JP2004114142A

JP2004114142A - 半田ペースト、該半田ペーストを用いた印刷方法及び印刷装置

Info

Publication number: JP2004114142A
Application number: JP2002284983A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yokoyama; 横山　敬司
Original assignee: Ricoh Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Ricoh Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】プラスチックマスクを介して半田ペーストを回路基板上に印刷したときに、印刷形状が良好で、しかも、にじみのない高品質な印刷ができる特性を有する半田ペースト、この半田ペーストを用いた印刷方法及び印刷装置を提供する。
【解決手段】レーザ光で開口部が加工されたプラスチックマスク５の表面に載置され、スキージ１，１１を表面に押し当てながら移動させることにより、回路基板上に印刷される半田ペースト２は、チキソ比が０．６以上、且つ、粘度が１９０Ｐａｓ以上、２５０Ｐａｓ以下の特性を有する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品などを半田接合する半田ペースト、該半田ペーストを用いた印刷方法及び印刷装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の製造に利用される電子回路形成の表面実装の半田付け工法は、リフロー工法とフロー工法との２種類に大きく分けられる。半田ペーストは、リフロー工法に使用されるペースト状の半田材料である。
【０００３】
この半田ペーストの回路基板への印刷を行なうには、図３の概略図に示すようなスキージ方式が用いられる。
この印刷方法はまず、開口部３ａが設けられたメタルマスク３の下面に被印刷物である回路基板４を当接させる。一方、メタルマスク３の上面に接するようにウレタンゴムや金属板等を取付けたものをスキージ１とし、その移動方向に半田ペースト２を供給する。スキージ１によってメタルマスク３の上面に半田ペースト２を押し付け、水平方向に掻き取りながら移動させる。するとメタルマスク３の開口部３ａに半田ペースト２が充填される。その後、スキージ１がメタルマスク３の開口部３ａを通過する際に余分な半田ペースト２を掻き取る作業を行い、スキージ１が全部の開口部３ａを通過した後に、メタルマスク３の下面にある回路基板４をメタルマスク３から分離する。すると、メタルマスク３の開口部３ａに充填された半田ペースト２が回路基板４上に転写され、印刷が行われる。
【０００４】
次に、表面実装部品をその印刷された半田ペースト上に装着し、粘着させて仮止めする。その後回路基板４は、リフロー装置において全体が２１０℃〜２３０℃に加熱され、本格的な半田付けが行われる。
【０００５】
半田ペーストは、一般に半田金属粉末と、フラックスとが混練されたものからなり、このフラックスは、有機溶剤に、ロジン、活性剤、及びチキソ剤が溶解あるいは分散されたものからなる。
【０００６】
最近では、各種電子機器の高密度実装に対応すべく、搭載部品が小型化され、部品の配置間隔が狭ピッチ化されつつある。このような条件下で、従来の半田ペーストを用いて、部品を回路基板に半田付けした場合、従来は考慮する必要のなかった種々の問題を生じる。そのうちの一つに、印刷後の半田ペーストのダレによる回路短絡現象がある。
【０００７】
印刷後に半田ペーストのダレが発生すると、リフロープロセスにおいて、狭小化された配置間隔で隣接する部品の端子電極間または回路基板上のランド間等が半田によって短絡されてしまう。その結果、回路短絡による不良を発生してしまう。
【０００８】
一般に、高チキソタイプの半田ペーストを用いて回路基板上に印刷を行うと、低チキソタイプの半田ペーストに比べ、タッキング力が大きく印刷後の形状が安定してダレが少ないことが知られている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、高チキソタイプの半田ペーストを用いると、印刷時にメタルマスクの開口部からの抜け性が悪く、回路基板上で半田ペーストの量が不足して、印刷品質が低下してしまうという問題があった。半田ペースト中に含まれる半田金属粉末の粒径を小さくすれば抜け性が改善されるが、リフロー後に半田ボールが発生し、それによる回路短絡現象が起きてしまう。
【００１０】
そこで、本発明者は、メタルマスクに替えて、エキシマレーザ光で開口部が加工されたプラスチックマスクを用いて半田ペーストの印刷を行った。すると、高チキソタイプの半田ペーストを用いた場合であっても、プラスチックマスクの開口部からの抜け性がよく、回路基板上に十分な量の半田ペーストを印刷することができた。これは、メタルマスクに比べプラスチックマスクの方が、開口部の内周面が平滑であるためと考えられる。
【００１１】
しかし、半田ペーストの特性によっては、プラスチックマスクを介して回路基板上に印刷した場合に、印刷形状が悪かったり、にじみが生じたりする問題があった。特に、狭ピッチな開口部を備えたマスクである場合、品質に大きな影響を与えていた。また、ペーストの粘度特性等によっては、連続印刷が可能な回数が低減するという生産性の問題があった。
【００１２】
本発明は、以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、プラスチックマスクを介して半田ペーストを回路基板上に印刷したときに、印刷形状が良好で、しかも、にじみのない高品質な印刷ができる特性を有する半田ペーストを提供することである。また、本発明は、この半田ペーストを用いた印刷方法及び印刷装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、レーザ光で開口部が加工されたプラスチックマスクの表面に載置され、スキージを該表面に押し当てながら移動させることにより、回路基板上に印刷される半田ペーストにおいて、チキソ比が０．６以上、且つ、粘度が１９０Ｐａｓ以上、２５０Ｐａｓ以下であることを特徴とするものである。表１に示す実験結果によれば、チキソ比が０．６より小さいと、印刷形状等の印刷状態の悪いものや、非常に悪いものが多くなっている。また、チキソ比が０．６以上であっても、粘度が１９０Ｐａｓより小さく、２５０Ｐａｓよりも大きい範囲では印刷形状等の印刷状態が少し悪いものや、にじみの状態が悪い場合がある。この請求項１の半田ペーストでは、チキソ比が０．６以上、且つ、粘度が１９０Ｐａｓ以上、２５０Ｐａｓ以下であるので、印刷形状等の印刷状態が良好で、にじみも生じない印刷を行なうことができる。
また、請求項２の発明は、請求項１の半田ペーストにおいて、上記チキソ比が０．６５以下であることを特徴とするものである。表１の実験結果によれば、チキソ比が０．６５を超えると、印刷形状等の印刷状態の少し悪いものが生じる。これは、スキージに半田ペーストが付着しやすくなり、特に往復印刷で連続印刷する場合において、プラスチックマスク上の半田ペースト量が不足することによる印刷欠け等の印刷不良である。この請求項２の半田ペーストでは、チキソ比が０．６５以下であるので、スキージへの半田ペーストの付着を抑制し、連続印刷における印刷欠け等の印刷不良を防いで、印刷形状等の印刷状態の良好な印刷を行なうことができる。
また、請求項３の発明は、レーザ光で開口部が加工されたプラスチックマスクの表面に半田ペーストを載置し、スキージを該表面に押し当てながら移動させることにより、回路基板上に該半田ペーストを印刷する半田ペーストの印刷方法において、上記半田ペーストのチキソ比が０．６以上、且つ、粘度が１９０Ｐａｓ以上、２５０Ｐａｓ以下であることを特徴とするものである。この請求項３の印刷方法では、請求項１に関して述べたように、チキソ比が０．６以上、且つ、粘度が１９０Ｐａｓ以上、２５０Ｐａｓ以下であるので、印刷形状等の印刷状態が良好で、にじみも生じない印刷を行なうことができる。
また、請求項４の発明は、請求項３の印刷方法において、上記半田ペーストのチキソ比が０．６５以下であることを特徴とするものである。この請求項４の印刷方法では、請求項２に関して述べたように、チキソ比が０．６５以下であるので、スキージへの半田ペーストの付着を抑制し、連続印刷における印刷欠け等の印刷不良を防いで、印刷形状等の印刷状態の良好な印刷を行なうことができる。
また、請求項５の発明は、レーザ光で開口部が加工されたプラスチックマスクの表面に半田ペーストを載置し、スキージを該表面に押し当てながら移動させることにより、回路基板上に該半田ペーストを印刷する半田ペーストの印刷装置において、上記半田ペーストのチキソ比が０．６以上、且つ、粘土が１９０Ｐａｓ以上、２５０Ｐａｓ以下であることを特徴とするものである。この請求項５の印刷装置では、請求項１に関して述べたように、チキソ比が０．６以上、且つ、粘度が１９０Ｐａｓ以上、２５０Ｐａｓ以下であるので、印刷形状等の印刷状態が良好で、にじみも生じない印刷を行なうことができる。
また、請求項６の発明は、請求項５の半田ペースト印刷装置において、上記半田ペーストのチキソ比が、０．６５以下であることを特徴とするものである。この請求項６の印刷装置では、請求項２に関して述べたように、チキソ比が０．６５以下であるので、スキージへの半田ペーストの付着を抑制し、連続印刷における印刷欠け等の印刷不良を防いで、印刷形状等の印刷状態の良好な印刷を行なうことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の一例を図面を参照して説明する。図１は本実施形態の半田ペーストの印刷装置を示す概略構成図である。尚、本実施形態における基本的な印刷方法は、図３で示した従来方法と同様であるので、その説明は省略する。また従来例と同部分には同符号を付す。なお、本実施形態に係る印刷装置では、従来のメタルマスクに替えて、エキシマレーザで開口部が加工されたプラスチックマスク５を用いている。
【００１５】
図１に示す印刷装置おいて、印刷ヘッド６には、相対する位置に平行に往路印刷用のスキージ１と、復路印刷用のスキージ１１がそれぞれ配置され、それらは個別にシリンダー７によって上下方向への駆動が可能となっている。印刷ヘッド６は直動ユニット８に接続されており、直動ユニット８は駆動部９および駆動制御部１０によって移動速度、移動範囲等の動作制御がなされる。
【００１６】
上記スキージ１，１１を往路、復路両方向へ水平移動させることによって、半田ペースト２をプラスチックマスク５の開口部５ａに充填して印刷が行われる。
【００１７】
次に図２（ａ）〜（ｄ）に示す動作チャートによって印刷動作の説明をする。
まず、通常の印刷作業については、図２（ａ）に示すように、駆動部９によって動作制御される直動ユニット８（いずれも図１参照）によって、これに接続される印刷ヘッド６が印刷面（プラスチックマスク５の上面）を水平移動する。往路用スキージ１は下降して、プラスチックマスク５の上面に接した状態で印刷ヘッド６の移動速度で半田ペースト２を、プラスチックマスク５への加圧及び掻取り動作を行いながら移動する。このとき、復路用スキージ１１はシリンダー７によって上昇しているのでプラスチックマスク５には接触していない。
そして同図（ｂ）に示すように、印刷ヘッド６が所定の距離を水平移動して、往路印刷が終了した後、往路用スキージ１がシリンダー７によって上昇する。
次に同図（ｃ）に示すように、印刷ヘッド６が復路印刷動作に移る際、復路用スキージ１１がシリンダー７によって印刷面であるプラスチックマスク５の上面に接する位置まで下降し、復路印刷方向に移動を開始する。このとき、往路用スキージ１はシリンダー７によって上昇したままである。
そして同図（ｄ）に示すように、印刷ヘッド６が所定の距離を移動して、復路印刷動作が終了した後、復路用スキージ１１がシリンダー７によって上昇する。
以上の往復印刷動作の繰り返しによって、回路基板４上への半田ペースト２の印刷を行なう。
【００１８】
次に、上記半田ペーストが印刷された回路基板への電子部品の実装方法について説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は、電子部品の実装方法の工程説明図である。
図４（ａ）において、回路基板４の上面には銅端子１２が形成されている。銅端子１２の上面には半田ペースト２が印刷されている。銅端子１２には、電子部品１３に形成された銅バンプ１４が半田ペースト２によって半田接合され、これにより電子部品１３は回路基板４に実装される。
このような半田ペースト２が印刷された銅端子１２に対して、図４（ｂ）に示すように銅バンプ１４を有する電子部品１３が搭載される。搭載後の回路基板４はリフロー工程に送られ、ここで半田融点以上の温度に加熱することにより、半田ペースト２中の半田粒子１５（図５参照）が溶融する。これにより、図４（ｃ）に示すように電子部品１３の銅バンプ１４は溶融半田２’によって銅端子１２に半田接合され、電子部品１３は回路基板４に実装される。
【００１９】
ここで、半田ペースト２ついて説明する。半田ペースト２は鉛成分をほとんど含まない半田ペーストであって、図５の模式図に示すように少なくとも錫／銀（Ｓｎ／Ａｇ）を含む半田粒子１５と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子１６とをフラックス１７に混合することによりペースト状にしたものである。また、このフラックス１７は、有機溶剤に、ロジン、活性剤、及びチキソ剤が溶解あるいは分散されたものからなる。
この錫・亜鉛系の半田ペースト２は、従来の錫・鉛系の半田と同様に融点が低いことから、回路基板４や電子部品１３の焼損を招くことなく半田接合が行えるという長所を有している。ここに示す例では、銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子１６を、重量比で３〜３０％の範囲で含有させている。
【００２０】
ところで前述したように、エキシマレーザ加工されたプラスチックマスクを用いて高チキソタイプの半田ペーストを回路基板上に印刷する場合、半田ペーストの特性によっては、印刷形状等の印刷状態が悪かったり、にじみが生じたりした。図６は、チキソ比の高いタイプと低いタイプの半田ペーストを用いた場合の、メタルマスクとプラスチックマスクとにおける抜け性等の状態を比較する説明図である。
【００２１】
本発明者が鋭意実験を行なったところ、印刷形状等の印刷状態が悪かったり、にじみが生じたりするのは、半田ペーストのチキソ比や粘度が影響していることが判った。特に、半田ペーストのチキソ比の影響が大きいことが判った。表１は比較実験の結果を示す表である。ここで、チキソ比とは、チキソトロピー指数（ＴＩ）ともいい、粘度−ずり速度線図におけるずり速度の変化による粘度の変化の傾きから求めるものである。この粘度−ずり速度線図の傾きが大きいほどチキソ比が大きい。
【表１】

【００２２】
上記表１の比較実験の結果によれば、チキソ比が０．６より小さいと、印刷形状等の印刷状態の悪いものや、非常に悪いものが多くなっている。また、チキソ比が０．６以上であっても、粘度が１９０Ｐａｓより小さい範囲及び２５０Ｐａｓよりも大きい範囲では印刷形状等の印刷状態が少し悪いものや、にじみの状態が悪い場合がある。よって、半田ペーストはチキソ比が０．６以上、且つ、粘度が１９０〜２５０Ｐａｓ以下であれば、目視による印刷状態が良好で、にじみも生じないことが判った。
【００２３】
なお、チキソ比が０．６５を超えると、スキージに半田ペーストが付着しやすくなる。すると往復印刷における連続印刷において印刷欠け等の印刷不良が生じてしまう。例えば、上記印刷装置で往路印刷終了後、スキージ１をプラスチックマスク５の表面から上昇させて離間させると、半田ペースト２がスキージ１に多量に付着してしまう。すると、他方のスキージ１１をプラスチックマスク５表面に押し当てながら移動させて印刷を行なっても、回路基板４上で半田ペースト２の印刷量が不足し、印刷欠け等の印刷不良が発生してしまう。よって、チキソ比のより好ましい範囲は、０．６５以下である。また、この範囲であれば、ペーストの粘度特性等によらず、連続印刷可能な回数を維持し、生産性の低下を防ぐことができる。
【００２４】
上記半田ペースト２のチキソ比は、フラックス１７中のチキソ剤の量で調整することができる。また、粘度は、フラックス１７中に含まれる有機溶剤やロジン等の量、及び、半田粒子１５と金属粒子１６とフラックス１７との混合比率によって調整することができる。
【００２５】
ここで、図７（ａ）は、表１中のサンプルＮｏ．１〜６の半田ペーストのフラックス含有量とチキソ比の関係における印刷形状等の印刷状態の判定結果を示すグラフである。同図（ｂ）は、同サンプルのフラックス含有量とチキソ比の関係におけるにじみ具合の判定結果を示すグラフである。同図（ｃ）は、同サンプルの粘度とチキソ比の関係における印刷形状等の印刷状態の判定結果を示すグラフである。同図（ｄ）は、同サンプルの粘度とチキソ比の関係におけるにじみ具合の判定結果を示すグラフである。同様に、図８（ａ）〜（ｄ）はサンプルＮｏ．７〜１３の印刷状態等の判定結果を示すグラフである。
また、図９（ａ）は、表１中のサンプルＮｏ．ＲＭＥ００１〜００５の半田ペーストのフラックス含有量とチキソ剤量の関係における印刷形状等の印刷状態の判定結果を示すグラフである。同図（ｂ）は、同サンプルのフラックス含有量とチキソ剤量の関係におけるにじみ具合の判定結果を示すグラフである。同図（ｃ）は、同サンプルの粘度とチキソ比の関係における印刷形状等の印刷状態の判定結果を示すグラフである。同図（ｄ）は、同サンプルの粘度とチキソ比の関係におけるにじみ具合の判定結果を示すグラフである。同様に、図１０（ａ）〜（ｄ）はサンプルＮｏ．ＲＭＥ００６〜０１２の印刷状態等の判定結果を示すグラフである。
【００２６】
なお、上記実施形態においては、エキシマレーザで開口部が加工されたプラスチックマスクを用いたが、これに限られるものではなく、例えば、ＹＡＧレーザで加工されたプラスチックマスクを用いてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１乃至６の発明においては、プラスチックマスクを介して半田ペーストを回路基板上に印刷するときに、印刷形状が良好で、しかも、にじみのない高品質な印刷ができるという優れた効果がある。
特に、請求項２、４及び６の発明においては、スキージへの半田ペーストの付着を抑制し、連続印刷における印刷欠け等の印刷不良を防いで、印刷状態の良好な印刷を行なうことができるという優れた効果がある。また、ペーストの粘度特性等によらず、連続印刷可能な回数を維持し、生産性の低下を防ぐことができるという優れた効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の印刷装置の一例を示す概略構成図。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態における印刷動作を順に示す説明図。
【図３】スキージ印刷の印刷方法を概略して示す側面図。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の電子部品の実装方法の一例を示す工程説明図。
【図５】本実施形態の電子部品の実装構造における半田接合部の部分断面図。
【図６】チキソ比の異なる半田ペーストを用いた場合の、メタルマスクとプラスチックマスクとにおける抜け性等の状態を比較する説明図。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、表１中のサンプルＮｏ．１〜６の半田ペーストの印刷状態等の判定結果を示すグラフ。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は、表１中のサンプルＮｏ．７〜１３の半田ペーストの印刷状態等の判定結果を示すグラフ。
【図９】（ａ）〜（ｄ）は、表１中のサンプルＮｏ．ＲＭＥ００１〜００５の半田ペーストの印刷状態等の判定結果を示すグラフ。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は、表１中のサンプルＮｏ．ＲＭＥ００６〜０１２の半田ペーストの印刷状態等の判定結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１　　　往路のスキージ
２　　　半田ペースト
３　　　メタルマスク
３ａ　　メタルマスクの開口部
４　　　回路基板
５　　　プラスチックマスク
５ａ　　プラスチックマスクの開口部
１１　　復路のスキージ
１３　　電子部品
１４　　銅バンプ
１５　　半田粒子
１６　　金属粒子
１７　　フラックス

Claims

レーザ光で開口部が加工されたプラスチックマスクの表面に載置され、スキージを該表面に押し当てながら移動させることにより、回路基板上に印刷される半田ペーストにおいて、
チキソ比が０．６以上、且つ、
粘度が１９０Ｐａｓ以上、２５０Ｐａｓ以下であることを特徴とする半田ペースト。
請求項１の半田ペーストにおいて、
上記チキソ比が０．６５以下であることを特徴とする半田ペースト。
レーザ光で開口部が加工されたプラスチックマスクの表面に半田ペーストを載置し、スキージを該表面に押し当てながら移動させることにより、回路基板上に該半田ペーストを印刷する半田ペーストの印刷方法において、
上記半田ペーストのチキソ比が０．６以上、且つ、
粘度が１９０Ｐａｓ以上、２５０Ｐａｓ以下であることを特徴とする印刷方法。
請求項３の印刷方法において、
上記半田ペーストのチキソ比が０．６５以下であることを特徴とする印刷方法。
レーザ光で開口部が加工されたプラスチックマスクの表面に半田ペーストを載置し、スキージを該表面に押し当てながら移動させることにより、回路基板上に該半田ペーストを印刷する半田ペーストの印刷装置において、
上記半田ペーストのチキソ比が０．６以上、且つ、
粘土が１９０Ｐａｓ以上、２５０Ｐａｓ以下であることを特徴とする半田ペースト印刷装置。
請求項５の半田ペースト印刷装置において、
上記半田ペーストのチキソ比が、０．６５以下であることを特徴とする半田ペースト印刷装置。