JP2009083443A - ペースト状材料充填用スキージ、ペースト状材料充填方法、及びペースト状材料充填装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックグリーンシートへのビア充填印刷において、充填パターン形状（充填径、充填凹み）ばらつきの少ない印刷方法を提供する。
【解決手段】セラミックグリーンシートのビア充填印刷に使われる一対のスキージ２ａ，２ｂは、剣先角が１１０度〜１３０度で、スキージ２ａ，２ｂとペースト状材料４に接触する側のスキージ面がマスク２となす角が２０度〜４０度である剣スキージ２ａ，２ｂであり、印刷面に対してスキージ２ａ，２ｂの軸３が垂直或いは傾斜して取付けられている。剣先角とアタック角の組合せを設定することでスキージ２ａ，２ｂに印加される圧力による剣先の変形が抑制され、印刷後の充填パターン（ペーストが充填されたビアの正味の直径や、グリーンシート面とビア充填部のペースト面との段差）の寸法変動が抑えられる。
【選択図】図１

Description

この発明は各種の電子機器に使用される両面あるいは多層配線基板などを製造する際に用いられ、ビア孔へペースト状材料を充填するペースト状材料充填用スキージ、ペースト状材料充填方法、及びペースト状材料充填装置に関するものである。

近年、多層配線基板では特に高密度化が進展し、それにともない層間接続のためのビア孔は微小化しており、導電性のペースト状材料を用いて微小ビア孔に導電性ペースト状材料を充填する場合には、特にビア孔への導電性ペーストの充填率が接続抵抗値へ大きく影響する。即ち、ペーストが基板表面まで十分充填されている場合は層間の接続は得られるが、ペーストが基板表面よりくぼんだ状態では層間の接続抵抗は高くなる。ビア孔が微小化すればするほど、充填率の接続抵抗値への影響度はさらに大きくなる。

このような背景の下で、従来、基材と接触する角部が尖っているか、或いは小さなＲ形状を有するスキージで充填動作をした後、少なくとも充填動作での角部より大きく丸めたＲ形状のスキージで掻き取り動作をさせることにより、微小ビア孔に導電性ペーストを充填するスキージ及びペースト充填方法が提案されている（特許文献１参照）。

また、スキージの先端が尖った剣スキージを使用し、剣スキージとペースト材料に接触する側のゴムスキージ面が、印刷用マスクに対して３０〜４０度傾けたビア印刷方法が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００４−１７３７４号公報（要約の欄、図１） 特開２０００−１３３９３４号公報（段落００１３、図２）

上記特許文献１に開示された微小ビア孔へのペースト充填においては、スキージ基材と接触する角部を丸めていることでビア孔内のペースト表面をえぐり取らないため、微小ビア孔に十分なペースト量を充填できるとしている。しかし、例えば、１００〜２００μｍ程度の直径を基材であるグリーンシートへ開けたビア孔へのペースト充填では、充填後のビア孔部の凹みは、複数回の印刷を行わなければ、ペースト充填量が少なく充填後のビア孔部での凹みが大きくなる。

充填後のビア孔部の凹みが大きいとビア孔部での配線の接続不良の原因となり、所定のペースト充填量を実現するために印刷回数を増やすと、生産性の低下をもたらす。また、印刷回数の増加は、ペーストがマスクの裏面へ回り込むことを早め、印刷されるパターンに対してはビア孔径の増大（滲み）が起こり、印刷品質を低下させてしまうといった課題がある。

また、特許文献２に開示されたペースト充填方法は、スキージとして剣スキージを使用し、剣スキージをマスク面に対して、傾けて取付けることによりペーストのローリング性を促し、ペースト充填性を向上させる方法である。しかし、この方法では、マスク面に対してスキージを傾けて取付けることにより充填性は向上するが、充填されたビア孔部の形状に対しては、印刷（充填）時のスキージへ印加される圧力が、スキージの傾斜分だけ掛かり難く、充填されたビア孔形状にバラツキが発生するといった問題がある。また、形状のばらつき抑制に対しては、印刷時の圧力（スキージ圧）が掛かり難くなっており、加えてスキージがスキージ圧によって変形し、充填されるパターン形状（ビア孔径、ビア孔凹み量）にばらつきが発生するといった課題がある。

この発明は上記課題を解決するために成されたもので、その目的とするところは、基材に形成されたビア孔に均一にペーストを充填するペースト状材料充填用スキージを提供することである。

また、もう一つの目的は、基材に形成されたビア孔へのペースト充填品質の安定性を向上させるペースト状材料充填方法、及びペースト状材料充填装置を提供するものである。

この発明に係るペースト状材料充填用スキージは、基材上にマスクを介してペースト状材料を印刷する際に用いられるペースト状材料充填用スキージであって、基材と接するスキージの剣先角を１１０度〜１３０度にすると共に、スキージのペースト状材料に接触する側のスキージ面とマスクとのなす角を２０度〜４０度にしたものである。

また、別の発明に係るペースト状材料充填方法は、予めビア孔が形成された基材にマスクを介してペースト状材料をスキージにより充填するペースト状材料充填方法であって、基材と接するスキージの剣先角を１１０度〜１３０度にすると共に、ペースト状材料に接触する側のスキージ面とマスクとのなす角を２０度〜４０度にしたスキージを少なくとも２本一定間隔で平行に配置し、マスク表面上に置かれたペースト状材料に対して各スキージを往復させることによりビア孔にペースト状材料を充填するものである。

更に、別の発明係るペースト状材料充填装置は、予めビア孔が形成された基材にマスクを介してペースト状材料をスキージにより充填するペースト状材料充填装置であって、基材を保持する基台と、基台に対して上下方向並びにペースト状材料の充填方向に相対移動可能に並設された第１及び第２の支持体と、第１及び第２の支持体を基台に対して上下方向及びペースト状材料の充填方向に相対移動させる駆動手段と、第１及び第２の支持体のそれぞれに取付けられ、基材と接するスキージの剣先角を１１０度〜１３０度にすると共に、ペースト状材料に接触する側のスキージ面とマスクとのなす角を２０度〜４０度にしたスキージと、を備えたものである。

この発明に係るペースト状材料充填用スキージによれば、基材に形成されたビア孔に均一にペースト状材料を充填することができる。

また別の発明に係るペースト状材料充填方法、ペースト状材料充填装置によれば、基材に形成されたビア孔へのペースト状材料充填品質の安定性を向上させることができる。

以下、この発明に係るペースト状材料充填用スキージ、ペースト状材料充填方法、及びペースト状材料充填装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係るスキージ１を示すもので、この図では、スキージ１がマスク２と接触する部位が分かるように、模式図として示されており実寸法とは異なっている。スキージ１は、マスク２に対してスキージ軸３を垂直に配置した場合、スキージ１の断面形状が、図１のようにマスク２となす角が左右異なる形状に構成されている。この断面形状をしたスキージ１を後述する図２に示すように、一定の距離で２本離間させて配置している。

図１に示すように、マスク２に対してスキージ軸３を垂直にした状態でスキージ１がペースト４（図２参照）と触れる側の面とマスク２との成す角をφａ（接触角と称す）、スキージ１がペースト４に触れない側の面とマスク２との成す角をφｂ（反接触角と称す）と定義するとスキージ剣先角は、｛１８０−（φａ＋φｂ）｝（度）を指す。

発明者が実験に使用したスキージ１は、スキージ１の印刷方向に平行な寸法（肉厚）が５〜１０（ｍｍ）、スキージ１のゴム硬度は７０±５（度）であった。また、使用した印刷機は、ワークを乗せ真空吸着するステージ、複数のＣＣＤカメラでワークに形成したアライメントマークを観察、認識し、位置を記憶する機能を有するシステムであり、前記ステージをマスクがセットされた位置まで往復移動させるために必要な駆動系、マスクがセットされている位置でステージを昇降させる機構、一定の圧力を印加させる機構のついたスキージを搭載するためのスキージヘッド、スキージヘッドを印刷方向に平行な向きに前後往復させる駆動系のついた設備である。

図２は充填時のスキージ動作を示す図である。図２（ａ）は第１及び第２のスキージ１ａ，１ｂの往き動作を示す図であり、図２（ｂ）は第１及び第２のスキージ１ａ，１ｂの戻り動作を示す図である。ペースト４より後方から、第１の支持体であるホルダ５ａに固定された第１のスキージ１ａは、マスク版枠６に支持されたマスク２に下り、一定の圧力（０．２５±０．０５（ＭＰＡ））が印加されペースト４を充填方向に押し出しながら１００（ｍｍ／ｓ）程度の定速度で進行する。この間、第２の支持体であるホルダ５ｂに固定された第２のスキージ１ｂはマスク２に接触していない。

パターン形成領域を超えて一定長さを移動した後、充填に寄与していた第１のスキージ１ａは上昇し、変わってマスク２に触れていなかった側の第２のスキージ１ｂがマスク２に下り、往きと同じ圧力値の一定圧力が印加されペースト４を押し出しながら戻りの方向に往きと同じ定速度でスキージが移動する。これらの動作を経て、ビア孔（図示せず）へのペースト充填が完了する。

ビア孔への充填に用いたペースト４は、８０〜８５重量％の銀を含有する導体ペーストであり、ブルックフィールド粘度計（回転速度１０（ｒｐｍ））で測定されたペースト粘度は３５０〜４５０（Ｐａ・ｓ）である。ビア孔充填に用いた基材はサイズが縦２００ｍｍ、横２００ｍｍのセラミックグリーンシートであり、セラミック層の厚さが５０〜１００（μｍ）である。基材に開けられたビア孔の寸法は直径１００〜２００（μｍ）の円柱であり、ビア孔間の最小間隔（ピッチ）が３００〜４００（μｍ）で、ビア孔数は４０,０００〜５０，０００個である。

このグリーンシートに対して接触角φａを固定して反接触角φｂを変え、剣先角を変えたスキージを準備してビア充填印刷を行った。使用したマスク２は、メタルマスクであり板厚は０．０３〜０．０５（ｍｍ）である。

図３は、充填方向が往きの場合で充填時のスキージ剣先の拡大図を示すものである（ここでは、接触角φａ＝４０°、反接触角φｂ＝２０°とした）。ワークは印刷機のステージ７上に数１０μｍ程度の薄いフィルム状シート８を載せ、その上にセラミックグリーンシートのセラミック層９、キャリアフィルム層１０の順で乗せ、一定の隙間（０．５±０．２５（ｍｍ））を空けてマスク２の孔部２ａとセラミックグリーンシート側のビア孔が重ね合わされて、ペーストが充填される形になっている（図３ではペーストを図示せず）。ステージ７上に薄いフィルム状シート８を載せるのは、充填されたペースト付着がステージ７上に残るのを防ぐためである。キャリアフィルム層１０側からペーストを充填するのは、マスク２の裏回りにより発生する充填部の滲みをセラミック層９の表面に発生させないようにするためである。

印刷条件パラメータは、スキージ圧、スキージ速度、充填時のマスク面とワーク面との間の隙間（ギャップ）であるが、基本条件を予め次の通り設定して、スキージ剣先の形状の影響が充填状態に与える影響を調べた。

作製したスキージ剣先の状態、スキージ軸３とマスク２が成す角を垂直とし、アタック角を４０°と固定して剣先角を変えて、充填した結果を表１に示す。充填結果は、充填径（平均、標準偏差）、充填凹み（平均、標準偏差）量を測定し、評価した。表１中の充填径は、ペースト充填された孔径の平均を、予めセラミックグリーンシート上に明けられた孔径で割った規格値を示し、充填径の欄で３σは、充填径の標準偏差を予めセラミックグリーンシート上に開けられた孔径で割った値を３倍した値である。

充填径（規格値）は、マスク版との重ね合わせの関係上、１より大きくなるが、１に近いほど理想的な充填状態と考えられる。実際は、マスク版とのアライメント精度上、１より若干大きめになるのが通常である。充填凹み平均は小さいほどグリーシート面と充填部の高さ差が少ないことを示すが、充填凹みばらつき（３σ）が小さいほど一様な充填形状である。

充填状態は、印刷回数２回で所望のビア孔への充填量を確認したため、印刷回数は２回（一往復）に固定してサンプル作製した。図４に示すように充填径は、ビア孔１１に対してペーストが充填された状態のビアの直径１１ｐを測定した結果である。充填凹みは、グリーンシート面からペースト充填部の高さ差１２を測定した結果を示している。測定点はパターン領域を包含する全領域からモニターとして複数点（３０〜６０点）を抽出した。

＜スキージ剣先角と充填形状＞
表１において、Ｎｏ.１からＮｏ．５のサンプルは、充填時にスキージがペーストと接触しない側の反接触角φｂの影響を調べるために作製したサンプルである。充填径の平均は反接触角φｂの大小に依らず１．２６〜１．３１と殆ど変化が無いが、充填径標準偏差σの変化は反接触角φｂの減少と共に小さくなっており、僅かであるが改善傾向にある。一方、充填凹みは、標準偏差σが反接触角φｂを小さくすることで急激に小さくなり、ばらつきは改善されることが分かる。

ここで充填凹みは、グリーンシート面を高さ原点として、凹み（Ｚ軸で言えば負の方向での値になる）で定義されている。例えば、Ｎｏ.１とＮｏ.２のサンプルの場合、充填凹みは、凹みばらつき（平均±３σ）の範囲で充填箇所がグリーンシート面より２０μｍ以上に高くなる場合が出てくる。即ち、充填部でのペースト盛り上がりによる段差が発生し、次工程の印刷（１回印刷）で覆い不可な高さ差のため、この段差は、配線接続部の断線要因となる。

一方、Ｎｏ.３からＮｏ.５のサンプルの場合は、凹みばらつき（平均±３σ）の範囲で充填部がグリーンシート面より盛り上がっても１０μｍ未満で、充填部の盛り上がりは後工程の印刷で許容可能な範囲にある。即ち、充填部で凹凸の少ない一様な状態で充填できることを示唆している。これは、スキージ剣先角が一定角度より大きくなると、充填状態、特に凹み値がばらつき少なく安定して形成されることを示している。剣先角の増加は、印刷時に印加されるスキージ圧に対して、スキージの機械的な強度が向上することでスキージ先端の変形が抑制された結果と考えられる。

ここで、アタック角φa、反接触角φｂは研磨機の加工精度上、設定値に対して±５度の誤差が含まれることから、仕様上５度の設定が考えられる。但し、Ｎｏ.１からＮｏ.５のサンプルの場合、５度の設定に対して反接触角φｂは、零になることが考えられる。これは、スキージ先端が面でマスク面と接触することになり、スキージ動作に障害が発生するため、本配置での充填動作では使用できない。従ってアタック角φａ、反接触角φｂの実効的な設定角は５度より大きな角度設定しか有り得ない。アタック角φａが４０度の場合、剣先角度は１３５度未満が実用可能な最大角となる。

充填凹みのばらつき（平均値−３σから平均値＋３σ）の範囲で、充填凹み部がグリーンシート面より許容範囲以上に高くならないスキージの剣先角範囲を充填用スキージ形状の適正範囲と考えれば、スキージ剣先角は１１０〜１３０度の範囲で充填状態は安定域になる。さらに好ましくは１２０°〜１３０度の範囲で充填状態は安定化する。

＜アタック角と充填形状＞
Ｎｏ.７からＮｏ.１０のサンプルは、アタック角が充填形状に及ぼす影響を調べたもので、その結果を表２に示している。何れも印刷回数は２回（一往復）に固定した。スキージの剣先仕様で剣先角は一定（９０度）にして、剣先角の大小が充填性に与える影響を取り除いて調べている。

印刷時のスキージの変形に対しては、最も厳しい条件（変形し易い）に相当する。表２中の充填径は、ペースト充填された孔径の平均を、予めセラミックグリーンシート上に開けられた孔径で割った規格値を示し、充填径の欄で３σは、充填径の標準偏差を予めセラミックグリーンシート上に開けられた孔径で割った値を３倍した値である。

結果の通り、アタック角３０度から５０度の範囲で充填状態（充填径、充填凹み）は大きな変化が無く充填できることを確認した。アタック角が３０度より小さいケースとしては、Ｎｏ.１０のサンプルの取付角７０度、接触角４０度、反接触角５０度（アタック角は２０度に相当）の充填を行ったが、ビア孔へのペースト充填抜けが多発してしまい、充填条件としては不適切であった。表２中のサンプルＮｏ.１０の欄で「−」は算出不能を意味している。

サンプルＮｏ.６は、アタック角が５０度より大きなケースとして、アタック角７０度の場合での充填結果を示したものである。サンプルＮｏ.７からＮｏ.９の充填状態に比較して、充填状態は良好でない。即ち、充填径は、ばらつき（充填径±３σ）を含めると充填径が１より小さくなる場合が発生する。即ち、充填不足が発生することを示唆している。更に、充填凹み平均は大きく、且つ充填凹みのばらつき（３σ）も大きい。

Ｎｏ.６のサンプルで充填状態をサンプルＮｏ.１からＮｏ.５並の充填量を実現するには、印刷回数を４回以上に増やす必要があった。印刷回数を増やした結果、充填径平均は１．１５から１．４へ増加し、充填時の滲みは印刷回数２回の場合に比較して５〜１３％増加したが、重ね印刷の結果、充填径の３σが拡がる結果になった。表３は、剣先角の大小を変えてアタック角の充填性に与える影響を調べた結果を示すものである。スキージ１は表１の実験で用いたスキージ１を使って表１の反接触をアタック角側に使って変化の大きな充填凹みに着目して調べた。

表３より、剣先角によってアタック角が小さい２０〜４０度の範囲でも充填凹み３σの変動が少ないことが分かった。これは、スキージ剣先角が一定値以上になるとスキージ剣先の変形し難くなり充填状態が安定化することを示唆する結果と言える。

アタック角１０度より小さい場合は、剣先角１００〜１３０度の範囲では、スキージ稼動範囲が印刷範囲を超過する取付角の制約からデータが無いが、剣先角９０度の場合におけるアタック角２０度の結果が、これに近い現象を説明している。即ち、剣先の変形により設定の２０度より小さい角度になっていることが推測され、アタック角が零に近づくと充填性（充填抜け）は劣化することから、アタック角１０度未満では安定した充填は不可能と結論した。

以上の結果から、実施の形態１に係るスキージ、スキージ配置を用いたアタック角の適正条件範囲として２０度以上５０度以下、好ましくは２０度以上４０度以下とした。

＜スキージ取付角と充填形状＞
スキージ取付角と充填状態の変化を調べるために、図５に示すスキージ配置について充填状態を調べた。このスキージ剣先は、実施の形態１に係るスキージ剣先を一定の取付角度（９０−ψ）だけ傾斜して配置した傾斜取付けのケースと実施の形態１による垂直取付けのケースとの充填状態の比較を行うのが目的である。表１、表２に上げているサンプルＮｏ.１とＮｏ.８が事例として対応する。これを表４に抜粋した。

両者とも使用するスキージは剣先角度を９０度として揃えている。充填径に関しては、平均並びにばらつき（３σ）とも差異は認められなかった。充填凹みに関しては、平均は差異ないものの、ばらつき（３σ）に違いが確認される。即ち、取付角９０°の場合の充填凹みばらつきは、取付角８０°の場合の充填凹みばらつきの半分に改善されている。充填形状に関して、９０°取付けの優位性が示唆される結果である。

充填凹みに関しては、φｂ側をアタック角側にしてスキージ１を１０度傾けた場合（取付角は８０度）、充填凹み標準偏差は基本印圧条件値に対して±１０％の条件変動に対して一定であった。一方φａ側をアタック角側にして、スキージを垂直に配置して充填した場合、充填凹み標準偏差は、基本印圧条件値に対して、±２０％の条件変動に対して一定であった。

これより、傾けてスキージを配置して充填した場合に比べ、垂直に配置して充填した場合の方が充填条件マージンは、２倍に広がり充填マージンの拡大が確認され、傾斜配置よりも垂直配置の有用性が確認された。

以上のように、実施の形態１に係るペースト状材料充填用スキージ、ペースト状材料充填方法、及びペースト状材料充填装置によれば、剣スキージでペーストと接触しない側の角度とペーストと接触する側の角度との関係を規定することで、剣スキージを適用した場合に発生するスキージの変形から生じる充填後の形状ばらつき（充填径、充填部の凹み）を抑える効果がある。

また、スキージ圧力がスキージの変形を押さえた形で効果的に供給されることで、印刷条件マージンが拡がる効果がある。

更に、スキージ形状を適正化した剣スキージをマスク面に対して垂直に取付け、ペースト状材料に接触する側のゴムスキージ面と前記マスク版との間になす角が印刷時のアタック角になることで、印刷領域の拡大に対しても印刷ストローク（印刷距離を指し、所定の印刷範囲＋助走距離を意味する。）を傾斜配置スキージの場合より小型のマスクで実現可能となる。これに付随して、マスクの保守管理も大型マスクに比較して安定化する利点もある。

この発明に係るペースト状材料充填用スキージ、ペースト状材料充填方法、及びペースト状材料充填装置は、各種の電子機器に使用される両面あるいは多層配線基板などの製造に利用できる。

この発明の実施の形態１に係るペースト状材料充填用スキージを説明するための断面図である。 この発明の実施の形態１に係るペースト状材料充填装置によるペースト充填動作を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１に係るペースト状材料充填用スキージとペースト充填方法を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係るペースト充填形状を説明する図である。 スキージを傾斜取付けした場合のスキージ剣先の断面図である。

符号の説明

１ スキージ
２ マスク
３ スキージ軸
４ ペースト
５ａ 第1のホルダ
５ｂ 第２のホルダ
６ マスク版枠
７ 印刷機のステージ
８ フィルム状シート
９ セラミック層
１０ キャリアフィルム層
１１ セラミック層のビア直径
１１ｐ 充填径
１２ 充填凹み

Claims (3)

1. 基材上にマスクを介してペースト状材料を印刷する際に用いられるペースト状材料充填用スキージであって、
   上記基材と接する上記スキージの剣先角を１１０度〜１３０度にすると共に、上記スキージの上記ペースト状材料に接触する側のスキージ面と上記マスクとのなす角を２０度〜４０度にしたことを特徴とするペースト状材料充填用スキージ。
2. 予めビア孔が形成された基材にマスクを介してペースト状材料をスキージにより充填するペースト状材料充填方法であって、
   上記基材と接する上記スキージの剣先角を１１０度〜１３０度にすると共に、上記ペースト状材料に接触する側のスキージ面と上記マスクとのなす角を２０度〜４０度にしたスキージを少なくとも２本一定間隔で平行に配置し、上記マスク表面上に置かれた上記ペースト状材料に対して上記各スキージを往復させることにより上記ビア孔に上記ペースト状材料を充填することを特徴とするペースト状材料充填方法。
3. 予めビア孔が形成された基材にマスクを介してペースト状材料をスキージにより充填するペースト状材料充填装置であって、
   上記基材を保持する基台と、
   上記基台に対して上下方向並びに上記ペースト状材料の充填方向に相対移動可能に並設された第１及び第２の支持体と、
   上記第１及び第２の支持体を上記基台に対して上下方向及び上記ペースト状材料の充填方向に相対移動させる駆動手段と、
   上記第１及び第２の支持体のそれぞれに取り付けられ、上記基材と接する上記スキージの剣先角を１１０度〜１３０度にすると共に、上記ペースト状材料に接触する側のスキージ面と上記マスクとのなす角を２０度〜４０度にしたスキージと、
   を備えたことを特徴とするペースト状材料充填装置。

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