JP2014184574A - マスク印刷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 段差のある回路基板の夫々の印刷面に、同時に所定のパターンをマスク印刷することを課題とする。
【解決手段】 立体形状に形成したマスクとマスク基準面上を接触移動させるスキージを用いてマスク印刷を行う。マスク印刷装置１には、段差を有する基板１０と、基板１０の形状、特に段差に応じた第１マスク面２１および第２マスク面２２を有するマスク２０を用いる。マスク２０には窪み部２５が形成され、窪み部２５内に第２マスク面が形成されている。また、第１マスク面および第２マスク面には所定形状としたパターン孔３０が形成されている。このマスクを用いて被印刷物とマスクとを対向しセットして印刷を実施する。スキージを移動することで、マスクの窪み部２５内に形成したパターン孔３０を通って基板１０上に所定形状でペーストを転写すると共に、基準面２９に形成したパターン孔３０を通って基板１０上に同時に印刷を行うことができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、印刷対象物の所定位置にパターン印刷する方法に関し、特に段差のある回路基板に導電性材料をパターン孔が形成されたマスクを用いて所定の位置にパターン印刷するマスク印刷方法に関する。

プリント基板などの回路基板上に、クリームハンダ等の導電性材料（導電性ペースト）や接着剤ペーストなどの印刷材料（以下、ペーストという。）を印刷する技術として、スクリーン印刷が利用されている。スクリーン印刷は、回路基板等の印刷対象物にマスクを接触して印刷するオンコンタクト方式と、スクリーンマスクと印刷対象物との間に一定の隙間を設けるようにスクリーンマスクにテンションを掛けた状態で印刷するオフコンタクト方式がある。

オンコンタクト方式もオフコンタクト方式も、いずれもペーストをスクリーンマスクの上面に供給し、スキージをスクリーンマスクに押圧させながら移動させてペーストをスクリーンマスクに設けたパターン孔に充填して印刷を行う。スキージがパターン孔にペーストを充填する際には、スクリーンマスクに設けたパターン孔と印刷対象物とが接触した状態となり充填されたペーストが回路基板等の所定位置にパターン孔の形状にて印刷が行われる。この方法で印刷される印刷物（ペースト）の量はスクリーンマスクのパターン孔の容積量に比例し、スクリーンマスクマスクの厚さによって管理される。

スクリーン印刷にて印刷を行う対象物は、スクリーンマスクのパターン孔が接触した状態でパターン孔にペーストを充填しなければならない。それゆえ、段差のある基板上にスクリーン印刷を行う場合には、各段差毎にスクリーン印刷を行うか、段差のない基板面上にのみスクリーン印刷を行うのが一般的と考えられている。

段差を有する、すなわち厚みが異なる基板へのスクリーン印刷方法として、例えば特許文献１が知られている。特許文献１のスクリーン印刷方法は、印刷対象の基板の実装面の段差と等しい段差を形成したマスクを用いる。この段差を設けたマスクは印刷面の高さが異なる。高さの異なる各印刷面ごとに個別のスキージを用いて印刷している。

特開平２−１４３８６０号公報

特許文献１のように印刷面毎に個別のスキージを用いる場合には、厚みの異なる各印刷面毎にスキージを準備し、同時に、各印刷面毎に各スキージを移動させて印刷を行わなければならない。そのため、印刷装置に複数のスキージを取り付け、各スキージ毎に移動機構を設けなければならないため、高価な印刷装置となる。印刷を行う実装面の高さが異なるため、高さの異なる実装面毎に、スキージの取付け位置および高さを調整しなければならない。夫々の実装面ごとにその移動量も設定しなければならない。そのため高い精度でのスキージ制御装置が必要であった。

また、印刷を行う対象物の形状が、窪みのある立体的形状の場合には、窪みの上部と底部にパターンを印刷しなければならない。そのためには、窪み底部専用のスキージと、窪み上部専用のスキージを別々に準備しなければならない。よって、スキージを用いた印刷法を実施するよりもディスペンサーを用いて窪み底部に塗布することが多かった。

本発明の目的は上記した問題を解決して、簡単な方法により高さの異なる基板の各実装面（印刷面）に対し同時にパターン形成が可能な製造方法を提供することにある。

また、他の目的は、高さの異なる基板の各実装面に同時にパターン形成可能な製造方法に適した印刷マスクを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、基準面に対し高さの異なる複数の印刷面を有する印刷対象物に、所定のパターンを印刷するマスク印刷方法であって、
前記印刷対象物は、第１の印刷面と、第１の印刷面よりも低い位置に第２の印刷面とを備えた立体形状であり、当該印刷対象物を前記第１の印刷面および前記第２の印刷面を上面にしてとしてステージ上に載置する工程と、
前記第１の印刷面と前記第２の印刷面の高さの差と同等の段差を有し、前記第１の印刷面に対応する第１のマスク面と、前記第２の印刷面に対応する第２のマスク面とを備えたマスクを前記印刷対象物上にオンコンタクトまたはオフコンタクト状態にて配設するマスク配設工程と、
前記マスク上でスキージを移動させてペーストを当該マスクに設けたパターン孔に充填して、前記印刷面に印刷する転写工程と、
前記マスクと前記印刷対象物を離間させる工程とを順に実施し、
前記マスクは、第１マスク面と、底部に第２マスク面を有する凹部とを設けた立体形状とされ、
前記凹部は、前記スキージの移動方向に沿った断面において、前記スキージの移動方向に従って第１のマスク面から低くなる第１傾斜面と、当該第１傾斜面に連続し第１のマスク面と平行な底面と、前記スキージの移動方向に従って前記底面から高くなる第２傾斜面とを備え、
前記第２マスク面は、前記凹部底面に位置し、前記凹部の側面は下方に向かって傾斜した側面とされており、
前記転写工程は、前記凹部のスキージ移動方向と直交する方向の幅よりも長いスキージを用いて前記第１マスク面上を移動して第１マスク面に設けたパターン孔により第１印刷面に印刷する第１印刷転写工程と、前記凹部上を移動する際に前記ペーストを前記凹部内に流し込んで押圧しながら前記第１マスク面上を移動して第２マスク面に設けたパターン孔により第２印刷面に印刷する第２印刷転写工程とを備える、ことを特徴とするマスク印刷方法、を提供する。

請求項２の発明は、基準面となる第１マスク面と、前記第１マスク面に対し窪んだ窪み部内に形成された第２マスク面と、前記第１マスク面および第２マスク面の夫々に形成されたパターン孔と、を有するマスク印刷用のマスクであって、
前記マスクは、前記基準面上にてスキージを接触移動させることで、前記パターン孔を通してペーストを被印刷物に転写するマスク印刷方法に使用され、
前記窪み部は、前記スキージの長手方向の長さに対して、前記スキージ移動方向と直交する方向の幅が小さいものとされるとともに、立壁が傾斜面とされている、ことを特徴とする印刷用マスク、を提供する。

請求項１の発明によれば、高さの異なる印刷面のある基板であっても、高さの異なる印刷面に同時に所定パターンの印刷を簡単に行うことができる。これにより印刷に要する時間を削減し、コストの低減を図ることができる。

また、請求項２の発明によれば、高さの異なる印刷面のある基板に対しても、各印刷面に同時にパターン形成を行うことができる。

図１は、本発明の実施形態に係るマスク印刷装置の構成を示す概念図である。 図２は、本発明の実施形態において印刷を行う対象物である基板を示す斜視図である。 図３は、図２の基板と、それに対応するマスクとの対応関係を示す概略斜視図である。 図４は、本発明の実施形態において印刷工程の様子を示す斜視図である。 図５は、本発明の実施形態において印刷工程における基板上への転写の様子を示す概略断面図である。 図６は、窪み部における印刷（転写）の原理を示す概念図で、図６（Ａ）が窪み部を印刷している途中の段階を示し、（Ｂ）が窪み部の印刷が終了した直後の様子を断面にて示す概念図である。 図７は、本発明の実施形態のマスクの変形例を用いた場合の印刷工程を示す概略断面図である。 図８は、本発明の実施形態のマスクの別の変形例を用いた場合の印刷工程を示す概略断面図である。

本発明の実施の形態を図面に用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るマスク印刷装置の構成を示す概念図である。マスク印刷装置１は、印刷対象物である基板１０を載せるステージ２と、ステージ２上にて基板１０と所定の間隔を隔ててマスク（スクリーン印刷用マスクを含む）２０を保持するマスク支持機構３と、マスク２０に押圧した状態でスキージ４０を移動させるスキージ移動機構４を備えている。マスク支持機構３とステージ２とは、垂直方向および／または平面方向において相対的に移動可能とされている。符合６は、基板１０に印刷される印刷材料、すなわちペーストである。

マスク印刷方法は、最初にステージ２上に基板１０を載置する基板セット工程と、マスク２０をマスク支持機構３にセットするマスク支持工程を実施する。マスク２０には基板１０上の表面に形成すべきパターンの形状を有するパターン孔３０が形成されている。なお、マスク２０については後に詳細に説明する。次に、マスク２０上にペースト６を載置するペースト供給工程を実施する。その後スキージ移動機構４に取り付けてあるスキージ４０にてマスク２０を基板１０の印刷面に押し付けるようにして基板の印刷面と平行方向に移動させる印刷する転写工程を実施する。このとき、ペースト６はスキージ４０をマスクに設けてあるパターン孔３０に押し込んで基板１０上に転写され印刷される。

本発明の実施形態においては、段差を有する基板上にマスク印刷を行う。図２から図５は、段差を有する基板１０上に印刷を行う場合について、段差を有する基板１０と、マスク２０の要部を説明する図面である。図２は、本発明の実施形態において印刷を行う対象物である基板を示す斜視図である。図３は、図２の基板と、それに対応するマスクとの対応関係を示す概略斜視図である。図４は、本発明の実施形態において印刷工程の様子を示す斜視図である。図５は、本発明の実施形態において印刷工程における基板上への転写の様子を示す斜視断面図である。なお、これらの図において、段差を有する点を理解しやすくするために特に高さ方向（厚み方向）を誇張して図示している。

印刷対象物である基板１０には、図２に示したように段差が形成されているおり、上面の被印刷領域１６に印刷が行われるものである。基板の下面をステージ２に対して載置する。ステージ２に載置した状態において最も高さの高い第１印刷面１１、最も高さの低い第２印刷面１２、第１印刷面１１と第２印刷面１２の中間の高さの第３印刷面１３の、３段階の高さを有する基板、すなわち厚みの異なる段差のある基板である。第２印刷面１２と第１印刷面の間、および第２印刷面１２と第３印刷面１３との間には、互いの段差に相当する高さの立壁１４が形成されている。第２印刷面１２は第１印刷面１１および第３印刷面１３に対して窪んだ凹部１５の底面に相当する。

基板１０としては、例えば回路基板を用いる。回路基板の場合、基板１０に形成した図示しない配線パターン上の所定箇所、例えば電子部品を実装するランドパターン部にハンダを印刷する。被印刷部１６がランドパターンであり、ここにクリームハンダなどのペーストを印刷する。

マスク２０は、図３に示したように印刷対象物である基板１０の段差に対応した段差を設けたマスクとし、ここでは第２印刷面１２および第３印刷面１３に対応した窪み部２５を設けた立体形状マスクを用いる。第１印刷面１１に対応した第１マスク面２１と、窪み部２５内に位置し、第２印刷面１２に対応した第２マスク面２２および第３印刷面１３に対応した第３マスク面２３を備え、各マスク面２１，２２，２３には基板２０上の複数の被印刷領域１６に対応する複数のパターン孔３０が形成されている。

マスク２０の材質としては、立体形状の形成し易さ、寸法安定性、コスト等を考慮して適当な材質を選択する。例えばステンレスやニッケル合金などの金属マスク材料を用いることができる。金属マスクに設けるパターン孔３０はエッチングや切削などの公知の手法で形成する。セラミックスや樹脂材料からなるマスクであっても良い。また、スクリーン印刷装置におけるスクリーン印刷用マスクで用いるようなメッシュ状のパターン孔を設けたスクリーン印刷マスク用材料からなるものであっても良い。

図４は、スクリーン印刷装置１にて、マスク２０、スキージ４０およびペースト６の関係を印刷工程を実施し始める状態について上方から俯瞰して図示している。マスク２０を基板１０を所定の位置関係で対向するようにセットされている。オンコンタクトにて印刷を行うために、立体形状としたマスク２０と基板１０が互いの対向する面が接触するように重ね合わせられる。マスク２０上に供給したペースト６がスキージ４０が移動してペースト６をパターン孔３０に充填する。ペースト６としては所定の粘度に調整したクリームハンダを用いる。このときスキージ４０は窪み部２５の幅よりも広い幅、すなわちスキージ４０の長手方向の長さが、窪み部２５のスキージ４０と平行な方向の長さよりも長い大きさのものを使用する。

スキージ４０を移動方向４１に移動する。スキージ４０が通過するマスク２０の上面は、第１マスク面２１でありスキージ移動方向４１と平行とされる。第１マスク面２１は平坦面となっているのでスキージ４０の接触移動をスムーズに行うことができる。スキージが通過した第１マスク面２１のパターン孔３０にはペースト６が充填される。なお、本発明の説明において接触移動にはスキージ４０とマスクの基準面が完全に接触している状態のみでなく、ペースト６をスムーズに移動、転写することができるように僅かな間隙を設けて移動する場合も含む。

図５は、窪み部２５における印刷工程を図４のＡ−Ａ断面にて説明する断面図である。なお、図５から図８においては、図面が複雑にならないようにするために基板２０を省略して示している。印刷工程においてはスキージ４０が、窪み部２５上を移動方向４１に移動する。スキージ４０は第１マスク面２１上を接触移動しペーストを窪み部２５内に充填する。窪み部２５内に充填されたペースト５は、第２マスク面に設けたパターン孔３２および第３マスク面に設けたパターン孔３３も充填する。

図６を用いて窪み部２５における印刷（転写）の原理を説明する。図６（Ａ）が窪み部を印刷している途中の段階を示し、（Ｂ）が窪み部の印刷が終了した直後の様子を断面にて示す概念図である。なお、説明をわかりやすくするために第３印刷面１３に印刷する第３マスク面に相当するマスク面のない第２マスク面のみとしたマスクとして説明を行う。

最初に図６（Ａ）のように窪み部２５内にペースト６が充填され、その一部は窪みの底面２７に設けたパターン孔３０内にも充填される。なお、ペースト６の粘度が高い場合およびパターン孔３０が小さい場合にはパターン孔３０内へのペースト６の充填がスムーズに行われない。図６（Ｂ）のように窪み部２５内の全体にペースト６が充填された状態において、底面のパターン孔３０からペースト６の一部が突出するような圧力が加われば確実な印刷（転写）が完了する。この圧力として、スキージ４０の押圧力Ｆを利用する。本実施形態においては、スキージ４０による押圧力Ｆを積極的に利用するために、窪み部２５の立壁を傾斜面２６，２８としている。スキージ移動方向４１においてスキージ４０が移動する基準面２９から基板側に向かって窪み部２５の底面に向かって狭まるように傾斜する第１傾斜面２６と、スキージ移動方向４１においてスキージ４０が移動する基準面２９に向かって窪み部２５を拡開する方向に傾斜する第２傾斜面２８とを設けている。

第１傾斜面２６により、窪み部２５内にペーストが流れ込むように充填される（図６（Ａ）参照）。窪み部２５内に充填されるときにスキージ４０はマスク２０の基準面２９を接触しながら移動している。スキージ４０の移動に伴いパターン孔３０を通してペースト６が窪み部２５内に充填される。このときスキージ４０により第１傾斜面２６に沿った流れ込みと押圧が行われる。窪み部２５内にペースト６が所定量充填される（図６（Ｂ）参照）。このとき、窪み部２５内の第２傾斜面２８とスキージ４０の間の空間にペーストを充填するものとなり、スキージ４０による押圧が窪み部２５内全体に伝わる。即ち、窪み部２５内のペースト６に加わる重力および押圧力Ｆにより、ペースト６は底面２７に設けられたパターン孔３０からペースト６を押し出されるようにパターン孔３０内を移動する。符合６ａが押し出されたペーストを示す。したがって、パターン孔３０に対応する基板上の被印刷領域に当該パターン孔３０に応じた形状のパターンを安定して転写・印刷することができる。

ペースト６の粘度をパターン孔３０内への充填がスムーズに行われる粘度に事前に調整しておくことが好ましい。本発明者達の実験によれば、具体的には６０〜１４０Ｐａ・ｓの粘度、すなわち従来の粘度に比べて低粘度とすることが好適であった。６０Ｐａ・ｓの粘度よりも低い場合にはオンコンタクトでの印刷であっても転写したパターンが広がってしまい所定形状のパターンが形成されない。１４０Ｐａ・ｓの粘度よりも高い場合には転写したパターンにかすれが生じやすく歩留りが低下するからである。

また、マスクの厚みは、底面２７の厚みを基準面２９の厚みよりも薄くしておくことが好ましい。具体的にはペースト６の粘度が６０〜１４０Ｐａ・ｓの粘度の材料を用いた場合において、基準面におけるマスクの肉厚に対して５０〜９０％の厚みとすることが好適であった。５０％よりも薄いと窪み部２５におけるマスク強度が低下し、９０％を超えると転写したパターン形状の再現性が劣って歩留りが低下するからである。

以上説明したように、窪み部を設けたマスクを用いることで、簡単な方法により高さの異なる基板の各実装面（印刷面）に対し同時にパターン形成が可能となる。

窪み部２５は、マスク２０のスキージ４０を接触移動させる基準面２９、すなわち図２から図４に示した実施形態における第１マスク面２１に対して窪んだ凹部である。基準面２９に対して複数の窪み部２５を設けたマスク２０としても良い。基板の立体形状も図２に示した溝形状の凹部のものであっても、マスクの形状をシフトさせた窪み形状の凹部を有する基板であっても良い。

窪み部２５内には、本実施形態で示したように基準面である第１マスク面に対して高さの異なる第２マスク面および第３マスク面の２つの高さの異なる底面をもつものでも良いし、図６の原理説明図で示したような１つの高さの異なる底面のみをもつマスクを用いても良い。

図７は、本発明の実施形態のマスクの別の変形例を用いた場合の印刷工程を示す概略断面図である。本変形例においては、図７に図示したように窪み部２５内に２つ以上の小さな小窪部２５ａ、２５ｂを有している。このマスクを用いて印刷工程を実施すると、小窪部２５ａと小窪部２５ｂとの間の立壁が仕切りとなるので、マスク底面のパターン孔３０からのペーストの吐出量、すなわち印刷量、の安定が図りやすくなる。なお、本変形例においては、基板１０とマスク２０とを僅かな隙間を設けて配置するオフコンタクトで印刷工程を実施している。オフコンタクトとすれば、スキージ４０によりマスク２０に押圧力が加わったときにのみ基板１０とマスク２０を接触するものとし、マスク２０による基板１０表面に設けた傷を低減することができる。

図８は、本発明の実施形態の更に別の第２の変形例を説明する断面図である。第２の変形例においては、基板１０の上面に突起が存在する場合の印刷方法である。基板１０の第１印刷面にマスク２０の厚みよりも小さな突起部が形成されていた場合には、マスク２０の一部を薄く形成して突起部を収納する薄肉部２０ａを形成することで、基準面に段差が生じるのを防止している。このようにマスクに薄肉部２０ａを設けることで、位置決めを兼ねることもでできる。

上記実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明は限定的に解釈されるものではない。例えば、パターン孔の形状も様々な形状とすることができ、一つのマスク上に同一形状、同一サイズのパターン孔を形成するものに限らず、異なる形状、大きさのパターン孔が混在するものとしたマスクとすることもできる。また、ペーストとして、接着剤や印刷塗料を用い、回路基板に各種情報を印刷する場合にも適用できる。

本発明によれば、安定して所定形状のパターンを印刷することが求められる回路基板上の半田パターンや接着剤の印刷などに適用できる。

１ マスク印刷装置
２ ステージ
３ マスク取付け部
４ スキージ移動機構
６ ペースト
１０ 基板（印刷対象物）
１１ 第１印刷面
１２ 第２印刷面
１３ 第３印刷面
１４ 立壁
１５ 凹部
１６ 被印刷領域
２０ マスク
２１ 第１マスク面
２２ 第２マスク面
２３ 第３マスク面
２４ 下面（印刷対象物側の表面）
２５ 窪み部
２６ 第１傾斜面
２７ 底面
２８ 第２傾斜面
２９ 基準面
３０ パターン孔
３２ 第２マスク面のパターン孔
３３ 第３マスク面のパターン孔
４０ スキージ
４１ 印刷時のスキージ移動方向

Claims (2)

1. 基準面に対し高さの異なる複数の印刷面を有する印刷対象物に、所定のパターンを印刷するマスク印刷方法であって、
   前記印刷対象物は、第１の印刷面と、第１の印刷面よりも低い位置に第２の印刷面とを備えた立体形状であり、当該印刷対象物を前記第１の印刷面および前記第２の印刷面を上面にしてとしてステージ上に載置する工程と、
   前記第１の印刷面と前記第２の印刷面の高さの差と同等の段差を有し、前記第１の印刷面に対応する第１のマスク面と、前記第２の印刷面に対応する第２のマスク面とを備えたマスクを前記印刷対象物上にオンコンタクトまたはオフコンタクト状態にて配設するマスク配設工程と、
   前記マスク上でスキージを移動させてペーストを当該マスクに設けたパターン孔に充填して、前記印刷面に印刷する転写工程と、
   前記マスクと前記印刷対象物を離間させる工程とを順に実施し、
   前記マスクは、第１マスク面と、底部に第２マスク面を有する凹部とを設けた立体形状とされ、
   前記凹部は、前記スキージの移動方向に沿った断面において、前記スキージの移動方向に従って第１のマスク面から低くなる第１傾斜面と、当該第１傾斜面に連続し第１のマスク面と平行な底面と、前記スキージの移動方向に従って前記底面から高くなる第２傾斜面とを備え、
   前記第２マスク面は、前記凹部底面に位置し、前記凹部の側面は下方に向かって傾斜した側面とされており、
   前記転写工程は、前記凹部のスキージ移動方向と直交する方向の幅よりも長いスキージを用いて前記第１マスク面上を移動して第１マスク面に設けたパターン孔により第１印刷面に印刷する第１印刷転写工程と、前記凹部上を移動する際に前記ペーストを前記凹部内に流し込んで押圧しながら前記第１マスク面上を移動して第２マスク面に設けたパターン孔により第２印刷面に印刷する第２印刷転写工程とを備える、ことを特徴とするマスク印刷方法。
2. 基準面となる第１マスク面と、
   前記第１マスク面に対し窪んだ窪み部内に形成された第２マスク面と、
   前記第１マスク面および第２マスク面の夫々に形成されたパターン孔と、を有するマスク印刷用のマスクであって、
   前記マスクは、前記基準面上にてスキージを接触移動させることで、前記パターン孔を通してペーストを被印刷物に転写するマスク印刷方法に使用され、
   前記窪み部は、前記スキージの長手方向の長さに対して、前記スキージ移動方向と直交する方向の幅が小さいものとされるとともに、立壁が傾斜面とされている、ことを特徴とする印刷用マスク。

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