CN100462237C - 丝网印刷方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

用于印刷后续印刷所需的基准的模型工件(DW)被移动到印刷位置并同时将该模型工件固定到工件对准机构(2)上，以及进行焊料印刷。然后，将已印刷的模型工件返回到工件对准位置，并由图像处理照相机(7)拍摄其图像，以及将用于对准的特定焊料凸块的位置坐标的图像存储起来。基于所存储的模型工件的图像进行后续工件(W)的定位并随后在印刷位置处对工件进行焊料印刷。

Description

丝网印刷方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种用于将焊料膏剂或焊膏(solder paste)等通过丝网罩(screen mask)印刷到工件上的丝网印刷方法以及印刷装置。更具体地说，木发明涉及一种丝网印刷方法以及用于该方法的装置，其适于在高密度多层基片上进行丝网印刷。
背景技术
为了连接印刷基片和半导体芯片，通常使用称之为“倒焊芯片(FC)系统”的连接系统，其使用了焊料凸块(微小的焊料凸起)。通过在平面上布置半导体凸块，这种系统可以一次连接成千上万的连接点。随着信息(IT)技术的发展，半导体芯片具有更高级的功能并且这种半导体芯片的连接需要更小的尺寸、更高的密度以及更大数目的连接点。
为了形成焊料凸块，一种现有技术的方法使用一种在工件对准位置和焊料印刷位置执行两个步骤的装置，其中将工件(基片)设置在工件对准位置，将工件移动到焊料印刷位置，然后利用丝网升降机构将金属丝网罩(下文中称之为“丝网”)叠置在工件上并通过涂刷器等将焊料膏剂印刷到用于印刷的工件上(例如参见日本未审专利公开No.6-155706)。
附图中的图4和5示出了根据现有技术的这种丝网印刷装置。丝网印刷装置1包括用于定位工件(基片)W的工件对准机构2、用于使工件W在工件对准位置和焊料印刷位置之间线性往复运动的工件移动机构3、用于使丝网S在工件对准位置和焊料印刷机之间线性往复运动的丝网移动机构4、用于上下移动丝网S的丝网升降机构5、焊料凸块印刷机构6、图像处理照相机(或摄像机)7、照相机升降机构8等等。在该印刷装置1中，工件W放置在工件对准机构2的工作台21上并且由工件对准机构2在工件对准位置基于由图像处理照相机7获取的图像进行定位。接着，工件W由工件移动机构3移动到焊料印刷位置并且丝网S在该焊料印刷位置处由丝网移动机构4和丝网升降机构5叠置在工件上。移动焊料凸块印刷机构6的涂刷器61并将焊料膏剂P通过丝网S施加到工件W上，从而将焊料凸块B印刷到工件W上。
通常，焊料凸块的印刷质量的决定性因素是丝网S的印刷图案叠置在工件W的丝网图案上的精度。因为使用了不透明的金属丝网S，不可能将工件W和丝网S彼此叠置并且随后对它们进行定位。因此，已经采用了一种系统，其通过利用图像处理器分别将金属丝网S的定位标记M与工件W的定位标记对准并且基于图像处理数据将丝网S和工件W机械地彼此叠置。
因此，当图像处理照相机7如图4和5所示固定时，该系统便成为通过使用丝网移动机构将丝网S移动到工件对准位置、通过使用图像处理照相机7对准丝网S并且随后将丝网返回到焊料印刷位置以进行印刷的印刷系统。因此，例如用于丝网S的移动和升降以及用于图像处理照相机7的升降的那些移动机构的数目很大，并且在对准过程中丝网S在定位之后的设定位置会包含由于各移动机构所带来的机械误差。
另外，因为布置在丝网S中的定位标记(由于半蚀刻而没有贯通)以及用于实际焊料焊接的印刷口(贯通)具有不同的加工条件，加工不是同时进行并且出现加工误差。照相机移动系统会进一步增大这种误差。
因此，近年来对于现有技术中这种包括复杂机构的焊料印刷机构来说，由于结构误差，已经很难满足进一步小型化、更高的密度以及更大数目的连接点的需求。
在下一代的高密度多层基片中，尤其是，每个工件上的凸块的数目为数干个，并且为数百量级的现有凸块数目的十倍以上。因此，凸块密度也达到了凸块直径为φ100×节距150μm的高密度。采用现有技术的对准系统的焊料膏剂印刷方法不能容易地满足这种需求。
而且，根据本申请人提出的PALAP(Patterned prepreg Lay-up Process)基片，与常规的玻璃—环氧树脂基片不同，该基片材料与焊料具有高的润湿性。除非焊料被正确地传送到凸块形成位置，否则焊料在回流期间(因为焊料在非氧化气氛下被熔化，以通过表面张力形成球)会流动并且连接邻近的凸块，从而导致桥接缺陷。因此，需要一种不会由于丝网漂浮而导致焊料渗出(或泄漏)的印刷技术。
发明内容
本发明正是考虑到上述问题而提出，并且其旨在提供一种丝网印刷方法以及用于该方法的装置，其能够通过将误差减小为仅仅一个工件定位误差从而在下一代高密度多层基片上正确地进行焊料凸块印刷，而在分别对丝网数据和工件数据进行图像处理的现有技术的系统中，由于照相机的移动，出现了两种机械误差。
根据本发明的一个方面，提供了一种丝网印刷方法，其包括以下步骤：在模型工件DW(后续印刷所需的基准被印刷到其上的工件，以下称之为“模型工件DW”)被固定到工件对准机构2上的情况下将该模型工件DW移动到印刷位置，对模型工件进行焊料印刷，在焊料印刷之后将模型工件DW返回到工件对准位置，由图像处理照相机7拍摄模型工件DW的图像，将已被焊料印刷的模型工件的图像中用于对准的特定焊料凸块的位置坐标的图像存储起来，基于所存储的模型工件DW的图像通过所述工件对准机构进行后续工件的定位，在所述工件被固定到所述工件对准机构上的情况下将所述工件从所述下一工件对准位置移动到所述印刷位置，以及对所述工件进行焊料印刷。于是，可以减小由于各机构移动所导致的机械误差，从而进行高精度的定位以及在高密度多层基片上进行焊料凸块印刷。
在根据本发明的丝网印刷方法中，基于所存储的模型工件DW的位置坐标的图像重复性地进行工件的定位，并且对分别拍摄的工件W的图像数据的中心坐标进行统计处理，以最小化重复误差。这样，可以进一步提高定位精度。
根据本发明的另一方面，提供了一种丝网印刷装置，其包括：工件对准机构2，用于基于来自控制单元9的信息将工件放置在其上并进行工件的定位；工件移动机构3，用于在工件对准位置和印刷位置之间移动工件对准机构2；丝网升降机构5，用于上下移动固定在印刷位置的丝网罩S；印刷机构6，用于将焊料膏剂P通过丝网罩S印刷到工件W上；以及固定在对准位置处的图像处理照相机7；控制单元9将图像处理照相机7的图像中用于对准的特定焊料凸块的图像存储起来并基于由此存储的图像控制工件对准机构2；其中，基于首先被印刷的模型工件DW或者刚刚被印刷的工件或者重复印刷的已印刷工件的统计平均值的图像进行后续工件的定位，从而能够提供最高级别的定位结果。于是，可实现与前述技术方案相同的功能和效果。因为可以消除丝网移动机构、照相机升降机构等，因此可简化构造。
在根据本发明的丝网印刷装置中，工件和丝网罩分别为不具有定位标记的工件和丝网。于是，可以防止发生由于贯通孔和非贯通孔的不同加工条件所导致的加工误差。
从以下连同附图对本发明的优选实施例的描述中可以更充分地理解本发明。
附图说明
在附图中：
图1是示出根据本发明的一个实施例的丝网印刷装置的总体构造的视图；
图2A和2B是用于解释根据本发明的丝网印刷装置的操作(印刷方法)的说明图，其中图2A解释将焊料膏剂印刷到模型工件上，并且图2B解释模型工件在印刷之后的图像处理；
图3A和3B是用于以与图2同样的方式解释根据本发明的丝网印刷装置的操作(印刷方法)的说明图，其中图3A解释工件的定位，并且图3B解释将焊料膏剂印刷到工件上；
图4是示出根据现有技术的丝网印刷装置的总体构造的视图；以及
图5是用于解释根据现有技术的丝网印刷装置的金属丝网的对准的说明图。
具体实施方式
以下将参照附图解释根据本发明的实施例的丝网印刷方法及其印刷装置。图1是示出根据本发明的一实施例的丝网印刷装置的总体构造的视图。该丝网印刷装置1基本上包括用于在X、Y、θ方向上定位作为基片放置在工作台21上的工件W的工件对准机构2、用于使工件W在工件对准位置和印刷位置之间线性移动的工件移动机构3、用于上下移动丝网(丝网罩)S的丝网升降机构5、用于在印刷位置通过丝网S将焊料膏剂P印刷到工件W上的印刷机构6、用于成像工件W和丝网S的图像处理照相机7、以及用于存储由照相机7拍摄的图像并基于该图像控制工件对准机构2的控制单元9。
工件对准机构2包括用于支撑和保持工件W的工作台21、在X方向上移动的X方向移动工作台22、在Y方向上移动的Y方向移动工作台23以及在θ方向上旋转的旋转工作台24。所有这些元件彼此结合并且装配到工件移动机构3的输送台31上。工作台21的上表面为具有大量抽吸孔(未示出)的吸附表面，并且可在工件W放置在输送台31上时吸附和定位工件W。这些抽吸孔与附图中未示出的真空泵相连。工作台21被支撑在X方向移动工作台22上，并且该X方向移动工作台22被支撑在Y方向移动工作台23上。而且，Y方向移动工作台23被支撑在旋转工作台24上。因此，工件W在工作台21上的位置可在X、Y和θ方向上进行修正。X和Y方向上的运动以及θ方向上的旋转分别通过伺服马达25进行。
工件移动机构3包括置于印刷装置1的基座11上的输送台导向件32以及在其上支撑工件对准机构2的同时沿着输送台导向件32移动的输送台31。输送台31可以由附图中未示出的驱动单元驱动在工件对准位置和印刷位置之间沿着输送台导向件32线性往复运动。
术语“丝网S(丝网罩)”是这样一种概念，其包括在罩的表面上具有预定图案的物体，例如狭义上的金属罩(metal mask)和丝网罩(screenmask)。通过印刷口S1在丝网S上形成图案，但是没有形成定位标记。丝网S由丝网升降机构5支撑，并且允许在印刷位置处上下移动。本发明不包括用于在印刷位置和工件对准位置之间移动丝网的丝网移动机构，并且因此丝网S不能在这两个位置之间移动。
丝网升降机构5包括一对装配到横向安装件13上的升降缸51以及用于保持丝网的保持件52，所述横向安装件被桥接在插置于印刷装置1的基座11上的左右柱状元件12之间，所述丝网被固定到在升降缸51内滑动的活塞51a的一端。保持器52例如由引入升降缸51的流体操纵。
印刷机构6和图像处理照相机7在上述丝网升降机构5的外面装配到印刷装置的横向安装件13上。换言之，成对的图像处理照相机7在工件对准位置处被装配和固定到横向安装件13上。图像处理照相机7在其焦点被设定到工件W的表面上的同时进行固定。控制单元9与图像处理照相机7相连，以用于存储照相机7所拍摄的图像并且基于所存储的图像识别信息在X、Y和θ方向上修正或调整工件W的工作台21。
印刷机构6包括涂刷器头部62，其装配到印刷装置的横向安装件13上并且涂刷器61装配到其上；涂刷器升降机构63，用于上下移动涂刷器头部62；以及涂刷器移动机构64，用于横向地移动涂刷器头部62。涂刷器升降机构63例如由活塞—缸筒机构构成，并且涂刷器移动机构64例如由滚柱丝杠机构构成。因此，涂刷器移动机构63将涂刷器头部62的涂刷器61向下移动到一个涂刷器61与丝网S相接触的位置，并且随后涂刷器移动机构64以这样的方式在丝网上移动涂刷器61，以使得丝网S被涂刷器移动机构64带入与工件W相接触。丝网S上的焊料膏剂P被涂刷器61推压并且穿过丝网S的印刷口S1施加到工件W上，从而执行了丝网印刷。
以下将参照图2A至3B解释具有上述构造的本实施例的丝网印刷装置1的操作(丝网印刷方法)。
首先，将具有与工件W相同外形的模型工件DW放置在工件对准机构2的工作台21上并由其支撑。操作工件移动机构3并将保持模型工件DW的工件对准机构2从工件对准位置移动到印刷位置，同时工件对准机构2未被操作(保持固定)。在这种情况下，如图2A所示，通过普通的印刷操作将焊料凸块印刷到模型工件DW上。换言之，丝网S由丝网升降机构5向下移动并且被带入与模型工件DW相接触。接着，涂刷器头部62被印刷机构6的涂刷器升降机构63向下移动并且涂刷器61被带入与丝网S相接触。在这种情况下，涂刷器61通过涂刷器移动机构64在丝网S上移动，并且丝网S上的焊料膏剂P被涂刷器61推压并通过丝网S的印刷口S1施加到模型工件DW上。焊料凸块通过这种方式被印刷到模型工件DW上。在印刷之后，允许丝网S和涂刷器头部62向上移动并返回到初始位置。
接着，支撑和保持已被印刷的模型工件DW的工件对准机构2从印刷位置返回到工件对准位置。如图2B所示固定的图像处理照相机7对在工件对准位置处被印刷上焊料凸块的模型工件DW进行图像拍摄，并且控制单元9存储图像中用于对准的特定焊料凸块(例如最外周处的特征焊料凸块)的两个坐标位置(x1，y1，θ1)的图像。焊料凸块的基准位置通过上述丝网对准操作而存储在控制单元9中。
通过与如图3A和3B所示基本相同的操作在存储图像之后进行将焊料凸块印刷到工件W上。换言之，处于工件对准位置处的已印刷模型工件DW从工作台21上被取出，并且接着将要印刷的工件W被放置到工件台21上并由其保持。接着，如图3A所示，图像处理照相机7拍摄工件W的图像，并且将相应于图像中用于对准的特定模型工件DW的焊料凸块的焊料凸块安装位置以及位置坐标(x2，y2，θ2)的信息输入控制单元9。控制单元9将用于已印刷模型工件DW的对准的特定焊料凸块的位置坐标(x1，y1，θ1)与用于相应工件W的对准的特定焊料凸块安装位置的位置坐标(x2，y2，θ2)进行比较，并且向工件对准机构2发出指令，以通过差值(|x1-x2|，|y1-y2|，|θ1-θ2|)修正位置。工件对准机构2根据该指令操纵X方向移动机构22、Y方向移动工作台23以及θ方向移动工作台24，并且在X、Y和θ方向上进行位置修正。这样，便基于已印刷模型工件DW的焊料凸块的位置信息对工件W进行定位。
在上述实施例中，模型工件DW的焊料凸块形状与将要在焊料凸块安装位置处印刷的图案不同，并且模型工件DW的焊料凸块形状是圆形的，而将要印刷的图案是矩形的。已印刷部分的图案在印刷之后叠置在焊料凸块安装位置上。因此，相应地设置三种存储图像，并且通过根据每个目标进行转换来获取位置坐标。由于这种转换功能，可以在印刷到下一位置之后进行凸块位置的位置修正。
根据图像处理的处理算法可以采用各种方式，例如提取外部形状和外周边缘，并且通过根据工件的印刷形状和将要获得的准确度进行适当的选择，可以实现很高的精度。
被定位的工件W由工件移动机构3从工件对准位置传送到印刷位置。接着，如图3B所示，以与上述印刷模型工件DW相同的方式在工件W上进行印刷。换言之，丝网升降机构5将丝网S向下移动到与工件W相接触的位置。接着，涂刷器升降机构63将涂刷器头部62向下移动并且涂刷器61与丝网S相接触。在这种情况下，涂刷器61通过涂刷器移动机构64在丝网S上移动，并且丝网S上的焊料膏剂P被涂刷器61推压并且通过印刷口S1施加到工件W上。在完成将焊料凸块印刷到工件W的全部表面上之后，丝网S和涂刷器头部62向上移动并返回到初始位置。工件W从印刷位置返回到工件对准位置并被取出。
重复如图3A和3B所示的步骤，以进行工件W的印刷。
如上所述，根据本发明的丝网印刷方法通过利用工件W上的焊料凸块作为定位标记实现了现有技术从未获得的高精度定位。为了进一步提高准确度，通过充分地重复模型工件DW的丝网罩对准操作并进行分别拍摄的工件W的图像数据的中心坐标的统计处理，可以最小化重复误差。因此本发明的方法可满足高准确度的进一步需求。
而且，本发明可采用以下实施例。
在上述说明中，已经通过利用工件布线的两个凸块作为定位标记对用于对准的特定凸块进行了解释，但是该凸块也可以被单独布置，以用于对准。
已经给出的说明基于工件W的焊料安装位置的形状与待印刷凸块形状相同的假设，但是它们也可以具有不同的形状和不同的大小。
上述说明还基于图像处理照相机7固定在工件W的高度处的假设，但是只要照相机7可在印刷模型工件DW时的相同条件下固定，便可以根据工件W的厚度利用上下移动的机构实现相同的效果。
如上所述，本发明采用下述系统。
(1)本发明采用了直接将金属丝网的印刷口对准的系统，而没有使用可能导致制造误差的金属丝网的定位标记，以实现微小焊料凸块的高精度膏剂印刷。
(2)为了通过吸收移动误差来直接对准印刷口，本发明采用了在工件印刷位置进行印刷之后将焊料凸块的位置坐标的图像输入并将它们用作定位坐标的系统。
(3)本发明采用了即使在作为定位目标的焊料凸块安装位置的图案与作为基准的已印刷焊料凸块(通过丝网的印刷口印刷的焊料凸块)的图像不同时也可切换已存储图像的系统。
(4)本发明采用了为每个丝网将待印刷区域(图案)的最外位置处的特征凸块选择作为定位目标的凸块的系统。
(5)本发明采用了其中模型板的外形与工件相同并且对准机构也用作工件定位机构以最小化机械误差的系统。
(6)为了防止印刷过程中由于装置环境变化(由于温度和丝网老化等所引起的伸长)所导致的准确度降低，本发明采用了选择各种图像图案(焊料本身、待印刷位置的形状、焊料本身+待印刷位置的形状)并且将它们用来定位以令人满意地将刚刚进行的印刷的结果反应到下一印刷的基准位置上的系统。
(7)本发明采用这样的机械构造，其中通过消除照相机移动机构和丝网移动机构从而将工件对准位置与焊料印刷位置之间的距离最小化到最小距离，并且防止在操作的重复性停止中由于装置的伸长而导致的准确度降低。
(8)本发明采用了通过应用由焊料印刷机构构成的基准板支撑丝网的构造从而避免了丝网升降误差的系统。
采用上述系统，本发明可完成焊料凸块的丝网印刷，其能够满足进一步小型化、更高密度和更大数目的连接点的需求。
虽然已经为了解释的目的参照具体实施例描述了本发明，但是很明显，本技术领域的普通技术人员可在不偏离本发明的基本概念和范围的情况下作出多种变型。

Claims (4)

1.一种丝网印刷方法，用于将其上印刷有预定图案的丝网罩(S)叠置在将被印刷预定图案的工件(W)上并将焊料膏剂(P)通过所述丝网罩印刷到所述工件上，该丝网印刷方法包括：
(1)印刷步骤，其中在用于印刷后续印刷所需的基准的模型工件(DW)被固定到工件对准机构上的情况下将所述模型工件(DW)从工件对准位置移动到印刷位置，以及对所述模型工件进行焊料印刷；
(2)存储步骤，其中在焊料印刷之后将所述模型工件返回到工件对准位置，并将由固定图像处理照相机所拍摄的所述被焊料印刷的模型工件的图像中用于对准的特定焊料凸块的位置坐标的图像存储起来；以及
(3)定位步骤，其中基于在所述存储步骤中存储的图像通过所述工件对准机构在下一工件对准位置处进行所述工件的定位；
(4)印刷步骤，其中在所述工件被固定到所述工件对准机构上的情况下将所述工件从所述下一工件对准位置移动到所述印刷位置，以及对所述工件进行焊料印刷。
2.根据权利要求1所述的丝网印刷方法，其特征在于，还包括以下步骤：
基于所存储的所述模型工件的位置坐标的图像重复后续工件的定位，对分别拍摄的所述后续工件的图像数据的中心坐标进行统计处理，并最小化重复误差。
3.一种丝网印刷装置，用于将其上印刷有预定图案的丝网罩(S)叠置在将被印刷预定图案的工件(W)上并将焊料膏剂(P)通过所述丝网罩印刷到所述工件上，该丝网印刷装置包括：
工件对准机构，用于基于来自控制单元的信息放置所述工件并进行所述工件的定位；
工件移动机构，用于在工件对准位置和印刷位置之间移动所述工件对准机构；
丝网升降机构，用于上下移动固定在印刷位置处的丝网罩；
印刷机构，用于将焊料膏剂通过所述丝网罩印刷到所述工件上；
固定在对准位置处的图像处理照相机；以及
所述控制单元将所述图像处理照相机的图像中用于对准的特定焊料凸块的图像存储起来并基于由此存储的图像控制所述工件对准机构；
其中基于首先被印刷的模型工件或者刚刚被印刷的工件或者重复印刷的已印刷工件的统计平均值的图像进行后续工件的定位。
4.根据权利要求3所述的丝网印刷装置，其特征在于，所述工件和所述丝网罩为不具有定位标记的工件和丝网。
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