JP4893056B2 - スクリーン印刷装置 - Google Patents

Description

本発明はスクリーン印刷装置に係り、特にマスクの部位に応じて多段に弾性状態を可変した印刷用メタルマスクを用いたスクリーン印刷装置に関する。

従来のスクリーン印刷装置における印刷方法が特許文献３に、使用するマスクとして特許文献１や特許文献２に開示されている。特に、印刷に使用するマスクとしては、ステンレス製の薄板材を用いエッチング法やレーザー法によりパターン開口部を加工する方法や、導電性金属表面にレジスト膜で配線パターンを形成し、電気メッキにより製作するアディティブ法によりパターン開口部含め形成するメタルマスクが用いられていた。また、特許文献１では、感光性樹脂層を積層した導電性基板に、紫外線の収束ビームを感光性樹脂層に直接照射・露光し、現像することで開口部に相当するパターンを形成した後、ニッケル又はニッケル合金の電気メッキによりメタルマスクを製作することが開示されている。

特開２００５−１７５４５３号公報 特開２０００−３１３１７９号公報 特開平８−３４１１０号公報

従来のマスクは、電極パッド部直径１２０μｍ，ピッチ１５０μｍで、１個のＣＰＵチップのパッド数が数千個となる電極パッド群が数十個も配置される多数個取り基板に対して印刷法によりバンプ形成に用いられている。前記マスクを使用し、印刷終了後、テーブルに固定された基板が下降することで、版離れ動作を実施し、印刷していた。

前記印刷において、多数の開口部群により、転写されたペーストのメタルマスクに対する粘着力により、メタルマスクの周辺部から版離れが徐々に始まり、最後にメタルマスクの中央部が版離れする現象が発生することが印刷膜厚バラツキ，印刷カケなどの印刷不良発生要因となっていた。

特許文献２によれば、メタルマスクの製作方法として、パターンの外側にハーフエッチングによる段差部を形成することで、印刷終了後の基板とメタルマスクとの版離れ性が向上するとしているが、本方法による版離れにおいて、同一深さのハーフエッチ領域を基板全面に対して設けても、パッド数が多数あると、ペーストの粘着力により基板中央部よりも基板外周部のほうが早く版離れするため、基板に対しマスクが傾斜しながら引き剥がされる作用が基板の部位により不均一となり、その結果、印刷欠陥を生じる恐れがある。また、基板面側（メタルマスクが基板と接触する側）にハーフエッチを設けると、現在主流であるマスク版下清掃装置による自動清掃時にハーフエッチによる凹凸部エッジに、はんだ粒子が残渣し、次の基板に印刷時において、基板上にはんだボールが再付着し、ハンダボール不良を発生させる要因となる。

また、特許文献３によると、メッシュスクリーンを用いスクリーンギャップを開けた印刷方式において、スキージ通過に伴うムーンフェース現象（スキージ移動方向と直角方向の版周辺部から版離れが始まり、後から遅れて中央部が版離れするので、スキージ進行方向後側に三日月模様が発生する現象）を、スキージ移動に同期してスクリーンと基板とのペースト材料による粘着力を打ち消す方向に外力を印加する手段により取り除く効果がある。しかしながら、バンプ電極形成用に使用されているメタルマスクを用いたコンタクト印刷法（スクリーンギャップゼロ）においては、ギャップゼロで印刷を行っているため、スキージ通過後にスクリーン張力による版離れは発生しないため、真空吸着や、磁力を使用しスキージ側からマスクを吸着することで版離れ性を向上させる効果は期待できない。

本発明の目的は、電極パッド部直径１２０μｍ，ピッチ１５０μｍで、１個のＣＰＵチップのパッド数が数千個となる電極パッド群が数十個も配置される多数個取り基板に対して、印刷法によるバンプ形成のための超ファインパターン印刷において、ペースト充填と版離れ性能を向上し、トータル数十万箇所／基板にも及ぶバンプ電極を、高速かつ歩留まり良く安定生産可能なように寄与することである。更には益々ファイン化，高密度化する基板実装において、超隣接ピッチ印刷における転写量確保の為、印刷性能及び版離れ性能を更に向上する必要があり、ユーザが簡単に使用でき、かつ安定した印刷性を得ることができるファインピッチ印刷方法およびスクリーン印刷装置を提供することである。

本発明の特徴とするところは、スクリーン印刷法による、クリームはんだ印刷において、被印刷基板に載置される部品パターン毎、又は所定の面積となるパターン毎のマスク部片を複数備えたマスクにおいて、各マスク部片間をマスク本体と異なる厚み、或いは異なる材料、或いは異なるバネ定数にて連結し、前記連結状況に合わせ、任意な版離れ曲線を再現可能な版離れ調整手段とを具備させたことを特徴とする。

またその他の方法として、スクリーン印刷法による、クリームはんだペースト印刷において、被印刷基板に載置される部品パターン毎、又は所定の面積となるパターン毎における各々のマスク部片をグループ化し、前記各グループ間を異なる厚み又は異なるバネ定数にて連結し、前記連結部の厚みが、マスク中央部から周辺部方向にかけて段階的に薄くするか、又は連結部のバネ定数が、マスク中央部から周辺部方向にかけて段階的に低くし、前記連結状況に合わせ、任意な版離れ曲線を再現可能な版離れ調整手段とを具備させたことを特徴とする。

本発明の効果としては次の項目が挙げられる。
（１）コンタクト印刷法において、安定した版離れ性能により、印刷歩留まりの向上が図れ、印刷品質の安定化と不良低減に貢献する。
（２）高アスペクト比の超ファインピッチ印刷において、版抜け性向上により転写量を確保し、印刷膜厚みを安定化させる。

図１，図２を用いて、本発明におけるスクリーン印刷装置の構成を説明する。図１(ａ)にスクリーン印刷装置の正面から見た構成とシステム構成図を示す。さらに図１（ｂ）に（ａ）の制御系を示す。図２（ａ）にスクリーン印刷装置を側面から見た構成を示す。また図２（ｂ）にスクリーン印刷装置を側面から見た構成で印刷中の状態を示す。

本体フレームには版枠受けが設けられており、版枠受けには印刷パターンを開口部として持つスクリーンを張ったマスク２０がセットされるように構成されている。マスク２０の上方には、スキージヘッド２が配置され、スキージヘッド２にはスキージ３が装着されている。スキージヘッド２は、ボールねじとモータより構成されたスキージ移動機構６により水平方向に移動が可能であり、スキージ３はスキージ昇降機構４によって上下方向に移動できる。マスク２０の下方にはマスク２０に対向するように印刷対象物である基板
２１を載置して保持する印刷テーブル１０が設けて有る。この印刷テーブル１０は、基板２１を水平方向に移動してマスク２０との位置合わせを行うＸＹθテーブル１１と、基板２１を受け取りコンベア２６から受け取り、かつ基板２１をスクリーン面に近付けるか又は接触させるためのテーブル昇降機構１２とを備えている。印刷テーブル１０の上面には基板受け取りコンベア２６が設けられており、基板搬入コンベア２５によって搬入された基板２１を印刷テーブル１０上に受け取り、印刷が終了すると基板搬出コンベア２７に基板２１を排出する。

全自動スクリーン印刷装置１においてはマスク２０と基板２１の位置合わせを自動的に行う機能を備えている。すなわち、ＣＣＤカメラ１３によって、マスク２０と基板２１のそれぞれに設けられている位置合わせ用マークを撮像し、画像処理して位置ずれ量を求めて、そのずれ量を補正するようにＸＹθテーブル１１を駆動して位置合わせを行うものである。

なお、各部駆動用の印刷制御部３６やＣＣＤカメラ１３からの画像信号を処理する画像入力部３７等を備えた印刷機制御部３０は、印刷機本体フレームの内部に設けてあり、制御用データの書き換えや、印刷条件の変更等を行うためのデータ入力部５０や、印刷状況等や取り込んだ認識マークをモニタするための表示部４０が印刷機の外側に、配置してある。

画像入力部３７からの信号は相関値計算部３１で予め登録された形状データ等を記録してある辞書部３８のデータを用いて、類似の形状の相関値を求める。形状推定部３２では、相関値と辞書部のデータから形状を推定する。位置座標演算部３３では形状推定部３２で推定された形状の位置をもとめ、寸法計算部３４では実寸法を求める。この寸法計算部３４では、計測したものが位置合わせマークであれば、位置合わせマークの位置ずれ量を求める。この求めたデータに基づいてＸＹθテーブル制御部３５では、ずれを修正するためにＸＹθテーブルの各駆動部に駆動信号を発生するようになっている。

印刷機制御部３０には、版離れ曲線をコントロールする版離れ制御部をもち、生産する基板の実装密度や開口径の違い及び使用するメタルマスク部材の各所バネ定数によって適切な版離れ曲線を簡単にセレクト設定できる。

次に本発明の印刷装置の動作を説明する。

図２（ａ）に示すように、クリームはんだが印刷される基板２１は、基板搬入コンベア２５によって基板受け取りコンベア２６に供給され、印刷テーブル１０上の所定の位置に固定される。基板固定後、予め登録設定された基板マーク位置にＣＣＤカメラ１３を移動する。続いてＣＣＤカメラ１３が基板２１及びマスク２０に設けられた位置認識用マーク（図示せず）を撮像し、印刷機制御部３０に転送する。制御部内の画像入力部３７に入力された画像信号は、相関値演算部３１，形状推定部３２にて予め登録されている辞書部３８のデータ等を用いてマークを認識し、位置座標演算部３３，寸法計算部３４でマスク２０と基板２１の位置ずれ量を求め、その結果に基づいてＸＹθテーブル制御部３５がＸＹθテーブル１１を動作させてマスク２０に対する基板２１の位置を修正・位置合わせする。図２(ｂ)に示すように、位置合わせ動作完了後、ＣＣＤカメラ１３が印刷テーブル１０と干渉しない位置まで所定量退避動作する。印刷制御部３６からの信号によりＣＣＤカメラ１３が退避完了後、テーブル昇降機構１２が動作され印刷テーブル１０が上昇し、基板２１とマスク２０とを接触させる。その後、シリンダからなるスキージ昇降機構４によってスキージ３がマスク２０面上に下降し、スキージ移動機構６によりスキージヘッド２は水平方向に移動する。スキージヘッド２の移動によってマスク２０上に供給されていたクリームはんだがスキージ３の押し圧力でマスク２０の開口部に充填される。開口部への充填が終了するとスキージ３は水平方向に一定距離ストロークした後に上昇する。そして、印刷テーブル１０が下降し、マスク２０と基板２１が離れ、マスク２０の開口部に充填されたクリームはんだが基板２１に転写される。そして、クリームはんだが印刷された基板２１は基板搬出コンベア２７を経て次工程に送られる。

なお、基板２１とマスク２０には相対的に同一な箇所に認識位置合わせ用マークが２ケ以上設けられており、この双方のマーク各々を、上下方向２視野を有する特殊なＣＣＤカメラ１３により、マスク２０のマークは下から認識し、基板２１のマークは上から認識して、所定の箇所のマーク全ての位置座標を読み取り、マスク２０に対する基板２１のずれ量を位置演算・補正し、基板２１をマスク２０に対して位置合わせする。

印刷機制御部には、図示していない印圧をコントロールする印圧制御部をもち、生産する基板の実装密度や開口径の違い及び使用するスキージ３のバネ定数によって適切な印圧を簡単にセレクト設定できる。また、マスク２０を介し基板２１に押圧されるスキージ３先端の圧力が変動しないようフィードバック制御を行っている。

次に本発明のスクリーン印刷装置用メタルマスクおよび版離れ制御部について説明する。

図３に典型的な版離れ例を模式した図を示す。なお、図中の矢印は基板２１を搭載したテーブル１０の移動方向を示している。図３（ａ）は版離れ開始前の状態で基板全面Ｌ₀にマスクが接触している状態を示している。図３（ｂ）はテーブル１０が降下を開始して版離れを開始した状態で、マスクの接触領域がＬ１（非接触領域がｌ₁ ×２）になり、版離れ量がｈの状態を示している。図３（ｃ）は版離れを開始してさらにテーブルを降下させることで、スクリーン枠が所定量上昇した状態でマスクと基板の接触領域がＬ２（被接触領域はｌ₂ ×２）となり、版離れ量ｈ′の状態を示している。

図４に本発明のマスクの概略構成を示す。本発明に係るマスク２０は、版枠２０ｗとスクリーン２０ｓから構成されている。図４の四角部分が基板２１の電極パッド群をまとめた１つのデバイス（又はパターン）に対応するマスク部片６０を示している。このマスク部片６０には、基板２１に形成されている電極群に対応して、複数の開口６０ａが設けてあり、この開口６０ａから半田ペーストが供給されるようになっている。

図３に示すように、マスク２０の周辺部から中央部に向かって徐々に版離れするので、マスク面は基板面に対して傾斜した状態での版離れする。そのため、マスク開口に対する個別パッド部において、マスク２０が基板２１面に全面接触している状態から、外周方向から中央部に向って基板との間に角度がつきながら、剥がして行くことになる。このため、従来のマスクではマスク周辺部と中央部では版離れ状態が一様にはならず、印刷結果に欠けなどの印刷不良が発生する要因となる。従来のメタルマスクの事例においてレーザー法やエッチング法により穴加工する場合はステンレス圧延材料を使用するが、超ファインピッチ印刷用途においては、アディティブ法により製作のため材料はニッケルとしている。

従来、メタルマスクにおいて開口数が多くクリームはんだによる粘着性が高い場合、版離れ時、図４に示すように、最も外周部に位置する一点鎖線（１）部内のパターン部から版離れが開始し、次に一点鎖線（２）部のパターンが版離れする。最後に中央部（一点鎖線（３）部のパターン部）が版離れする。本発明のマスクは先にも説明したように、電極パッド部直径１２０μｍ，ピッチ１５０μｍで、１個のＣＰＵチップのパッド数が数千個となる電極パッドをまとめたデバイス６０（所定の面積のパターン）が数十個も配置される多数個取り基板に対して印刷法によりバンプ形成に用いられている。

図５に本発明のスクリーン印刷装置用メタルマスクを示す。複数のマスク部片６０をグループ化してグループ（１）〜（３）間を大枠で連結する方法とした。本実施例では、連結部２０ｄ₁ ，２０ｄ₂ ，２０ｄ₃ 各々の厚みを、マスク基本厚みｔ＞連結部２０ｄ₃ のマスク厚みｔ３＞連結部２０ｄ₂ のマスク厚みｔ２＞連結部２０ｄ₁ のマスク厚みｔ１の関係を満足するように形成した。すなわち、連結部のマスクの厚みを変えることで、マスク２０の中央部から外周部に向かって複数のマスク部片をグループ化しグループ同士を連結する連結部の弾性の柔軟性を高くしたものである。従って版離れ時において、マスク
２０の最も外周にあるマスク部片６０のグループ（１）から剥れるような作用力が働いた場合でも、グループ（１）の領域内において、基板２１の各電極パッド部と対応するマスク２０のマスク部片６０との粘着力が連結部に作用する抗力より大きい場合は、マスク
２０が基板２１と平行状態に近い姿勢を保ちながら版離れできるようになる。グループ
（１）の領域の版離れ動作が完了すると、次にグループ（２）の領域の版離れが開始する。ここで、前記同様にグループ（２）の領域内において、マスク２０が基板２１と平行状態に近い姿勢を保ちながら版離れできるようになる。グループ（２）の領域の版離れ動作が完了すると、グループ（３）の領域の版離れが開始し、前記同様にグループ（３）の領域内において、マスク２０が基板２１と平行状態に近い姿勢を保ちながら版離れできるようになる。図６に版離れ速度線図を示す。

図６に示すようにテーブルを下降させる初速・目標速度・加速度・距離等の印刷テーブル下降制御パラメータをマスク部片６０の各グループ（１）〜（３）の版離れ時に各々の領域に好適な連結部の弾性データを設定しておくことで、各グループ（１）〜（３）の各領域における版離れ動作が、基板２１に対するマスク２０の姿勢を水平に近い状態に保ちながらそれぞれに適した版離れ条件にて制御が可能となる。版離れ動作条件は、プログラムの設定でＮ段階まで持たせ制御することが可能であるので基板及びマスク設計に応じた任意な版離れ制御が可能となる。すなわち、テーブルの降下状態を弾性データに応じて制御することで版離れを調整することが可能となる。

また、図５のメタルマスクにおいて、複数のマスク部片６０をグループ（１）〜（３）化し、各グループ間の連結部の各々のバネ定数（マスク剛性）を、連結部２０ｄ₃ のバネ定数ｋ３＞連結部２０ｄ₂ のバネ定数ｋ２＞連結部２０ｄ₁ のバネ定数ｋ１の関係とする。これにより、マスク２０の中央部から外周部に向かってマスク部片６０の連結部のマスク剛性が低くなる（柔軟性が高くなる）。このため、版離れ時において、マスク２０の最も外周にあるマスク部片６０のグループ（１）から剥れるような作用力が働いた場合でも、各パッド部のマスク２０と基板２１との粘着力が連結部に作用する抗力より大きい場合において基板と平行状態を保ち版離れできるようになる。従って、前記同様にグループ
（１）〜（３）までの順序で各々の領域における版離れ動作において、マスク２０が基板２１に対して水平に近い状態を保ちながら版離れが可能となる。且つ、各版離れ領域において、テーブルを下降させる初速・目標速度・加速度・距離等の印刷テーブル下降制御パラメータをグループ（１）〜（３）の版離れ時に各々に好適なデータを設定しておくことで、グループ（１）〜（３）の各領域における版離れ動作が、基板２１に対するマスク
２０の姿勢を水平に近い状態に保ちながらそれぞれに適した版離れ条件にて制御が可能となる。

図７に剛性の異なる連結部を、複数のマスク部片群毎ではなく、各々の各マスク部片毎に連結部を設けて接続する方式のマスクを示す。但し、本実施例においても、所定領域の連結部（２０ｄ₁ ，２０ｄ₂ ，２０ｄ₃ ）における板厚み、材質若しくはバネ定数を同じにしている。すなわち、マスク部片６０の位置に応じて連結部の合成が同じものを作りグループ化したものである。

本方式によれば、マスク部片毎における周辺の連結部剛性を均一に出来るので、マスク部片毎に版離れ時における姿勢をより安定化できる。

図５又は図７の事例における連結部の構成は、ハーフエッチングにより溝深さを替えることで安価に製作可能である。また、ハーフエッチングだけではなく、ハーフエッチ部と貫通させたスリット状開口部を任意の長さ又は任意の間隔で配置することで、エリア毎の連結をよりフレキシブルに設定可能である。更には、連結部を目止めされたナイロンメッシュスクリーン等、メタルマスク材料と同一な金属以外の異種部材による連結構成によることでも良い。なお、この場合は、製版時の張力によるパターン位置ズレに問題が出ないものとする。また、印刷面に好ましくは凹凸が無い構造とする。仮にマスク印刷面に凹凸がある場合は、スキージ側で凹凸を吸収できるよう、スキージ硬度を低くするか、凹凸部に切り込みを入れ凹凸にスキージが追従するようにすれば良い。

なお、好ましくは、ハーフエッチ部及びペーストを塗布するための開口部以外の開口部には、接着材料等使用し穴埋めすることで印刷不要箇所へペーストが転写されないようにする。ハーフエッチ等でマスクに段差部がある場合、印刷動作時にペーストが段差部に残渣し、残渣ペーストの乾燥等から連続生産におけるペースト粘度変化の要因となるからである。更にマスクを版下クリーニングする場合、残渣ペースト除去作業が余分にかかることを防止することが可能である。

図８に本発明によるマスクの連結構造概念を示す。図８（ａ）はハーフエッチングにより厚みに段差を設けるたものである。そして、図８（ａ）のように、マスク２０をマスク部片間に段差２０ｄを構成すると、図８（ｂ）のように等価的にバネで連結した状態となる。そして、図８（ｃ）に示すように、変形可能となる。そのため、本構成することで印刷時に、その形状（凹凸）に柔軟に追従することができ、版離れ時に、パターン毎に平行が確保でき、超ファインピッチ印刷が可能となり、各パターン内での厚みの均一性が確保できる。

図９には同様の効果が得られる構成を示す。図９（ａ）に示すように、ハーフエッチングによって、半球状に中央部の厚みを厚くして、端部の厚みを薄くすることで同様の効果を得られるようにしたものである。図９（ｂ）は、ハーフエッチングで連結部に段差を設けると共に、形成された段差部に樹脂材料又は樹脂製の接着剤２０ａを充填接着することで、マスク表面を均一の高さにすることでペーストの塗布を容易にしたものである。また、図９（ｃ）に示すように、各パターン部位を樹脂製の接着剤２０ａで接合することで接合部の弾性を変化させて版離れを容易にしたものである。

本発明によれば、マスクが版離れしてゆく過程の中で、マスク各々の領域が基板に対し水平に近い状態を保ち好適な版離れを行うことができる。更には基板の凹凸に対しマスク追従性が好くなり、マスクが基板に密着し易くなることでスキージによるペースト充填時のニジミによる不良を低減する効果が期待できる。

スクリーン印刷装置の一事例を示す正面図である。 スクリーン印刷装置の一事例を示す側面図である。 版離れの一事例を示す図である。 版離れの一事例を示す図である。 メタルマスクの一事例を示す図である。 版離れ速度線図の一事例を示す図である。 メタルマスクの一事例を示す図である。 メタルマスクの連結構造概念図である。 メタルマスクの製作実施例を示す図である。

符号の説明

１…印刷ユニット本体、２…スキージヘッド、３…スキージ、１０…印刷テーブル、
１１…ＸＹθテーブル、１３…カメラ、２０…マスク、２１…基板。

Claims (3)

1. 被印刷基板を載置するテーブルと、前記テーブル上部に設けられ複数の開口を備えたマスクと、前記基板を載置したテーブルを上昇させて前記マスクを基板に接触させ、前記マスク上部からクリームはんだを前記開口に押し込み前記被印刷基板上に印刷するスキージを備えたスクリーン印刷装置において、
   前記マスクが、前記被印刷基板に載置される部品パターン毎、又は所定の面積となるパターン毎にグループ化し、各々のグループ間の連結部の厚みを、グループ内のマスク部片の厚みより薄く形成することで、バネ定数を変化させ、この変化させた連結部のバネ定数をマスク中央部から外周側に向かって小さくするように連結したスクリーン印刷装置。
2. 請求項１に記載のスクリーン印刷装置において、
   前記連結部の剛性に合わせ、テーブルの降下速度を制御することで版離れの動作を制御することを特徴とするスクリーン印刷装置。
3. 基板上に所定の開口を備えたマスク面を接触させた状態で、スキージを用いてクリームはんだペーストを前記開口部に押し込み印刷するスクリーン印刷装置において、
   被印刷基板に載置される部品パターン毎、又は所定の面積となるパターン毎に対応した各々のマスク部片を、前記マスク部片より小さなバネ定数にて連結し、連結部バネ定数が、マスク中央部から周辺部方向に向かって段階的に小さくしたマスクと、前記マスクの連結状況に合わせ、基板を載置したテーブルの降下速度を制御して版離れ状態を制御することを特徴とするスクリーン印刷装置。

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