクリーン移動機構４、スクリーンＳを上下に昇降するスクリーン昇降機構５、印刷位置でスクリーンＳを介して半田ペーストＰをワークＷ上に印刷する印刷機構６、ワークＷ及びスクリーンＳを撮像する画像処理カメラ７及びこの画像処理カメラ７を上下に昇降するカメラ昇降機構８等より構成されている。

ワークアライメント機構２は、ワークＷを載置して保持するテーブル２１、Ｘ方向に移動するＸ方向移動台２２、Ｙ方向に移動するＹ方向移動台２３及びθ方向に回動する回動台２４とより構成されていて、これらが一緒に組み合わされていてワーク移動機構３の搬送テーブル３１上に取着されている。テーブル２１の上面は、多数の吸引孔（図示せず）を有する吸着面であって、ワークＷを載せた状態でこれを吸着して位置決めすることができる。これら吸引孔は図示されない真空ポンプに接続している。テーブル２１は、Ｘ方向移動台２２上に支持され、Ｘ方向移動台２２はＹ方向移動台２３上に支持され、更にＹ方向移動台２３が回動台２４上に支持されている。これによって、テーブル２１上のワークＷの位置がＸ，Ｙ，θ方向に修正できるようになっている。なお、Ｘ，Ｙ方向の移動及びθ方向の回動は、サーボモータ２５によってそれぞれ行われる。

ワーク移動機構３は、印刷装置１の基台１１上に設けられる搬送ガイド３２とワークアライメント機構２を載せて、搬送ガイド３２に沿って移動する搬送テーブル３１とより構成される。搬送テーブル３１は図示されない駆動部によって搬送ガイド３２に沿ってワークアライメント位置と印刷位置との間を往復直線移動する。

スクリーンＳ（スクリーンマスク）とは、マスクの表面に所定のパターンが形成されているもの、例えば、メタルマスクや、狭義のスクリーンマスクを含む概念である。このスクリーンＳは、スクリーン移動機構４に保持されて、ワークアライメント位置と印刷位置との間を往復移動することができると共に、スクリーン昇降機構５によって上下に昇降することが可能である。スクリーン移動機構４は、スクリーンＳを両側で保持する保持体４１と、基台１１上に立設された左右の昇降ガイド体１２間に架設された移動ガイド体４２とより構成されていて、スクリーンＳを保持した保持体４１が図示されない駆動部によって移動ガイド体４２に沿って横方向に移動する。

また、スクリーン昇降機構５は、左右の昇降ガイド体１２にそれぞれ取り付けられた一対の昇降用シリンダ５１と、移動ガイド体４２を両側から保持し、それぞれ昇降用シリンダ５１内を摺動するピストン体５１ａに固定されている昇降部材５２とから構成されており、移動ガイド体４２、即ちスクリーンＳを上下に昇降させる。昇降部材５２は、例えば、昇降用シリンダ５１に導入される流体によって作動される。

印刷装置１の基台１１上に立設された左右の昇降ガイド体１２間を架設して横架体１３が設けられていて、この横架体１３に本発明の特徴である印刷機構６が取り付けられ、また画像処理カメラ７が上下に昇降可能であるが、横方向に移動できないように同様に横架体１３に固定されている。即ち、カメラ昇降機構８である昇降用シリンダ８１が横架体１３に固定されていて、昇降用シリンダ８１内を摺動するピストン８１ａの先端に固定された昇降台８２に一対の画像処理カメラ７が取り付けられている。画像処理カメラ７は、ワークＷの位置決めマークとスクリーンＳの位置決めマークを画像認識可能とされている。この画像処理カメラ７には、カメラ７からの画像認識情報を用いて、ワークＷのテーブル２１をＸ，Ｙ，θ方向に修正して補正する制御部（図示せず）が接続されている。

次に本発明の特徴である印刷機構６について説明する。印刷機構６は、半田ペーストＰをスクリーンＳを介してワークＷに供給する充填ヘッド６２と、この充填ヘッド６２に半田ペーストＰを補給する供給タンク６３と、これら充填ヘッド６２と供給タンク６３とを支持する充填ヘッド支持機構６４とから構成されていて、従来技術のスキージを有していない。充填ヘッド支持機構６４は、横架体１３上に間隔をあけて固設された一対の昇降用印刷シリンダ６４ａと、この一対の昇降用印刷シリンダ６４ａ内を摺動するピストン体６４ｂに支持された第１案内体６４ｃと第２案内体６４ｄと、第２案内体６４ｄ上に取り付けられた移動用印刷シリンダ６４ｅ及び移動用印刷シリンダ６４ｅ内を摺動する移動体６４ｆ等より構成されている。

充填ヘッド６２は、先端にスクリーンＳに当接する充填ノズル６２ａと、内部に充填された半田ペーストＰを充填ノズル６２ａから押し出すための第１押し出し機構６２ｂと、後端に第１押し出し機構６２ｂを押圧する流体の導入口６２ｃとを有している。この充填ヘッド６２は、第１案内体６４ｃに移動可能に支持されていて、移動用印刷シリンダ６４ｅの移動体６４ｆに結合している。したがって、移動用印刷シリンダ６４ｅの作動によって充填ヘッド６２は第１案内体６４ｃに沿って横方向に移動する。充填ノズル６２ａは金属又はセラミック等の剛性の高い材料で製作してあり、スクリーンＳとの接触面が十分な平面度を保ち、図３に示すようにスリットの開口部の面取りもないため、従来のゴムスキージや金属ブレードのような充填作用角θは設けない。また、充填ノズル６２ａは、微小な隙間、例えば充填口幅ｄ₁が２mmで充填リップ幅ｄ₂が５mm、を有し、その幅ＤがワークＷの印刷面の幅、例えば５００mm、を有するスリットを備えている。こうして、充填ヘッド６２に導入口６２ｃから導入される流体圧を変化させることによって、第１押し出し機構６２ｂによる半田ペーストＰの押し出し圧力を制御することができる。

供給タンク６３は、充填ヘッド６２よりも大きな容積をもち、その内部に充填ヘッド６２と同様の第２押し出し機構６３ａを有している。供給タンク６３と充填ヘッド６２とは連通管６５によって連通しており、第２押し出し機構６３ａで押圧することによって、供給タンク６３から充填ヘッド６２に半田ペーストＰが適宜補給される。また、供給タンク６３は、第２案内体６４ｄ上に往復移動可能に支持されており、移動用印刷シリンダ６４ｅの作動によって充填ヘッド６２と供給タンク６３とは一緒になって、第１案内体６４ｃ又は第２案内体６４ｄに沿って移動する。

また、第１案内体６４ｃと第２案内体６４ｄは、その両端が一対の昇降用印刷シリンダ６４ａのピストン体６４ｂに支持されていて、上下に昇降可能であることから、充填ヘッド６２及び供給タンク６３もまた上下に昇降する。このようにして、充填ヘッド６２と供給タンク６３の充填ヘッド支持機構６４は、充填ヘッド６２及び供給タンク６３とを横方向に往復移動させることができると共に上下方向に昇降させることもできる。したがって、充填ヘッド支持機構６４は、昇降用印刷シリンダ６４ａによる降下量を調整することによって充填ヘッド６２のスクリーンＳへの押し付け力をも制御することができる。

このように、印刷機構６は図２に示すようにワークＷが印刷位置でスクリーンＳを重ねた位置で保持され、充填ヘッド６２はスクリーンＳの印刷部位に充填ヘッド支持機構６４によって適正な圧力、例えば１５０kPaで押し付けられている。充填ヘッド６２には印刷時に消費される半田ペーストＰが供給タンク６３から供給充填されており、１回以上の印刷が可能な状態となっている。充填ヘッド６２は移動用印刷シリンダ６４ｅによってスクリーンＳ上を左右移動可能に充填ヘッド支持機構６４に取り付けられており、移動用印刷シリンダ６４ｅを作動することで、ワークＷ全面の印刷を行うようになっている。

本発明では、スクリーンＳの印刷孔Ｓ₁へのペースト供給圧力は、充填ヘッド６２に設けた第１押し出し機構６２ｂの押し出し圧力によって制御する方式を採用している。また、充填ヘッド６２からのペースト漏れ防止やワークＷからのスクリーンＳの浮き防止は、充填ヘッド支持機構６４の押し下げの圧力によって制御する方式を採用している。このようにして、本発明では、印刷の適正圧力とスクリーンＳの保持条件を個々に最適化できる構成となっている。

上記構成よりなる本実施形態のスクリーン印刷装置１の動作について、図４に従って説明する。なお、本発明の印刷装置１においても、ワークアライメント位置において、通常と同様のワークＷのアライメント操作が行われ、印刷位置において、後述の印刷操作が行われるものである。即ち、この印刷装置１では、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように３つの工程で印刷操作を行う。図４（ａ）では、供給タンク６３の第２押し出し機構６３ａは固定されており、充填ヘッド６２内に設けた第１押し出し機構６２ｂを、例えば５０kPaで作動することで充填ノズル６２ａのスリット（例えば２mm×５００mm）から均一に半田ペーストＰが押し出され、スクリーンＳの印刷孔Ｓ₁を満たし、充填ヘッド支持機構６４の移動用印刷シリンダ６４ｅを作動して、例えば２０mm／ｓでスクリーンＳ上を充填ノズル６２ａが移動し、半田ペーストＰを摺り切ることで半田バンプＢの印刷を行う。

こうして、図４（ｂ）に示すように印刷によって充填ヘッド６２内の半田ペーストＰが消費されることで半田バンプＢの印刷が完了する。次に、ワークＷをスクリーンＳから外し、図４（ｃ）に示すように次サイクルの印刷に備えて、供給タンク６３の第２押し出し機構６３ａを作動して半田ペーストＰを供給タンク６３から充填ヘッド６２に送給し、充填ヘッド６２内の半田ペースト量を初期状態に戻す。
以上の動作によって、高精度な微細半田バンプＢの印刷を行うことができる。

上記実施形態では、充填ヘッド６２内のペースト容積を１サイクル分の容積で説明したが、１サイクル以上の容積をもつことも可能である。
また、充填ヘッド６２及び供給タンク６３内の第１及び第２押し出し機構６２ｂ，６３ａを図面ではピストン状としているが、隔膜状の押し出し機構でも良い。
また、図４（ｃ）の半田ペーストＰを供給タンク６３から充填ヘッド６２に補給する際に、図示しない洗浄ステーション（クリンペーパ等による拭き取り機構等）を設け、充填ノズル６２ａの端面を洗浄することによって、更に印刷品質を高めることができる。
また、充填ノズル６２ａのスリットを２mm×５００mmの大きさで説明しているが、印刷孔、スクリーン厚さに応じてスリットの寸法を適合させることで更に印刷品質を高めることができる。更にスリットの形状についても、１本のスリットとせず、図８に示すような３セットのワークでは、印刷幅に応じて３本に分割したスリットを設けることで更に印刷品質を高めることができる。

以上説明したように、本発明においては、ペーストを高精度に加圧吐出する充填ノズルとこの充填ノズルにペーストを補充するペースト供給タンクとを備える充填ヘッド及び充填ヘッドによるスクリーンへの加圧機構（充填ヘッド支持機構）を搭載することにより、従来のスキージ式の印刷では制御できない印圧などの適正化が容易になり、高い生産性と高品質な微細形状の印刷が可能となると共に、微細化に伴う薄膜スクリーンの印刷も可能となる。

本発明の実施の形態のスクリーン印刷装置の全体構成を示す図である。 図１の要部である印刷機構の拡大図である。 本発明による充填ノズルの作用を説明する図である。 本発明の実施の形態のスクリーン印刷装置の印刷動作（ａ），（ｂ），（ｃ）を説明する図である。 従来のスクリーン印刷装置の全体構成図である。 従来の印刷機構の３面（上面、正面、側面）図である。 （ａ）従来のバンプ印刷と（ｂ）微細バンプ印刷における問題点を説明する図である。 （ａ）スクリーンマスクと（ｂ）バンプ印刷されたワークとを説明する図である。

符号の説明

１ スクリーン印刷装置
１１ 基台
１２ 昇降ガイド体
１３ 横架体
２ ワークアライメント機構
２１ テーブル
３ ワーク移動機構
３１ 搬送テーブル
４ スクリーン移動機構
４２ 移動ガイド体
５ スクリーン昇降機構
５１ 昇降用シリンダ
６ 印刷機構
６２ 充填ヘッド
６２ａ 充填ノズル
６２ｂ 第１押し出し機構
６３ 供給タンク
６３ａ 第２押し出し機構
６４ 充填ヘッド支持機構
６４ａ 昇降用印刷シリンダ
６４ｂ ピストン体
６４ｃ 第１案内体
６４ｄ 第２案内体
６４ｅ 移動用印刷シリンダ
６５ 連通管
７ 画像処理カメラ
８ カメラ昇降機構
Ｂ 半田バンプ
Ｐ 半田ペースト
Ｓ スクリーン（スクリーンマスク）
Ｓ₁ 印刷孔
Ｗ ワーク（基板）

Claims (4)

1. 所定のパターンが印刷されるワークに所定のパターンが形成されたスクリーンマスクを重ね、前記スクリーンマスクを介してペーストを前記ワーク上に印刷するスクリーン印刷装置において、印刷機構が、先端にスクリーンマスクに当接する充填ノズルを有し、充填ノズルがスクリーンマスク上を移動することで印刷を行う機構を有し
   印刷時に消費されるペーストが充填される充填ヘッドと、前記充填ヘッドにペーストを補給する供給タンクとを備え、かつ前記充填ヘッド及び前記供給タンク内には、それぞれ押し出し機構が設けられていて、ペーストの前記スクリーンマスクへの押し出し圧力が制御可能であることを特徴とするスクリーン印刷装置。
2. 前記充填ノズルが剛性の高い材料から形成され、かつ前記充填ヘッドが、前記充填ヘッドを上下に昇降可能な充填ヘッド支持機構に支持されていて、前記充填ヘッドの前記スクリーンマスクへの押し付け力が前記充填ヘッド支持機構によって調整可能であることを特徴とする請求項１に記載のスクリーン印刷装置。
3. ワークをテーブル上に載置し、ワークアライメント位置でカメラで撮像した画像に基づいて、ワークアライメント機構で前記ワークの位置決めを行い、その後印刷位置に移動して印刷機構でスクリーンマスクを介してペーストを前記ワーク上に塗布するスクリーン印刷方法において、
   前記印刷機構の充填ヘッドから前記スクリーンマスクに供給されるペーストの供給圧力を制御し、適正な印圧でスクリーン印刷を行うことを特徴とするスクリーン印刷方法。
4. 前記充填ヘッドの前記スクリーンマスクへの押し付け力が調整可能であることを特徴とする請求項３に記載のスクリーン印刷方法。

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