JP2011177937A

JP2011177937A - 印刷機、および、印刷方法

Info

Publication number: JP2011177937A
Application number: JP2010042281A
Authority: JP
Inventors: Masanori Ikeda; 政典池田; Sei Furuichi; 聖古市; Masahiro Taniguchi; 昌弘谷口; Yosuke Ozumi; 陽介八朔
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-15

Abstract

【課題】クリーム半田印刷機において、版抜け性を向上させる。
【解決手段】所定パターンの貫通孔１１０を有する薄い板状のマスク１０１を用いてクリーム半田を基板に印刷する印刷機１００であって、クリーム半田が充填されたマスク１０１に１．５ｋＨｚ以上、２０ｋＨｚ以下の低周波振動を印加する印加手段を備える。
【選択図】図１

Description

本願発明は、電気配線が表層に設けられたプリント基板などの基板の表面にいわゆるスクリーン印刷の技法を用いてクリーム半田を所定のパターンで印刷する印刷機、印刷方法に関する。特に、前記パターンに対応する貫通孔が設けられたマスクと基板とを離す際の技術に関する。

従来、基板の表面の所定の位置にクリーム半田を付着させる方法として、いわゆるスクリーン印刷の手法が用いられている。このスクリーン印刷は、次の様な工程を経て実現される。すなわち、基板にクリーム半田を付着させる位置と対応する位置に貫通孔が設けられた薄い板状のマスクを用い、当該マスクと基板とを密着させた状態で、前記貫通孔にクリーム半田を充填する。次に、基板とマスクとを離すことで、マスクと離れたクリーム半田が基板に付着した状態で残存する、つまり、マスクに設けられた貫通孔のパターンがクリーム半田により基板に転写された状態となる。これにより、基板表面の所望の位置にクリーム半田を付着させて印刷することができる。

近年、電子機器の小型化や高機能化が図られるにつれ、基板に取り付けられる部品も小型化され、高密度化が図られるに至っている。このため、クリーム半田を基板に転写するパターンであるマスクの貫通孔の開口面積も小さくなっている。このような場合、マスクにクリーム半田を充填した後、基板とマスクとを離す際に、クリーム半田の一部が基板に付着せずにマスクに残ってしまう問題が発生することがある。この現象は、版抜け性の悪化と称されている。

このような版抜け性の悪化を改善する方法としては、例えば特許文献１に記載される発明のように、クリーム半田が充填されたマスクに超音波振動を付加し、版抜け性を向上させる技術がある。また、特許文献２に記載のように、クリーム半田が充填されたマスクの近傍で、スピーカーなどで空気を振動させることで、音波を介してマスクを振動させて版抜け性を向上させる技術が開示されている。

特開平４−３５０９０号公報特開平１０−２０２８３４号公報

ところが、特許文献１に記載の発明のように、クリーム半田が充填されたマスクに直接超音波振動を付与する場合、マスクに設けられた貫通孔の位置や形状によっては超音波振動によりクリーム半田が飛び散ってしまうという問題が発生する。また、基板に接触しているマスクが超音波振動するため、基板とマスクとの間に発生する熱や、傷が製造工程や製品に悪影響を及ぼす懸念がある。

一方、特許文献２に記載の発明のように、空気の振動を介してクリーム半田が充填されたマスクを振動させる場合、剛性の高いマスクよりは粘性のあるクリーム半田がより強く振動すると考えられるため、マスクと基板との間に発生する熱や傷の問題を抑制することが可能と考えられる。しかし、空気を介して振動を付与しても、版抜け性の向上に寄与する量はわずかであり、投入するパワーに対して効果が少ないものと考えられる。

本願発明者らは、版抜け性向上のために実験と研究とを重ねた結果、クリーム半田自体の構造に着目し、版抜け性を向上させ、基板に対する影響を抑えることのできる振動数の範囲を見出すに至った。すなわち本願発明は、クリーム半田を基板にスクリーン印刷する印刷機や、当該印刷機を用いた印刷方法において、高い版抜け性能を備える印刷機、および、印刷方法の提供を目的としている。

上記目的を達成するために、本願発明にかかる印刷機は、所定パターンの貫通孔を有する薄い板状のマスクを用いてクリーム半田を基板に印刷する印刷機であって、クリーム半田が充填された前記マスクに１．５ｋＨｚ以上、２０ｋＨｚ以下の低周波振動を印加する印加手段を備えることを特徴としている。

前記振動数の範囲から選定される低周波振動をクリーム半田が充填されたマスクに印加することにより、粘性を有するフラックスに金属からなる半田粒子が分散状態で添加されているクリーム半田が比較的ゆっくりと揺れることになる。クリーム半田に当該揺れが発生すると、フラックス中の半田粒子が貫通孔の中央に集まり、マスクに近いクリーム半田の外層部の半田粒子の濃度が低下する、いわゆる液状化現象が発生する。これによりクリーム半田の外装部分の粘度が低下してマスクとの間の滑り係数が増加する。結果として、クリーム半田とマスクとの離れやすさである版抜け性能が向上する。

前記印加手段は、低周波振動を発生させる振動子であって、基板を挟んだ両側方にそれぞれ配置される第一振動子と第二振動子とを備えてもかまわない。

これにより、クリーム半田が広範囲にわたって充填された状態でも、広い範囲に点在するクリーム半田に全体にわたって低周波振動を作用させることが可能となる。

前記印加手段は、前記第一振動子と前記第二振動子とに異なる周波数の低周波振動を発生させる第一振動発生部と第二振動発生部とを備えることが好ましい。

これによれば、マスクに定常波が発生することを抑制して、マスク内の一の領域は、低周波振動の効果が高いが、他の領域は低周波振動の効果がほとんど無いような、マスク全体に低周波振動の効果のムラが発生することを抑制できる。

また、前記印加手段は、０．０５秒以上、１秒以下の範囲から選定される時間に低周波振動を印加する時間を制御する時間制御部を備えることが好ましい。

クリーム半田が充填されたマスクに低周波振動を印加する時間を前記範囲内の時間に制限することにより、クリーム半田の外層部の粘度を充分に低下させることができ、また、印刷工程のタクトタイムに及ぼす影響を抑制することが可能となる。

さらに、前記印加手段の低周波振動の印加終了を示す情報を取得した後、基板と前記マスクと引き離す離版手段を備えてもかまわない。

これによれば、低周波振動を印加している最中に基板からマスクを引き離すことにより、クリーム半田が飛び散ることを防止できる。また、クリーム半田の外層部の粘度が低い状態で基板からマスクを引き離すことが可能となる。

また、上記目的を達成するために、本願発明にかかる印刷方法は、所定パターンの貫通孔を有する金属製のマスクを用いてクリーム半田を基板に印刷する印刷方法であって、貫通孔にクリーム半田が充填された前記マスクに印加手段を用いて１．５ｋＨｚ以上、２０ｋＨｚ以下の低周波振動を印加し、前記低周波振動の印加終了後に基板からマスクを離すことを特徴としている。

本願発明によれば、クリーム半田を基板に印刷する印刷機、印刷方法において、クリーム半田とマスクとの離れやすさである版抜け性能を向上させることができ、マスクに設けられた貫通孔のパターン通りにクリーム半田を基板に付着させる転写性能を向上させることが可能となる。

印刷機の主要な部分を、一部を切り欠いて模式的に示す側面図である。印刷機の主要な部分を模式的に示す上面図である。印加手段を模式的に示す図である。クリーム半田が充填されたマスクの貫通孔部分を断面で模式的に示す側面図であり、（ａ）は、低周波振動が印加される前の図、（ｂ）は低周波振動が印加された直後の図、（ｃ）は、基板とマスクとが引き離されようとしている状態の図である。

次に、本願発明にかかる印刷機の実施の形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、印刷機の主要な部分を、一部を切り欠いて模式的に示す側面図である。

図２は、印刷機の主要な部分を模式的に示す上面図である。
これらの図に示すように、印刷機１００は、所定パターンにクリーム半田２１０を基板２００に印刷する装置であり、マスク１０１と、印加手段１０２と、離版手段１０３とを備えている。

マスク１０１は、所定パターンの貫通孔１１０を有する薄い板状の部材である。本実施の形態では、マスク１０１は、メタルマスクと称される金属製の薄い部材であり、周縁を枠体１１１によって保持されて平面が維持されるものとなっている。マスク１０１の厚みは、例えば５０μｍ〜１５０μｍ程度である。また、貫通孔１１０の開口部は、例えば直径が１８０μｍの円に内接する程度の矩形など、種々の形状の貫通孔１１０がマスク１０１には設けられている。また、マスク１０１は、枠体１１１により所定のテンションがかけられている。

図３は、印加手段を模式的に示す図である。
印加手段１０２は、マスク１０１に対し低周波振動を印加する装置である。本実施の形態の場合、印加手段１０２は、自ら振動してマスク１０１に振動を印加する振動子である第一振動子１２１と、第二振動子１２２とを備えている。また、印加手段１０２は、制御部１２０として、第一振動子１２１に低周波振動を発生させる第一振動発生部１２３と、第二振動子１２２に低周波振動を発生させる第二振動発生部１２４と、低周波振動を印加する時間を制御する時間制御部１２５とを備えている。

振動子の一つである第一振動子１２１は、電気的な振動を物理的な振動に変換する変換素子であり、例えば、音響スピーカーに用いられる圧電セラミクス振動子を挙示することができる。圧電セラミクス振動子からなる第一振動子１２１は、５ｋＨｚまで振動周波数を任意に調節可能であり、また、音圧も５ｄｂ程度まで任意に調節可能であり、印刷機１００に好適に採用しうる。

振動子の一つである第二振動子１２２は、第一振動子１２１と同様である。
本実施の形態の場合、第一振動子１２１と第二振動子１２２とは、マスク１０１と基板２００とが接する側における基板２００を挟んだ両側方にそれぞれ配置されている。また、基板２００は、後述の規制プレート１３１に挟まれているため、第一振動子１２１や第二振動子１２２により発生する低周波振動が規制プレート１３１によって邪魔されること無く全てのクリーム半田に行き渡るように、第一振動子１２１と第二振動子１２２とは、基板２００の搬送方向Ａ（図２参照）に直交する方向を規制する規制プレート１３１の並び方向とは交差する方向に基板２００を挟んで並ぶように配置されている。また、第一振動子１２１と第二振動子１２２とは、基板２００を搬送するための搬送レールの並び方向とは交差する方向に基板２００を挟んで並ぶように配置されていてもよい。また、スキージ１０４（図１参照）などとの干渉を避けるため、第一振動子１２１と第二振動子１２２とは、基板２００と接する側であるマスク１０１の下面に接触状態で配置されている。

なお、振動子はマスク１０１に直接接触することに限定されるものではなく、例えば、振動子は、枠体１１１を介してマスク１０１に低周波振動を印加するものでもよい。また、マスク１０１の厚さ方向に振動子の振動方向を向けてもよく、マスク１０１の厚さ方向と交差する方向（マスク１０１の端面方向）に振動子の振動方向を向けてもよい。

振動発生部の一つである第一振動発生部１２３は、第一振動子１２１を振動させるための電気信号を発生させる装置である。第一振動発生部１２３は、１．５ｋＨｚ以上、２０ｋＨｚ以下の範囲から選定される低周波の電気信号を発生させ、第一振動子１２１に低周波振動を発生させるものである。第一振動発生部１２３としては、具体的には、所定の波形で電圧を発生させることのできる発信器等である。

なお、第一振動発生部１２３は、発生する電気信号の周波数を任意に変更できる機能を備えていてもよく、また、固定的に単一の周波数の電気信号を発生させるものでもよい。また、第一振動発生部１２３は、発生する電気信号のパワーを任意に変更できる機能を備えていてもよく、また、固定的に単一のパワーの電気信号を発生させるものでもよい。

振動発生部の一つである第二振動発生部１２４は、第二振動子１２２を振動させるための電気信号を発生させる装置であり、機能や構成は第一振動発生部１２３と同様である。

時間制御部１２５は、第一振動発生部１２３や第二振動発生部１２４を制御して、第一振動子１２１や第二振動子１２２が振動を開始してから終了するまでの発信時間を第一振動発生部１２３や第二振動発生部１２４を制御することにより決定する装置である。時間制御部１２５は、０．０５秒以上、１秒以下の範囲から選定される時間に前記発信時間を制御することが可能なものとなっている。なお、時間制御部１２５は、制御できる発信時間を任意に変更できる機能を備えていてもよく、また、固定的に単一の発信時間で制御するものでもよい。

離版手段１０３は、図１に示すように、基板２００とマスク１０１とを引き離す装置である。本実施の形態の場合、離版手段１０３は、基板２００を引き下げることで、固定的に配置されるマスク１０１からそれに接触している基板２００を引き離すものとなっている。離版手段１０３は、駆動手段（図示せず）で駆動するものとなっており、印加手段１０２から送信される低周波振動の印加終了を示す情報を取得した直後に離版手段１０３が駆動するものとなっている。離版手段１０３は、テーブル１３０を介して基板２００を保持しており、搬送手段（図示せず）によりテーブル１３０上に載置された基板２００とマスク１０１とが密着するように、基板２００を上昇させる機能も備えている。

テーブル１３０は、基板２００を載置することのできる台であり、載置された基板２００を挟持する規制プレート１３１が上面に設けられている。規制プレート１３１は、搬送装置（図示せず）により搬送されテーブル１３０上に載置された基板２００を側方からクランプする機能を備えており、また、基板２００とマスク１０１との位置関係が所定の関係となるよう、基板２００を位置決めする機能も備えている。

次に、本願発明にかかる印刷方法の実施の形態を説明する。
搬送装置（図示せず）により基板２００がテーブル１３０の上面に配置される。次に、規制プレート１３１により基板２００をクランプし基板２００をテーブル１３０に固定すると共に、テーブル１３０に対する位置決めを行う（配置工程）。

次に、離版手段１０３により基板２００とマスク１０１とを密着させる。本実施の形態の場合、離版手段１０３は、基板２００をテーブル１３０を介して上昇させマスク１０１の下面に密着させる（密着工程）。

次に、マスク１０１の上面の周縁部の一方に所定量のクリーム半田２１０を乗せる。続いて、スキージ１０４と称されるゴム製等のへら（図示せず）でマスク１０１の上面を擦りながらクリーム半田をマスク１０１の他方に向かって移動させる。これにより、マスク１０１に設けられた貫通孔１１０にクリーム半田が充填される（充填工程）。

ここでクリーム半田とは、半田の粒子がフラックスに分散状態で含有されている物質であり、例えば粒径が２０μｍ以下の半田が含有されるクリーム半田が用いられている。また、貫通孔１１０の開口部の面積が小さい場合などは、粒径が１０μｍ以下の半田が含有されるクリーム半田が採用されるなど、印刷条件によって好適なクリーム半田２１０が適宜選択される。

次に、印加手段１０２を用いてマスク１０１に低周波振動を印加する（印加工程）。本実施の形態の場合、第一振動子１２１がマスク１０１に印加する低周波振動の周波数と第二振動子１２２がマスク１０１に印加する低周波振動の周波数とは異なるものとしている。具体的には、第一振動子１２１が印加する低周波振動の周波数は、２．８ｋＨｚとし、第二振動子１２２が印加する低周波振動の周波数は、３．０ｋＨｚとしている。つまり、第一振動子１２１が印加する周波数と第二振動子１２２が印加する周波数との差は２００Ｈｚ程度となっている。また、低周波振動の印加時間は０．２秒としている。

このように、複数の振動子を用いてマスク１０１に低周波振動を印加することで、基板全体にわたってマスク１０１を容易に振動させることが可能となる。また、同時に印加する周波数を異なるものとすることで、共振により振動が相殺されたり、部分的に振動が強調されたりすることを回避できる。二つの周波数の差は２００Ｈｚ程度が好適であると考えるが、マスク１０１の大きさや材質、テンションにより適宜変更することが好ましい。さらに、貫通孔１１０の形状によっては、特定の周波数の振動では、クリーム半田の外層部の粘度を低下させる効果が有効に発揮できない場合があるため、異なる周波数の低周波振動を印加することでこのような問題も回避することが可能となる。

図４は、クリーム半田が充填されたマスクの貫通孔部分を断面で模式的に示す側面図であり、（ａ）は、低周波振動が印加される前の図、（ｂ）は低周波振動が印加された直後の図、（ｃ）は、基板とマスクとが引き離されようとしている状態の図である。

同図（ａ）に示すように、低周波振動を印加する前は、マスク１０１の貫通孔１１０に充填されているクリーム半田２１０は、半田粒子２１１がフラックス２１２の中で均等に分散している状態である。この状態では、クリーム半田２１０全体の粘度は均等であり、この状態で基板２００とマスク１０１とを引き離すと、マスク１０１にクリーム半田２１０の一部が付着した状態となる可能性が高い。

次に低周波振動をマスク１０１に印加すると、同図（ｂ）に示すように、半田粒子２１１が貫通孔１１０の中央部Ａに集合していく。これは、半田粒子２１１がフラックス２１２に比べて硬質で密度が高く、半田粒子２１１が低周波振動により大きく揺さぶられるためだと考えられる。つまり、貫通孔１１０に充填されたクリーム半田２１０において液状化現象が発生したものと考えられる。これによりクリーム半田２１０の外層部Ｂは、低周波振動の印加前に比べて半田粒子２１１の濃度か低くなり、粘度が低下する。

次に、印加手段１０２は、低周波振動の印加終了を示す情報を送信し、当該信号を離版手段１０３が取得した直後、離版手段１０３は、同図（ｃ）に示すように、基板２００を降下させ、基板２００とマスク１０１とを引き離す（離版工程）。

離版工程において、クリーム半田２１０の外層部Ｂは、粘度が低いため、マスク１０１の貫通孔１１０の内周壁とのすべり係数は増加していると考えられる。一方、中央部Ａは、粘度が高いため、基板２００とより強く付着していると考えられる。従って、基板２００とマスク１０１とを引き離すと、クリーム半田２１０のほとんどが基板２００に残存する。つまり、いわゆる版抜け性が向上する。しかもマスク１０１とクリーム半田２１０との摩擦力が低下しているため、基板２００に残存しているクリーム半田２１０の形状は、マスク１０１の貫通孔１１０に充填されていた状態のクリーム半田２１０の形状とほとんど変わらない。

なお、クリーム半田２１０は、低周波振動の印加が終了（停止）した直後から、半田粒子２１１の濃度が均等になるように半田粒子２１１が移動すると考えられる。従って、印加手段１０２による低周波振動の印加終了直後に離版工程を開始することが好ましい。なお、低周波振動を印加しながら離版工程を行うと、クリーム半田２１０が飛び散ったり、異常な形状でクリーム半田２１０が基板２００に付着したりするため好ましくない。

次に基板２００とマスク１０１とを引き離す離版工程が終了すると、規制プレート１３１による基板２００の挟持を開放し、基板２００をテーブル１３０から搬出する。

以上によって、基板２００の表面には、マスク１０１に設けられた貫通孔１１０のパターン通りにクリーム半田２１０が転写される。しかも、マスク１０１の厚みに対して貫通孔１１０の開口面積が小さい場合でも、充分にクリーム半田２１０を転写することが可能である。例えば、微小チップ部品である１００５や、０６０３や、０４０２等に対応する貫通孔１１０が存在していても、安定して高い版抜け性を得ることができる。

また、本願発明にかかる印刷機や印刷方法を採用すれば、大気に長時間晒された後のクリーム半田２１０を利用する場合においても、高い版抜け性を確保することができるため、クリーム半田２１０の廃棄量を低減することが可能となる。

なお、本願発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて実現される別の実施の形態を本願発明の一例としてもよい。また、上記実施の形態に対して本願発明の主旨、すなわち、特許請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本願発明に含まれる。例えば、印加手段１０２は、少なくとも一つ振動子を備えればよく、また、直接マスク１０１に低周波振動を印加するのではなく、間接的に低周波振動を印加するものでもよい。

また、「密着」などの文言は本願発明の趣旨を逸脱しない程度の誤差を許容する意味で使用している。

本願発明は、プリント配線基板に電子部品を実装する実装工程に用いられるクリーム半田の印刷機などに利用可能である。

１００印刷機
１０１マスク
１０２印加手段
１０３離版手段
１１０貫通孔
１１１枠体
１２０制御部
１２１第一振動子
１２２第二振動子
１２３第一振動発生部
１２４第二振動発生部
１２５時間制御部
１３０テーブル
１３１規制プレート
２００基板
２１０クリーム半田
２１１半田粒子
２１２フラックス

Claims

所定パターンの貫通孔を有する薄い板状のマスクを用いてクリーム半田を基板に印刷する印刷機であって、
クリーム半田が充填された前記マスクに１．５ｋＨｚ以上、２０ｋＨｚ以下の低周波振動を印加する印加手段
を備える印刷機。
前記印加手段は、
低周波振動を発生させる振動子であって、基板を挟んだ両側方にそれぞれ配置される第一振動子と第二振動子とを備える
請求項１に記載の印刷機。
前記印加手段は、
前記第一振動子と前記第二振動子とに異なる周波数の低周波振動を発生させる第一振動発生部と第二振動発生部とを備える
請求項２に記載の印刷機。
前記印加手段は、
０．０５秒以上、１秒以下の範囲から選定される時間に低周波振動を印加する時間を制御する時間制御部を備える
請求項１に記載の印刷機。
さらに、
前記印加手段の低周波振動の印加終了を示す情報を取得した後、基板と前記マスクと引き離す離版手段を備える
請求項１に記載の印刷機。
所定パターンの貫通孔を有する金属製のマスクを用いてクリーム半田を基板に印刷する印刷方法であって、
貫通孔にクリーム半田が充填された前記マスクに印加手段を用いて１．５ｋＨｚ以上、２０ｋＨｚ以下の低周波振動を印加し、
前記低周波振動の印加終了後に基板からマスクを離す
印刷方法。