JP2008055607A - スクリーン印刷装置とその印刷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリーンマスクを用いた印刷装置において、被印刷対象の微細化に伴い精度の良い印刷ができなくなる傾向にある。
【解決手段】ペーストをスクリーンの開口部に供給するスキージヘッドを密閉型スキージヘッド構造にして、印刷時にスキージヘッド内部を負圧状態にして、負圧力でスキージヘッドに係る印圧力を適正値にする制御機構を設けて印刷することで装置の大型化を防ぎ、且つ高精度の印刷が行えるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明はスクリーン印刷装置に係り、特に高アスペクト比の開口部に充填可能な充填ヘッドを備えたスクリーン印刷装置とその印刷方法に関する。

従来、特許文献１には、小型の配線パターンに対応した小径の孔を有するステンシルなどの孔版にも半田ペースト（以下ペーストと称する）を簡単かつ確実に印刷する半田印刷装置が開示されている。この特許文献１では、ステンシルに塗布されたペーストに対して圧力を加える加圧部の動作と、ステンシルを駆動するステンシル駆動部の動作を、制御部により制御する構成となっている。

また、特許文献２には、印刷装置全体を真空チャンバ内に設置して、インクをスクレッパにより印刷用スクリーン版表面に薄くかぶせるコート工程とによりスクリーン版表面の一端側に溜まったインク溜まりを乗り越えて印刷用スクリーン版表面にコートされたインクをスキージにより被印刷物に印刷する印刷工程とを備え、コート終了後であって印刷工程の前に、高真空と大気圧又は低真空とに変化させてコート工程により塗布されたインク中の気泡を脱泡する脱泡工程を設けると共に、印刷工程を真空雰囲気中で行うことが開示されている。

特開２００３−１１８０７０号公報 特開２００３−３００３０２号公報

上記特許文献１、ステンシル上部にチャンバ室を備えた加圧部を有し、チャンバ室を加圧して、そのチャンバ室内に設けたスキージによりステンシルに設けた開口にペーストを充填して、ステンシル下部にセットされたプリント配線板にペーストを印刷するものである。この場合、チャンバ室は固定して、ステンシル及びプリント配線板を移動させる構成としている。

このように、チャンバ室を加圧してペーストをプリント配線板に印刷すると、加圧力によりチャンバ室が浮き上がり、加圧した効果を得ることは難しい場合が発生する。さらに、チャンバ室を大きく構成する必要がある。また、印刷したプリント配線板がチャンバ室を通り過ぎた時に、せっかく押し込んだペーストが浮き上がり、ボイドが発生する場合も生じる。

また、特許文献２のように真空チャンバ室内に印刷装置を設置して、印刷前に真空状態にしてペーストの脱泡処理をすれば、高精度の印刷が可能であるが、被印刷物の搬入搬出に手間がかかると共に、真空チャンバ内を真空にするにも時間がかかり、且つ装置も大型化する問題がある。

本願発明の目的は、高アスペクト比のスクリーンを用いた場合でも、高精度に高速に印刷できるスクリーン印刷装置を提供することにある。

テーブル上に載置された基板面上に所定パターンの開口部を形成したマスクを当接さて、マスク上面からスキージによって、開口を介して基板面にペーストを印刷するものにおいて、マスク面上の開口からペーストを供給するスキージヘッドを密閉型スキージヘッドとし、スキージヘッド内に負圧を供給する負圧供給機構を設けたことを特徴とする。

開口パターンにペーストを供給するときにスキージ内を負圧状態として行うために、被印刷部底部側に気泡が残留せず、かつ、スキージの通過後にはペーストを充填した開口部には大気圧がすぐに加わり、大気圧の押し付け力によりペーストが確実に被印刷部側に転写されるため、小さく、密集した開口パターンのものでも高精度の印刷が可能となった。

図１にスクリーン印刷装置の全体構成の概略を示す。

本発明のスクリーン印刷機１の本体フレームには、図示していない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２１を張ったマスク
２０（以下スクリーンを含めてマスクと説明する場合もある）がセットされるように構成している。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。本実施例では、このスキージ昇降機構４に空気シリンダを用いた構成とした例を示している（以後、スキージ昇降機構を単に空気シリンダ、又は印圧シリンダと称する場合もある）。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５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５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５を受け取りコンベア２６から印刷テーブル１０上に受け取り、かつ基板５をスクリーン２１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の搬送方向の両側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５を受け取り、印刷テーブル１０上に受け渡す。また、基板受け取りコンベア２６は、印刷テーブル１０上で印刷が終了すると、印刷テーブル１０から基板を受け取り、基板搬出コンベア２７に基板５を排出する。

全自動のスクリーン印刷機１においては、マスク２０と基板５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１５によって、マスク２０と基板５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１５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。

ペーストを印刷される基板５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５を印刷テーブル
１０に固定後、予め登録設定された基板マーク位置にＣＣＤカメラ１５を移動する。続いてＣＣＤカメラ１５が基板５及びマスク２０（又はスクリーン２１の面上）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では、画像データからマスクと基板の位置ずれ量を求める。その結果に基づいて、印刷機制御部３０はＸＹθテーブル制御部から駆動信号をＸＹθテーブル１１に送り、その信号に基づいてＸＹθテーブル１１を動作させてマスク２０に対する基板５の位置を修正・位置合わせする。位置合わせ動作完了後、ＣＣＤカメラ１５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。ＣＣＤカメラ１５の退避完了後、印刷テーブル１０が上昇し、基板５とスクリーン２１を接触させる。その後、スキージ昇降機構４によってスキージ３がマスク２０のスクリーン２１面上に接触するまで下降する。次に、スキージヘッド２の移動によってスクリーン２１面上に供給されていたペーストがスクリーン２１の開口部に充填され、基板に転写される。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、スクリーン２１と基板５が離れ、スクリーン２１の開口部に充填されたペーストが基板５に転写される。

そして、ペーストが印刷された基板５は基板受け取りコンベア２６から基板搬出コンベア２７を経て次工程に送られる。

なお、基板５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ケ以上設けられている。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
１５により、マスク２０のマークは下から認識し、基板５のマークは上から認識して、所定箇所に設けたマーク全てについて位置座標を読み取り、マスク２０に対する基板５のずれ量を位置演算・補正し、基板５をマスク２０に対して位置合わせする。

図１（ｂ）に示す印刷機制御部３０において、ＣＣＤカメラ１５によって撮像した任意パターンを画像入力部３７より取り込み、任意パターンの周囲に類似パターンが存在していても、辞書３８に予め用意されたモデルと、ＣＣＤカメラ１５によって撮像した任意パターンとの相関値を相関値計算部３１にて演算する。相関値計算部３１によって求められた相関値に基づいて、形状推定部３２にてモデルの形状推定を行う。推定された形状を複数個の仮基準パターンとして記憶設定する。そして、パターン位置座標演算部３３にて、目標基準パターン間距離と比較し、かつ寸法計算部３４で形状寸法を求め、差の最も少ない組み合わせのマークを基準パターンとして辞書３８に登録する手段を備えている。

さらに印刷機制御部３０にはスキージヘッド２等の動作を制御する印刷制御部３６を備えている。

ところで、最近の基板はペーストを供給する半田領域が微細化している。このため、スクリーン印刷によりペーストを供給するアスペクト比が１以上になってきており、且つ基板側に供給したペーストに気泡が発生し十分な量のペーストが供給できない。そこで、本発明ではスキージヘッド２に密閉型スキージ構造のものを使用し、スキージヘッド２の内部を負圧状態にして、ペーストをマスク開口部に供給する構成とすることで、気泡の発生を防止すると共に、被印刷物への転写も容易にしたものである。

次に本実施例のスキージヘッド２について図２を用いて説明する。図２に本発明のスクリーン印刷機に用いられる密閉型スキージヘッドの部分断面図を示す。矢印７がペースト１９を塗布時におけるスキージ３の移動方向を示している。本発明のスキージヘッド２は、スキージ外筒３ａの内側両端部にスキージ３が取り付けられている。以後このスキージ外筒３ａ内をスキージヘッド内部１７と称して説明する。なおスキージ３は移動方向（矢印７）の直角方向にスクリーン２１の幅に対応して長くに形成されていて両端部もスキージ３と略同じ高さにカバーを設けた密閉型のスキージヘッド構造としてある。

スクリーン２１が基板５面に接触すると共に、スキージ３がスクリーン２１に接触した状態では、スキージヘッド内部１７が略密閉状態となる。その状態で、スキージヘッド内部１７を負圧状態となるように、空圧制御機構（負圧供給機構）を動作させてスキージヘッド内部１７の空気を排気配管８より排気８ａする。スキージヘッド内部１７を所定の圧に減圧すると、スキージ移動機構６を動作させてスクリーン２１面上を矢印７方向に移動させてスクリーン２１面に設けてある開口部１６にペースト１９を押し込む。このとき、スキージヘッド内部１７は負圧になっているために、スキージヘッド２が通過した後の基板５とスクリーン２１には大気圧９が作用すると共に、開口部１６のペースト１９にも大気圧９が作用して、確実に基板５面又は基板５に設けた孔にペースト１９が充填される。なお、スキージヘッド２を矢印７方向に移動するに伴ってペースト１９には回転力が作用して、回転している。このとき周囲が大気状態の場合は、空気が巻き込まれて気泡を生じる場合も有るが、周囲を負圧にすることでこれを防ぐことができる。このように、ペーストを回転させることでペーストの流動性を高めている。

以下、図３を用いてスキージヘッド２内部の空圧制御とその動作に関して詳細に説明する。図３にスキージヘッド周りの空気圧制御系を示す。本発明の空圧制御は、スキージヘッド２を上下に駆動するスキージ昇降機構４に空気シリンダ（以後印圧シリンダ４と称する場合もある）を用いる構成とすると共に、スキージヘッド内部１７を負圧にするための真空ポンプ４６を設けてある。また、スキージヘッド内部１７の圧力を計測するための真空センサ４５が真空ポンプ４６に接続される排気配管８に設けてある。また、排気配管８には電空レギュレータ４３が設けてあり、真空センサ４５で測定したスキージヘッド内部１７の負圧力に応じて、真空ポンプ４６及び電空レギュレータ４３を制御して、スキージヘッド内部１３の負圧力を一定に保持する。このようにスキージヘッド内部１７を負圧にすると、スキージヘッド２には、負圧力と大気圧９との差圧が加わり、スキージ３がスクリーン２１側に押し付けられる。このため、スキージ３の先端部に過剰な圧力が加わり、印圧が増加し適正な印圧でなくなる場合がある。そこで、印圧を適正に制御するための印圧調整機構を設ける必要がある。

例えば、負圧を０.０５Ｍｐスキージヘッド２の受圧面積を１３３cm²の場合、６６kgとなり適正な印圧６.６kg より大きくなり、適正な印刷をすることができない。そこで、印圧を調整することで適正な印刷を行えるようにしている。印圧調整機構は、先に説明したスキージス昇降機構４を用いて、スキージヘッド内部１７の負圧力を真空圧センサ４５で計測して、スキージヘッド２を上下させることで行っている。すなわち、本実施例では印圧シリンダ４にバック圧を加えることで、負圧力の一部をキャンセルして適正な印圧となるように制御する構成としている。このため、印圧シリンダ４内のピストンを押し下げる側４ｄと、押し上げる側４ｕにそれぞれ空気配管１８ｄ，１８ｕを配置して、詳細は図示していない圧縮機４７から圧縮空気を供給する構成としてある。押し下げ側の空気配管
１８ｄには電磁弁４４と空電レギュレータ４１が設けてある。押し下げ側の空気配管18ｕには空電レギュレータ４２しか示していないが、電磁弁を設けても良い。また、図では真空ポンプ４６を設けた排気配管８に空電レギュレータ４３を設ける構成としているが、真空ポンプは一定排気であれば空電レギュレータ４３を省略しても良い。また各空電レギュレータ４１，４２，４３や電磁弁４４は印刷機制御部３０内の印刷制御部３６に接続されている。印刷制御部３６は真空センサ４５の検出信号に基づいて、各空電レギュレータ
４１，４２，４３や電磁弁４４を制御する構成としてある。尚、圧縮機４７を設けずに、真空ポンプ４６の排気側から圧縮空気を送る構成とすることも可能である。

なお、スキージヘッド内部１７を負圧にして、本実施例を適用した装置で実験した。その結果、スキージヘッド内部１７の負圧力を０.０１〜０.０５Ｍｐの範囲に制御して、塗布を行ったところ、良好な結果を得た。

なお、本実施例のようにスキージヘッド内部１７を負圧にすると、ペースト内の溶剤成分が大気圧環境下よりも揮発し易くなるために、溶剤の種類、又は量を少なくし、揮発成分を抑えた、特性変化の少ないペーストを使用するようにした。また、印刷動作を行っている以外の時は、スキージヘッド内部１７を大気圧にしておき、ペーストが負圧環境下に曝される時間を極力短くしてペーストの特性変化を抑制すると良い。

なお、上記の実施例では、スキージヘッド２のスキージ昇降機構４に空気圧で制御する印圧シリンダを用いる構成を示したが、印圧シリンダに代えて電動モータを用いた構成とすることも可能であるし、作動トランス方式の駆動機構を設けたスキージ昇降機構とすることも可能である。

次に、本発明の印刷動作に関して、図１〜図３を用いて説明する。

まず、基板搬入コンベア２５上に印刷対象物である基板５が搭載されると、基板搬入コンベア２５が駆動され、基板５は基板受け取りコンベア２６に移動する。基板受け取りコンベア２６は基板５が印刷テーブル１０上に至ると停止する。基板受け取りコンベア２６が停止すると、印刷テーブル１０が上昇して基板受け取りコンベア２６より基板５を印刷テーブル１０面上に受け取る。次に、ＣＣＤカメラ１５によって、基板５及びスクリーン２１面に設けられた位置合わせマークを撮像する。撮像したデータは印刷機制御部３０に送られ、そこで、それぞれのマーク位置座標を演算し、ずれ量を求める。求められたずれ量に応じてＸＹθテーブル１１を駆動して位置合わせを行う。位置合わせが終了すると、ＣＣＤカメラ１５をマスク２０の外に位置するように退避させる。ＣＣＤカメラ１５が退避後、印刷テーブル１０をさらに上昇させ基板５をスクリーン２１の裏面に接触させる。次にスクリーン２１の表面の片側（印刷開始位置）にペーストを供給する。その後、スキージヘッド２がペーストを内包する位置に移動させ、かつスキージ３がマスク２０の表面に接触しスキージに所定の圧が掛かるまで降下させる。

次に、スキージヘッド２内に負圧供給機構より負圧を供給する。スキージヘッド内部
１７が所定の負圧状態になると、印圧が規定の値になっているかどうかを確認し、所定の印圧であれば、スキージヘッド２の移動を開始してスクリーン２１に設けられている開口部にペーストを押し込む。なお、スキージヘッド２の移動に伴うスキージヘッド内の負圧の変動を少なくするために、移動中も負圧を供給し続ける。また、印圧が大きくなり過ぎている場合は、印圧シリンダ４にスキージを持ち上げる方向の力が作用するようにバック圧を加えて所定の印圧になるよう制御する。このような、印圧と負圧力の関係を、予め実験により求めて、記憶しておくことで、計測した負圧力に応じて適正な印圧に制御することも可能である。印圧を計測するために空圧シリンダとスキージヘッドの間に圧力センサを設けることで正確な印圧を計測することも可能である。

このスクリーン開口部に供給されたペーストは、スキージヘッド２が通り過ぎると大気圧９が直接加わり、さらにスクリーン開口部の基板側に押し付けられる。スキージヘッド２がスクリーン２１の所定領域を移動し終わると、スキージヘッド２への負圧の供給を停止し、スキージヘッド２を上昇させる。次に、印刷テーブル１０を降下させて基板面からスクリーン２１を剥すことによって基板５にペーストが転写される。その後、印刷テーブル１０をさらに降下させて、基板受け取りコンベア２６に基板５を受け渡す。基板受け取りコンベア２６は基板を受け取ると移動を開始して、基板５を基板搬出コンベア２７に受け渡す。基板５は基板搬出コンベア２７から次の工程に排出される。

以上のように、本発明の装置を用いて印刷することで、スキージヘッドでスクリーン開口部にペーストを充填した後、すぐに充填部に大気圧が加わるために、ペーストの流動性が大きいうちに大気圧が加わることになり、気泡が確実に除去される。そのため、印刷されたペーストに気泡の残留がなく、且つ微細な印刷も可能となる。

スクリーン印刷装置の全体構成を説明するための図である。 スキージヘッド部の断面図である。 スキージヘッド部の空圧制御系を説明するための図である。

符号の説明

１…スクリーン印刷機、２…スキージヘッド、３…スキージ、４…スキージ昇降機構
（印圧シリンダ）、５…基板、６…スキージ移動機構、８…排気配管、９…大気圧、１０…印刷テーブル、４６…真空ポンプ。

Claims (3)

1. テーブル上に載置された基板面上に所定パターンの開口部を形成したマスクを当接させて、マスク上面からスキージによって、前記開口を介して基板面にペーストを印刷するスクリーン印刷装置において、
   前記マスク上面の開口からペーストを供給するスキージヘッドを密閉型スキージヘッドとし、前記スキージヘッド内に負圧を供給する負圧供給機構を設けたことを特徴とする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、
   前記スキージヘッド内の負圧力を計測する圧力計を設け、前記圧力計の計測結果に応じて、スキージの印圧を制御する、印圧調整機構を備えたことを特徴とするスクリーン印刷装置。
3. テーブル上に載置された基板面上に所定の開口部を形成したマスクを当接させて、マスク上面から密閉型スキージヘッドを移動させて供給されたペーストを前記マスクの開口部に供給することで印刷を行うスクリーン印刷方法において、
   前記密閉型スキージヘッド内にペーストを供給すると共に、ヘッド内部を負圧状態にし、かつ前記負圧力に応じて印圧が一定になるように調整し、前記マスクの開口部をスキージヘッドが通過後に、前記開口部に大気圧が加わるようにしたことを特徴とするスクリーン印刷方法。
   

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