CN1796109A - 丝网印刷机及其印刷方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在印刷位置将膏剂(P)穿过丝网(S)印刷到工件(W)上的丝网印刷机(1)的印刷机构(6)包括：在远端与丝网相接触的填充喷嘴(62)、在印刷期间所消耗的膏剂被填充入其中的填充头(62)、以及用于将膏剂供应入填充头的进料箱(63)。填充头和进料箱中的每一个中具有挤出机构(62b、63a)，并且可控制膏剂对丝网罩的挤出压力。该印刷机构还包括有填充头支撑机构(64)，其可以如此方式支撑填充头，以使得填充头可上下移动，并且还可调节填充头在丝网上的推力。

Description

丝网印刷机及其印刷方法
技术领域
本发明涉及一种用于将焊料膏剂(solder paste)等穿过丝网罩(screenmask)印刷到基片上的丝网印刷机以及印刷方法。更具体地说，本发明涉及适于将丝网印刷应用于高密度多层基片上的丝网印刷机以及印刷方法。
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(flip-chip FC)结合系统”的连接系统，其使用了焊料凸块(微小焊料凸起)。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情况要求更小的尺寸、更高的密度以及更大数目的连接点。
为了形成焊料凸块，日本未审专利公开No.11-48445公开了一种方法，该方法使用一种装置，其中在一工件对准位置和一焊料印刷位置执行两个步骤，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。
附图中的图5和6示出了根据现有技术的这种丝网印刷机。该丝网印刷机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7、照相机升降机构8等。在该丝网印刷机1中，工件W放置在工件对准机构2的工作台上并且由工件对准机构2基于由图像处理照相机7获取的图像而进行定位。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穿过丝网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，焊料凸块印刷质量的决定性因素是丝网在工件上的高精度叠置以及归因于丝网和涂刷器的接触角θ(填充操作角)的焊料膏剂印刷准确度。如图6的俯视图所示，焊料凸块印刷机构6的印刷头66在丝网S上印刷的同时由涂刷器61夹持焊料膏剂P并且如图8A所示在工件W上进行凸块印刷。顺便提及，图8B示出了其上布置有印刷孔S1的丝网S以及从一个工件W获得九个产品时在其上印刷出凸块B的工件W。
在这种情况下，因为根据现有技术的焊料凸块印刷没有涉及在高的密度和较大数目的连接点的情况下印刷，如图7A所示，可以在相对于涂刷器61的唇缘半径R保持适当的填充操作角θ的同时进行印刷。然而，在下一代的高密度多层基片中，每个工件上凸块的数目为数千个并且为现有处于数百个量级的凸块数量的数十倍。因此，凸块密度达到了高密度的凸块直径φ100×节距150μm。
当根据现有技术的焊料凸块印刷技术被采用以满足这种需求时，不能在与图7B所示微小凸块印刷中的唇缘半径R(例如R＝0.1mm)相应的微小凸块直径φ(φ＝0.1mm)下保持适当的填充操作角θ，因此便出现了摩擦和印刷缺陷。
随着凸块直径φ的小型化，丝网S的厚度t已经从现有技术的200μm变化到50μm的薄膜丝网，并且出现了丝网S相对于工件漂浮和定位错误的问题。于是，将焊料凸块印刷到高密度的多层基片上变得困难。
根据本申请人提出的PALAP基片，与常规的玻璃环氧树脂基片不同，这种基片材料与焊料之间具有高的湿润性。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会流动(因为焊料在非氧化气氛中被熔化以通过表面张力形成球)，并且相邻的凸块会连接起来，从而引起桥接缺陷。因此，需要一种不会由于丝网的漂移而引起焊料渗出的印刷技术。
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可在下一代高密度多层基片上正确地进行焊料凸块印刷的丝网印刷机以及印刷方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种丝网印刷机，其中用于将膏剂穿过丝网罩印刷到工件上的印刷机构包括这样的机构，该机构具有：填充头，其在远端装备有与丝网罩相接触并且在丝网罩上移动以进行印刷的填充喷嘴；以及用于将膏剂供应入填充头的进料箱；填充头和进料箱中的每一个中具有可控制膏剂对丝网罩的挤出压力的挤出机构。于是，膏剂可从填充喷嘴非常精确地加压和排出，并且可以实现高密度的微小凸块。
在根据本发明的丝网印刷机中，填充喷嘴由高刚度材料构成，填充头由可使填充头上下移动的填充头支撑机构所支撑，并且填充头对丝网罩的推力可由填充头支撑机构进行调节。于是，可以通过防止膏剂从填充头泄漏以及丝网罩从工件上的漂浮实现无膏剂从填充头渗出的印刷。而且，易碎丝网罩可以与工件无间隙地紧密接触，并可采用薄膜丝网罩进行印刷。
根据本发明另一方面的丝网印刷方法控制从填充头向丝网罩供应的膏剂的进料压力并在适当的印刷压力下进行丝网印刷。因此，可以获得与上述丝网印刷装置同样的功能和效果。
根据本发明的丝网印刷方法可调节填充头对丝网罩的推力并且可获得与上述丝网印刷装置同样的功能和效果。
从如下连同附图对本发明优选实施例的描述中可更好地理解本发明。
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机的总体构造的视图；
图2是作为图1的主体部分的印刷机构的放大视图；
图3是用于解释根据本发明的填充喷嘴的操作的示意图；
图4A、4B和4C是用于解释根据本发明的该实施例的丝网印刷机的印刷操作的示意图；
图5是示出根据现有技术的丝网印刷机的总体构造的视图；
图6是根据现有技术的印刷机构的三面视图(俯视图、正视图和侧视图)；
图7A和7B是用于解释根据现有技术的凸块印刷(图7A)和微小凸块印刷(图7B)的问题的示意图；以及
图8A和8B是用于解释丝网罩(图8A)和凸块印刷工件(图8B)的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图解释根据本发明的实施例的丝网印刷机及其印刷方法。图1是示出根据本发明的该实施例的丝网印刷机的总体构造的视图，图2是作为图1的主体部分的印刷机构的放大视图。丝网印刷机1基本上包括有用于在X、Y、θ方向上定位作为基片的工件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、用于使丝网S(丝网罩)在工件对准位置和印刷位置之间线性移动的丝网移动机构4、用于上下移动丝网S的丝网升降机构5、用于在印刷位置将焊料膏剂P通过丝网S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、以及用于上下移动图像处理照相机7的照相机升降机构8。
工件对准机构2包括有用于支撑和保持工件W的工作台、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、以及在θ方向上旋转的旋转工作台24。这些元件彼此结合并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支撑在Y方向移动工作台23上。而且，Y方向移动工作台23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方向上进行校正。X和Y方向上的运动以及θ方向上的旋转通过伺服马达25进行。
工件移动机构3包括置于印刷机1的基座11上的输送台导向件32以及沿着输送台导向件32移动并且其上支撑有工件对准机构2的输送台31。输送台31由附图中未示出的驱动单元驱动，以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，其涵盖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)。丝网S由丝网移动机构4支撑，并且在工件对准位置和印刷位置之间往复运动，并且还由丝网升降机构5驱动来上下运动。丝网移动机构4包括用于在其两侧保持丝网S的保持器41以及桥接在左右升降导向件12之间且插在基座11上的移动导向件42。保持丝网S的保持器41被允许由附图中未示出的驱动单元驱动而沿着移动导向件42在横向上移动。
丝网升降机构5包括一对分别与左右升降导向件12相适应的升降缸体51以及用于从两侧保持移动导向件42并分别固定到在升降缸体51内滑动的活塞体51a上的升降元件52。丝网升降机构5上下移动该移动导向件42，也就是移动丝网S。升降元件52例如由引入升降缸体51的流体操纵。
一横向安装件13被布置为在插在印刷机1的基座11中的左右导向件11之间延伸。作为本发明特点的印刷机构6装配到该横向安装件13上。图像处理照相机7类似地固定到该横向安装件13，以使得其能够上下移动但不能在横向上移动。换言之，作为照相机升降机构8的升降缸体81固定到横向安装件13上，并且一对图像处理照相机7装配到一升降工作台82上，该升降工作台82固定到在升降缸体81内滑动的活塞81a的远端。图像处理照相机7可识别工件W的定位标记以及丝网S的定位标记的图像。用于在X、Y和θ方向上调整工件W的工作台21的控制单元(附图中未示出)与图像处理照相机7相连。
下面将解释作为本发明特点的印刷机构6。该印刷机构6包括用于将焊料膏剂P穿过丝网S供应到工件W的填充头62、用于将焊料膏剂P供应到填充头62的供料箱63以及用于支撑填充头62和供料箱63的填充头支撑机构64。印刷机构6不具有现有技术中的涂刷器(squeegee)。填充头支撑机构64包括一对以间隔开的关系固定到横向安装件13上的升降印刷缸体64a、由在该对升降印刷缸体64a内滑动的活塞64b支撑的第一和第二导向件64c和64d、安装到第二导向件64d上的移动印刷缸体64e以及在移动印刷缸体64e内滑动的移动体64f。
填充头62包括有其远端与丝网S相接触的填充喷嘴62a、用于从填充喷嘴62a将填充于其中的焊料膏剂P挤出的第一挤出机构62b、以及用于在后端推动第一挤出机构62b的流体引导口62c。填充头62由第一导向件64c可移动地支撑并与移动印刷缸体64e的移动体64f结合。因此，填充头62在移动印刷缸体64e的操纵之下沿着第一导向件64c在横向上移动。填充喷嘴62a由高刚度材料、例如金属或陶瓷构成。因为与丝网S的接触表面具有高的平面度并且不存在如图3所示切口的开口部分的斜面，从而无需设置根据现有技术的橡胶涂刷器或金属刀片的填充操作角θ。填充喷嘴62a具有小间隙的切口或狭缝，例如2mm的填充口宽度d1以及5mm的填充唇缘宽度d2，并且宽度D等于工件印刷表面的宽度，例如500mm。当从引入口62c引入填充头62的流体的压力变化时，可以控制由第一挤出机构62b对焊料膏剂P的挤出压力。
进料箱63具有大于填充头62的容量并且其中包括有类似于填充头62的第二挤出机构63a。进料箱63和填充头62通过连通管65彼此连通，并且通过第二挤出机构63a的推动操作将适量的焊料膏剂P从进料箱63正确地供应到填充头62。进料箱63以如此方式支撑，以使得其可在第二导向件64d上往复运动，并且填充头62和进料箱63一起通过移动印刷缸体64e的操作而沿着第一导向件64c或第二导向件64d移动。
第一导向件64c和第二导向件64d中的每一个的两端均由该对升降印刷缸体64a的活塞体64b支撑并且可上下移动。因此，填充头62和进料箱63均上下移动。这样，填充头62和进料箱62的填充头支撑机构64可使填充头62和进料箱63在横向上往复运动，并且也可使它们在垂直方向上移动。因此，填充头支撑机构64可通过用升降印刷缸体64a调节下降距离，从而控制填充头62对丝网S的推力。
如上所述，在印刷机构6中，工件W被保持在印刷位置，在该印刷位置处，丝网S如图2所示叠置并由填充头支撑机构64以适当的压力(例如150kPa)将填充头62朝着丝网S的印刷位置推动。在印刷过程中消耗的焊料膏剂P从进料箱63供应和填充到填充头62并且可以进行一次或多次印刷。填充头62由移动印刷缸体64e以如此方式装配到填充头支撑机构64上，以使得其可在丝网S上左右移动，并且在操纵移动印刷缸体64e的同时印刷工件的整个表面。
本发明采用了其中丝网S对印刷口S1的焊料供给压力由布置在填充头62上的第一挤出机构62b的推压力进行控制的系统。本发明还采用了通过填充头支撑机构64的压下压力防止焊料膏剂从填充头62的泄漏以及丝网S从工件W上的漂浮。这样，本发明采用了可独立地优化印刷的适当压力以及丝网S的保持条件的结构。
以下将结合图4解释本实施例中具有上述构造的丝网印刷机1的操作。顺便提及，在根据本发明的印刷机1中，工件W的对准操作在工件对准位置处以与普通印刷机相同的方式进行，并且后来出现的印刷操作在印刷位置处进行。换言之，这种印刷机1进行如图4A至4C所示的三个印刷操作步骤。参考图4A，进料箱63的第二挤出机构63a固定，并且置于填充头62内的第一挤出机构62b例如在50kPa下操作。然后，焊料膏剂P均匀地从填充喷嘴62a的切口(例如2mm×500mm)中挤出并且充满丝网S的印刷口S1。操纵填充头支撑机构64的移动印刷头64e并且填充喷嘴72a在丝网S以例如20mm/s的速度移动，并且弄平焊料膏剂P，以执行焊料凸块B的印刷。
当如图4B所示填充头62内的焊料膏剂P被印刷所消耗完时，焊料凸块B的印刷结束。接着，为了准备下一循环的印刷，工件W从丝网S上移除，并且如图4C所示操纵进料箱63的第二挤出机构63a并且焊料膏剂P从进料箱63供应到填充头62。填充头62内焊料的量恢复到初始状态。
以上述方式可以进行高精度微小焊料凸块B的印刷。
在上述实施例中，填充头62内的膏剂容量为一个循环的容量，但是填充头62也可以具有一个或多个循环的容量。
填充头62和进料箱63内的第一和第二挤出机构62b和63a在附图中示出为活塞形的形状，但是它们也可以为膜片形挤出机构。
通过布置未示出的清洁站(利用清洁纸等的擦拭机构)以及当焊料膏剂P从进料箱62供应到填充头62时清洗填充喷嘴62a的端面，可以进一步提高印刷质量。
上述填充喷嘴62的切口具有2mm×500mm的尺寸，但是根据丝网的厚度选用切口的尺寸可以进一步提高印刷质量。关于切口的形状，在如图8B所示三组工件的情况下，可以根据印刷宽度设置被分割为三个切口的切口，而不必将切口限制为一个。这样，可提高印刷质量。
如上所述，根据本发明，安装了具有用于非常精确地加压和排放焊料的填充喷嘴和用于向填充头补充焊料的焊料进给箱的填充头以及使用该填充头的丝网加压机构(填充头支撑机构)。因此，根据现有技术的涂刷器型印刷不可能进行的印刷压力的优化便变得很容易，并且可以高的生产率进行高质量的微小形状的印刷。此外，可以进行小型薄膜丝网的印刷。
虽然为了解释的目的已经结合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)

1.一种丝网印刷机，用于将其上形成有预定图案的丝网罩叠置在预定图案将被印刷到其上的工件上并且将印刷膏剂穿过所述丝网罩施加到所述工件上，其中一印刷机构包括：
填充头，其具有在远端与所述丝网罩相接触并且在所述丝网罩上移动以进行印刷的填充喷嘴；以及
用于将所述膏剂供应入所述填充头的进料箱；
所述填充头和所述进料箱中的每一个中具有可控制所述膏剂被供应至所述丝网罩上的挤出压力的挤出机构。
2.根据权利要求1所述的丝网印刷机，其特征在于，所述填充喷嘴由高刚度材料构成，所述填充头由可使所述填充头上下移动的填充头支撑机构所支撑，并且所述填充头对所述丝网罩的推力可由所述填充头支撑机构进行调节。
3.一种丝网印刷方法，其包括下列步骤：将工件放置在工作台上，基于由照相机在工件对准位置摄取的图像由工件对准机构定位所述工件，然后将所述工件移动到印刷位置并且由印刷机构将膏剂穿过丝网罩施加到所述工件上从而进行印刷，该方法还包括以下步骤：
控制从所述印刷机构的填充头向所述丝网罩供应的所述膏剂的进料压力；以及
在适当的印刷压力下进行丝网印刷。
4.根据权利要求3所述的丝网印刷方法，其特征在于，所述填充头对所述丝网罩的推力是可调节的。
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