JP2007015360A - メタルマスクおよびメタルマスク印刷版 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精細な画像を得ようとする場合に、低コストでかつ高い耐久性でありながら、印刷画像の滲み、欠け、抜け、割れ等の欠陥の発生や、画像の転写位置の精度低下といった不具合を防止し得るメタルマスクおよびメタルマスク印刷版を提供すること。
【解決手段】 感光層を有する導電性基板に、直描法によるリソグラフ法でパターン形成を行い、電鋳法により形成されてなり、スキージ面側の硬度がビッカース硬度で３５０〜７００ＨＶ、被印刷面側の表面粗さＲｚが２〜１５μｍであることを特徴とするメタルマスクおよびメタルマスク印刷版である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、高精度なパターン印刷を可能にさせるスクリーン印刷用の版材であるメタルマスクおよびメタルマスク印刷版に関し、特に、基板表面に各種電子部品や半導体チップ等を高密度に実装するのに適したメタルマスクおよびメタルマスク印刷版に関する。

電子回路の小型軽量化の観点から、例えば各種の電子部品等の実装のためにプリント配線基板にクリームハンダペースト、導体ペースト等を塗布形成するに際し、高精度なパターン印刷を可能にさせるスクリーン印刷が用いられている。特に高密度・高精度なパターン印刷が望まれる場合には、スクリーン印刷用の版材として、メタルマスクないしメタルマスク印刷版が用いられる。

スクリーン印刷を用いた高密度実装においては、プリント配線基板面に電子部品を実装するために、プリント配線基板にはんだを印刷し、はんだ端子の高精細な配線パターンを形成し、これに電子部品や半導体チップを搭載し、はんだリフロー炉を通して電子部品や半導体チップの実装を行う。従って、高精細に印刷するためのメタルマスクおよびメタルマスク印刷版が強く要求され、実際に様々なのもが提案され、そして実用に供されている。

印刷パターンが形成された金属板（メタルマスク）を、紗を介して金属枠に張りつけたメタルマスク印刷版は、高精細印刷性、印刷精度の耐久性、印刷版の作り易さ等の理由から広く用いられている。金属板に配線パターンを形成する方法（メタルマスクの製造法）としては、金属板にフォトリソグラフ法を用いて金属をエッチングして作られるエッチング法、レーザによりパターン状に直接金属板に穴を開けるレーザ法、導電性金属表面にフォトレジスト膜で配線パターンを形成し、電鋳により製作するアディティブ法等があり、電子部品の実装密度と経済性との観点から各種使い分けられている。この中でもアディティブ法によるメタルマスクは、高精細なパターンの加工がし易く、最も高密度な配線パターンの印刷に用いられている。

ところで、高精細なパターンのメタルマスクは、それを用いて、例えばプリント配線基板等にクリームはんだを印刷する際に、パターンが高精細になればなる程、印刷版の版離れが悪くなったり、クリームはんだの版からの抜けが悪くなり、クリームはんだの転写性の悪化を招く。その結果転写されたクリームはんだが滲んだり、印刷画像に欠け、割れ、抜け等の欠陥が発生したり、印刷中に版が延伸して画像の転写位置の精度が低下したり等の不具合が生じる場合もあった。

このような問題点を改良するために、メタルマスクの被印刷面側を鏡面にし、開口にテーパーをつけたメタルマスクが提案されている（特許文献１参照。）。
また、メタルマスクの開口部の外側に凹部を設け、印刷版の版離れを改良したメタルマスクが提案されている（特許文献２参照。）。
しかし、以上の如く改良されたメタルマスクでも、印刷性は必ずしも十分とは言えず、その更なる改良が求められている。

ところで、近年環境保護の観点から、従来の鉛はんだから鉛を含有しない、いわゆる鉛フリーはんだに移行しつつあるが、この鉛フリーはんだを使用した場合、クリームはんだの戻りが少なく、印刷が難しく、形成された印刷画像に欠け、割れ、抜け等の欠陥が発生し易いと言う問題がある。

そこで、このような鉛フリーはんだの印刷性を改善すると共に、印刷の高速化とロングラン運転を目的として、密閉スキージ方式の印刷機が開発されている。この密閉スキージ式印刷機はスキージ設置空間の圧、温度を一定に保持することにより、上記目的を達成している。しかし、この印刷機を用いても鉛フリーはんだを高密度に、且つ高歩留まりで印刷をすることは難しい。

さらに、上記各種対応は、近年の低コスト化の要求とは相反する流れであり、メタルマスク印刷版の低コスト化も望まれている。また、ランニングコストを抑えるには、耐久性の高いメタルマスク印刷版が望まれている。

特開平１０−１２９１４０号公報 特開２０００−３１３１７９号公報

従って、本発明の目的は、鉛フリーはんだ等のクリームはんだを印刷することによってプリント配線基板等に高密度実装用のはんだ端子を形成するなど、特に高精細な画像を得ようとする場合に、低コストでかつ高い耐久性でありながら、印刷画像の滲み、欠け、抜け、割れ等の欠陥の発生や、画像の転写位置の精度低下といった不具合を防止し得るメタルマスクおよびメタルマスク印刷版を提供することにある。

種々検討したところ、本発明者は、メタルマスクの金属の特性、詳しくはビッカース硬度、表面粗さ、および該メタルマスクを紗を介して貼り付けた後の印刷版のテンション等を適切なものにすることで、上記目的を達成することができる事を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、以下の通りである。
（１） 感光層を有する導電性基板に、直描法によるリソグラフ法でパターン形成を行い、電鋳法により形成されてなり、スキージ面側の硬度がビッカース硬度で３５０〜７００ＨＶ、被印刷面側の表面粗さＲｚが２〜１５μｍであることを特徴とするメタルマスク。
（２） （１）に記載のメタルマスクを、紗を介して金属枠に張りつけたことを特徴とするメタルマスク印刷版。
（３） メタルマスクを張りつけた、そのテンションが、０．１２〜０．３２ｍｍの範囲内であることを特徴とする（２）に記載のメタルマスク印刷版。

本発明によれば、鉛フリーはんだ等のクリームはんだを印刷することによってプリント配線基板等に高密度実装用のはんだ端子を形成するなど、特に高精細な画像を得ようとする場合に、低コストでかつ高い耐久性でありながら、印刷画像の滲み、欠け、抜け、割れ等の欠陥の発生や、画像の転写位置の精度低下といった不具合を防止し得るメタルマスクおよびメタルマスク印刷版を提供することができる。

以下、本発明のメタルマスクおよびメタルマスク印刷版について詳細に説明する。

本発明のメタルマスクに用いられる材料としては、ニッケル、銅、クロム、亜鉛、鉄等の金属やこれら金属の合金等、および前記金属やその合金の積層体が挙げられ、なかでも得られるメタルマスクの硬度等の点からニッケルおよびニッケル合金が好ましい。
本発明のメタルマスクは、その板厚に特に制限は無いが、典型的には２０〜８０μｍ程度の範囲から選択される。

本発明のメタルマスクにおける印刷用の開口部は、その形状について特に制限はなく、例えば、正方形、長方形、菱形あるいは台形等の四角形、六角形あるいは八角形等の多角形、円形、楕円形、その他瓢箪形、ダンベル形等の不定形等が挙げられる。

前記開口部の大きさとしては、高密度実装のためのクリームはんだ印刷用の開口部ならば、最大の開口部が５０〜１５０μｍの範囲から選択されることが好ましい。また、この場合、当該開口部の繰返しピッチとしては、８０〜２５０μｍの範囲から選択されることが好ましい。このメタルマスクからのクリームはんだの抜け性の点からは、クリームはんだが通過する開口部のテーパーは０〜１０μｍの範囲が好ましく、１〜７μｍの範囲が更に好ましい。

本発明のメタルマスクは、十分な耐久性を確保するために、スキージ面側のビッカース硬度が３５０〜７００ＨＶの範囲内であることが要求される。ビッカース硬度が３５０ＨＶ未満では、印刷耐久性が不十分であり、ビッカース硬度が７００ＨＶを超える場合はメタルマスクの基板への追従性が低下し、インク（例えば、鉛フリーはんだ等のクリームはんだ）の未転写が生じて好ましくない。

被印刷面側のビッカース硬度は特に制限はなく、スキージ面側の硬度に比して硬軟いずれでも、あるいは同じでも構わない。電鋳法でメタルマスクを製作すると両側の表面硬度は通常はそれ程大きくは変化はしない。
なお、本発明において、ビッカース硬度には、ＪＩＳ Ｚ２２４４に準拠して測定した値を採用している。

本発明のメタルマスクは、非印刷面側の表面粗さＲｚが２〜１５μｍの範囲内であることが要求される。表面粗さＲｚが２μｍ未満の場合は版離れが悪くなり、転写性の不良を生じ、１５μｍを超える場合は印刷画像に滲みが生じてしまう場合がある。特に、これら版離れや転写性の不良、画像滲み等の不具合を個別に解消するためには、インクの種類、開口部の大きさ、被印刷物の性質等各種条件を勘案して、表面粗さを適宜調整することが望ましい。

一方、スキージ面側の表面粗さには特に制限はないが、粗すぎるとスキージがスムースに動かず、クリームはんだ等のインクを均一に引き難い。この点から考えるとスキージ面側の表面粗さはＲｙで２μｍ以下が好ましく、１μｍ以下が更に好ましい。メタルマスク製造の際に導電性基板（母材）側となる表面は母材の表面粗さを反映し、母材と逆の面は電鋳（メッキ）条件によって変化するので、これらを適宜設定することで所望の粗さに制御することが出来る。

表面粗さの調整方法としては、以上のようにメタルマスク製造の際のメッキ条件をコントロールする方法の他、その他一般的な研磨方法（例えば、ラップ板を用いる方法）により事後的に表面粗さを制御することとしても構わない。

なお、本発明において、表面粗さＲｚとは、ＪＩＳ Ｂ０６６０：１９９８に規定されている１０点平均粗さを、表面粗さＲｙとは、同様に規定されている最大高さのことを意味する。

表面粗さの測定方法は、触針式、光学式、二次電子式等種々提案されており、測定範囲、感度、使い勝手等が異なり、使用目的に応じて使い分けられている。本発明者は光学式であるレーザ顕微鏡を用いているが、特にこれに制限されるものではない。尚、メタルマスクの面積の大きさに比してビッカース硬度、表面粗さ共に測定範囲が狭いので、メタルマスクの偏らない多数の点を測定し、その平均値で論ずることが好ましい。具体的にはビッカース硬度は５点以上、表面粗さは２７点以上測定して、それを平均化することが好ましい。

以上で説明した本発明のメタルマスクは、紗を介して金属枠に張りつけることによりメタルマスク印刷版となる。このとき用いられる紗としては、ポリエステル、ナイロン、シルク、金属等の材料からなるメッシュスクリーンが挙げられ、その網目としては、特に制限は無いが、１００〜３００メッシュ程度の範囲から選択される。メタルマスクを貼り付けた後の版のテンションとしては、０．１２〜０．３２ｍｍの範囲が好ましい。版のテンションが０．１２ｍｍ未満であると、印刷版の版離れが急激に起こり、印刷画像に欠けが生じ易く、逆に０．３２ｍｍを越えると、印刷時に版離れが悪くなり、転写不良を起こし易く、印刷画像に欠け、割れ等の欠陥が生じる場合がある。版のテンションとしては、特に０．１４〜０．２５ｍｍの範囲が好ましい。

印刷版のテンションは、種々の測定法、測定機が提案されており、本発明においても特に制限は無いが、実際の特定には、印刷版の中央部に一定の荷重を付加した際の印刷版のたわみ量で表示し、東京プロセスサービス（株）製のテンションゲージＳＴＧ−８０Ａを用いて測定した値とする。又、版のテンションは金属枠に紗を貼り付ける際のテンションを変えることによって所望のテンションに調整することができる。

本発明のメタルマスク印刷版に用いられる金属枠としては、特に制限は無く、アルミニウム、ステンレス、銅等の金属材料からなる金属枠を挙げることができる。

本発明のメタルマスクないしメタルマスク印刷版の製造方法に関して述べる。
先ず、メタルマスクの製造方法としては、導電性基板（母材）にフォトレジストを塗布あるいはラミネートすることで、感光層を形成する。これを直描法（ＤＩ法）によって、直接印刷パターンを形成し、電鋳法によりニッケル等の金属からなる膜を、所定の膜厚となるように形成する。そして得られた金属膜を、母材を剥離して、メタルマスクが製造される。
以下、より詳細に説明する。

母材として、表面がフラットで、導電性を有する金属、例えば、ステンレス、銅、アルミ、ニッケル等からなる基板、あるいは、ガラス、プラスチック等の非導電性の基板に、蒸着、スパッターまたは無電解メッキ法で導電性の金属薄膜を形成した基板を用意する。

この母材に、フォトレジストを塗布または積層して感光層を形成する。フォトレジストとしてはドライフィルムや液状レジストがあり、それぞれネガ型、ポジ型のどちらのフォトレジストでも用いることができる。

上記のようにフォトレジストからなる感光層が形成された母材に対して、直描法（ＤＩ法）によって、直接印刷パターンを形成する。
ここで直描法とは、レーザ光を所望の画像様に走査することにより、前記感光層を直接露光して、印刷パターンを形成する方法を言う。用いるレーザ光の波長としては、前記感光層が感度を有する波長を選択すればよい。あるいは逆に、用いるレーザ光の波長に合わせて、感光層を形成するフォトレジストを選択すればよい。

直描法に対して、感光層が形成された母材に、所望の形状の開口を有するマスクを被せて、該マスク越しに露光（特に紫外線露光）する方法もあるが、精度において当該方法と遜色が無く、しかも低コストで印刷パターンを形成することができる点で優れる直描法を、本発明においては採用している。

このように本発明では、直描法によって、インクが通過する開口部に相当する部分にはフォトレジスト膜が残り、その他のインクが印刷されない部分はフォトレジスト膜が除去され、導電性の基板表面が露呈した状態になる。

次に、このフォトレジスト膜によって印刷パターンが形成された基板を金属メッキの槽に浸し、通電しながら、所定の膜厚が得られるまで電鋳を行う。この際用いられる金属としては、ニッケル、銅、クロム、亜鉛等を主成分にする金属が好ましく、特にメタルのビッカース硬度等の点からニッケルを主成分にする金属が好ましい。
ニッケルメッキをする際に用いられるメッキ浴としては、通常のワット浴、スルファミン酸浴、酢酸ニッケル浴等が用いられる。

本発明に特徴的なビッカース硬度および表面粗さは、メッキ浴の組成、メッキ温度、電流密度等の電鋳条件をコントロールすることにより得ることが出来る。また、表面粗さは母材表面を所望の粗さに加工し、該母材を用いて電鋳を行い母材表面の粗さをメタルマスクに転写する方法もあるが、ビッカース硬度と同じように、メッキ浴の組成、メッキ温度、電流密度等の電鋳条件をコントロールすることにより母材とは逆の面を所望の粗さにすることもできる。

本発明のメタルマスクの膜厚は、好ましくは２０〜８０μｍであるが、該膜厚が２０μｍ未満では版の強度が不十分となり易く、使用中に版が延伸し、形成される画像の位置精度が低下するおそれがあり、一方、５５μｍを超えると画像のインク量が多くなりすぎ、例えば、インクとしてはんだを用いた場合に、はんだが溶融した際に広がり過ぎたり、はんだの抜け性そのものが劣ることがあり好ましくない。
最後に、導電性基板からなる母材からメタルマスクを剥離し、アルカリ溶液等で洗浄して残存するレジスト膜を除去し、メタルマスクが得られる。

このようにして作られたメタルマスクを用いてメタルマスク印刷版作るには、金属枠に紗を貼り付け、該紗に前記メタルマスクの外周部を接着剤を用いて貼り付けた後、接着部より内側の紗を切り取る。この様にして金属枠にメタルマスクの外周部を、紗を介して張りつけたメタルマスク印刷版が出来上がる。

本発明のメタルマスクないしメタルマスク印刷版を用いて、例えば、プリント配線基板上にクリームはんだを印刷し、はんだ端子を形成する場合には、形成されたはんだ端子の形状は通常、直径５０〜１５０μｍ、ピッチ８０〜２５０μｍ程度である。勿論、本発明はこれに限定されるものではない。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は、以下の実施例により限定されるものではない。
サイズが４００ｍｍ×５００ｍｍで板厚が０．３ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）製の基板の表面を、ラップ板を用いて研磨して、これを母材とした。この母材の両面にドライフィルムレジスト（ＦＰ２４０、東京応化工業（株）製）をラミネートした。

次に、電子部品搭載用のはんだ端子パターンとして、直径１００μｍの円が繰り返しピッチ１５０μｍで２５００（５０×５０）個からなる基本パターンを４つ面取りしたパターンをレーザ露光装置を使用して、直描法によってドライフィルムレジスト膜に形成した。

これをスルファミン酸ニッケルメッキ浴に入れて、２Ａ／ｄｍ^２、浴温度４５℃で前記基板上に厚さ３０μｍのニッケル膜を形成した。母材からニッケル膜を剥離し、得られたニッケル膜を５０℃の１．０％水酸化ナトリウム水溶液に浸漬してレジスト膜を除去した。

さらに被印刷物側となる面を、ラップ板を用いて研磨して、３５０ｍｍ×４５０ｍｍのニッケル製のメタルマスクを作製した。
該メタルマスクのスキージ面側のビッカース硬度は４００ＨＶ（ビッカース硬度計ＭＶＫ−Ｇ１、（株）アカシ製）、被印刷面側の表面粗さＲｚは８．０μｍであった。また、開口部のテーパーは平均４μｍであった。

次に、１８０メッシュのポリエステル製の紗が張られた外形５５０×６５０ｍｍのアルミ製枠に、前記メタルマスクを母材面側がスキージ面になるようにエポキシ系接着剤を用いて貼り付けてメタルマスク版を作製した。該版の被印刷面（プリント配線基板面）側のメタルマスクの表面粗さＲｚは５μｍ（超深度形状測定顕微鏡ＶＫ−８５００、（株）キーエンス製で測定）、版のテンションは０．１８ｍｍ（テンションゲージＳＴＧ−８０Ａ、東京プロセスサービス（株）製で測定）であった。

得られたメタルマスク印刷版を用いて、通常の方法に従って、基板上に平均粒径が１１μｍの鉛フリーのクリームはんだ（ＬＦ−７１Ｓ−３、タムラ化研株式会社製）をスクリーン印刷機（ＳＰ２８Ｐ−ＤＨ、パナソニックファクトリーソリューション株式会社製）を用いて印刷し、乾燥し、直径略１００μｍのはんだ端子１万個を形成した。該１万個の端子を観察したが、クリームはんだの滲み、はんだ端子の割れ、抜け、欠け等の欠陥は全く生じなかった。また、はんだ端子の位置精度も全く問題はなかった。

Claims (3)

1. 感光層を有する導電性基板に、直描法によるリソグラフ法でパターン形成を行い、電鋳法により形成されてなり、スキージ面側の硬度がビッカース硬度で３５０〜７００ＨＶ、被印刷面側の表面粗さＲｚが２〜１５μｍであることを特徴とするメタルマスク。
2. 請求項１に記載のメタルマスクを、紗を介して金属枠に張りつけたことを特徴とするメタルマスク印刷版。
3. メタルマスクを張りつけた、そのテンションが、０．１２〜０．３２ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項２に記載のメタルマスク印刷版。