JP2015217615A

JP2015217615A - スクリーン印刷機および電極パターン形成方法

Info

Publication number: JP2015217615A
Application number: JP2014103433A
Authority: JP
Inventors: 崇澤井; Takashi Sawai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2015-12-07

Abstract

【課題】結露を防止しつつ電極パターンの線幅のばらつきを抑えることができるスクリーン印刷機を得ること。【解決手段】スクリーン印刷機１が、ステージ面上に載置された被印刷物１１を真空吸着によって支持固定する印刷ステージ１０と、被印刷物１１に形成する電極パターンに対応する開口部パターンを有した印刷マスク３０を支持するマスク支持部４０と、印刷マスク３０上に配置された導電性のペースト２に圧力を加えてペースト２を開口部から被印刷物１１上に押し出すスキージ３３と、被印刷物１１と印刷ステージ１０との間に挟み込まれる多孔質フィルム５と、印刷マスク３０とステージ面との間に温度差を発生させる冷却素子７２およびヒーター７１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電極パターンを形成するスクリーン印刷機および電極パターン形成方法に関する。

スクリーン印刷法では、印刷ステージ上に被印刷物を固定した状態で、スクリーンマスク（以下、印刷マスクと称する）を被印刷物に接触させている。このような印刷マスクでは、金属あるいは樹脂の細線により縦横に編まれたメッシュに乳剤の膜が形成され、乳剤の膜にマスキング部と開口部とのパターンが描画されている。そして、スクリーン印刷が行なわれる際には、被印刷物の反対側の印刷マスク上にペーストなどの粘弾性体を供給し、印刷マスク上をスキージで適当な圧力をかけながら通過させる。これにより、ペーストのパターンを被印刷物に転写する。

しかしながら、スキージ速度やスキージ圧力、ペーストの粘弾性特性、印刷マスクの種類などの各条件が適正化されていない場合には、印刷マスクのパターンの開口寸法が微細になるほど印刷マスクの開口部の形状と印刷パターンの形状とに違いが生じる傾向にある。

それに対して、特許文献１には、冷却位置において、上部に配された冷却部によりセラミック基板の表面が冷却された後に、印刷位置において、印刷マスク上のペーストがスキージにより押し出されて所定のパターンがセラミック基板の表面上に形成されることが記載されている。これにより、特許文献１によれば、ペーストが冷却されてその粘度が下がるので、印刷マスク上のパターン幅と同じパターン幅でセラミック基板上に所定のパターンを形成できるとされている。

特許文献２には、ペースト印刷装置において、印刷台の上面に保持した印刷物を印刷台の内部に設けた冷却器で冷却しながら、印刷面のすぐ上のマスクの開口部にペーストを充填して印刷物の印刷面にペーストを展開したあと、マスクを印刷面から離すことが記載されている。これにより、特許文献２によれば、常温で印刷性の良好な粘度や流動性を有する印刷ペーストを使用した場合でも、マスクを印刷物の印刷面から離した後にペーストの流動を抑えることができるので、かすれやブリッジ等の不良が生じることなく、良好なペーストの印刷が可能になるとされている。

特許文献３には、スクリーン印刷装置において、印刷台上に保持した被印刷物を印刷台中に埋め込まれた冷却パイプで冷却し、印刷マスクにペーストを介してスキージを押し当てて、ペーストを被印刷物に転写することが記載されている。これにより、特許文献３によれば、冷却されたペーストの一部がその接触部位から冷却されるので、被印刷物とペーストとの密着力を増すことができるとされている。

特許文献４には、スクリーン印刷機において、スクリーン上のクリーム半田の温度が目標半田温度と一致するように、マスクを介してスクリーンを囲むフレーム内に流すための水を加熱又は冷却することが記載されている。これにより、特許文献４によれば、加熱時にフレームからマスク及びスクリーンを介してクリーム半田へ熱が伝達され、あるいは冷却時に加熱時と逆の方向に熱が移行して、クリーム半田の温度を最適な温度に維持することができるから、印刷を安定して行うことができるとされている。

特許文献５には、印刷装置において、印刷マスクを基板上に位置させ、複数のハロゲン光源から印刷マスクとその貫通孔内に保持されたクリーム半田とに光を照射して、輻射加熱により印刷マスクを加熱した後、印刷マスクを基板から取り外すことが記載されている。これにより、特許文献５によれば、クリーム半田の粘性が低下しているので、クリーム半田が印刷マスクの貫通孔の内壁面にほとんど付着せず、所定形状のクリーム半田層を基板上に形成できるとされている。

特許文献６には、印刷装置において、印刷ステージに温度差をつけることが記載されている。これにより、特許文献６によれば、印刷マスクの開口部に対応する部分を暖め、非開口部に対応する部分を冷やすことで、電極パターンの形状（線幅）のばらつきを抑えることができるとされている。

特開昭６２−２５２１９１号公報特開平８−１８３１５６号公報特開２００４−３３８３４１号公報特開２００３−６２９７４号公報特開平１１−１３８７４６号公報特開２０１２−６１８２３号公報

しかしながら、上記第１〜第６の従来技術では、冷却部分に結露が発生するという問題があった。また、上記第３の従来技術では、結露と凍結を防ぐために被印刷物の温度を５〜１３℃にしているが、この温度範囲であっても、気温および湿度の条件次第では結露が発生する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、結露を防止しつつ電極パターンの線幅のばらつきを抑えることができるスクリーン印刷機および電極パターン形成方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のスクリーン印刷機は、ステージ面上に載置された被印刷物を真空吸着によって支持固定する印刷ステージと、前記被印刷物に形成する電極パターンに対応する開口部パターンを有した印刷マスクを支持するマスク支持部と、前記印刷マスク上に配置された導電性のペーストに圧力を加えて前記ペーストを前記開口部から前記被印刷物上に押し出すスキージと、前記被印刷物と印刷ステージとの間に挟み込まれる多孔質体と、前記印刷マスクと前記ステージ面との間に温度差を発生させる温度差発生部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、結露を防止しつつ電極パターンの線幅のばらつきを抑えることが可能になるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態に係るスクリーン印刷機の構成を示す図である。図２は、電極パターンの形成処理を説明するための図である。図３は、印刷マスクの構成を示す図である。図４は、従来のスクリーン印刷機の構成を示す図である。

以下に、本発明に係るスクリーン印刷機および電極パターン形成方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。

実施の形態
図１は、本発明の実施の形態に係るスクリーン印刷機の構成を示す図である。図１では、スクリーン印刷機１の断面構成を示している。スクリーン印刷機１は、スクリーン印刷法によって印刷を行う装置であり、例えば、孔版印刷法による印刷を行う。

スクリーン印刷機１は、例えば、太陽電池セルの製造工程における電極パターンの形成処理などに用いられる。スクリーン印刷機１は、印刷ステージ１０、スキージ３３、マスク支持部４０、ヒーター７１、放射温度計７３、乾燥空気吹付部７５を備えている。

マスク支持部４０は、印刷マスク３０外側に設けられたマスク枠３１を支持するとともに、印刷マスク３０を移動させる。マスク支持部４０は、印刷マスク３０を被印刷物１１上に移動させる。

印刷ステージ１０は、概略平板状をなしており、その主面上に静置あるいは吸着などによって被印刷物１１が固定される。印刷ステージ１０は、真空導管３、真空配管４、多孔質フィルム５、冷却素子７２、温度計７４を有している。

印刷ステージ１０は、被印刷物１１を載置固定するための複数の吸着穴１５が形成されたステージ面と、これら複数の吸着穴１５に連通しステージ面下の本体内部に形成された真空導管３とを有している。そして、真空導管３は、真空配管４を介して図示しない真空ポンプに接続されている。

また、印刷ステージ１０のステージ面上には、多孔質フィルム５が配置されている。多孔質フィルム５は、繊維（例えば、紙）や高分子フィルムなどの多孔質体を用いて構成されている。被印刷物１１に電極パターンを形成する際には、被印刷物１１が多孔質フィルム５上に配置される。これにより、スクリーン印刷機１においては、印刷ステージ１０のステージ面と、被印刷物１１との間に、多孔質フィルム５を介在させて被印刷物１１を真空吸着させるようにしている。

換言すると、印刷ステージ１０は、ステージ面に載置された被印刷物１１を多孔質フィルム５、吸着穴１５、真空導管３などを介して真空吸着することによって、被印刷物１１を位置決め固定する。

スクリーン印刷機１では、印刷ステージ１０上に被印刷物１１が固定され、被印刷物１１上に印刷マスク３０が配置される。印刷マスク３０の外側には、マスク枠３１が設けられており、印刷マスク３０は、マスク枠３１間に張設されている。印刷マスク３０は、マスク支持部４０によって、被印刷物１１に対して位置合わせをされた状態で所定の間隔をあけて配置される。

また、印刷ステージ１０の内部には、冷却素子７２と温度計７４が設けられている。冷却素子７２は、印刷ステージ１０のステージ面を冷却する。冷却素子７２は、例えば、ペルチェ素子または冷水回路によって印刷ステージ１０を冷却する。冷却素子７２は、例えば、印刷ステージ１０の温度が０〜１０℃になるよう制御される。温度計７４は、例えば、接触式温度計であり、印刷ステージ１０（ステージ面の近傍）の温度を測定する。

乾燥空気吹付部７５は、印刷ステージ１０のステージ面上に乾燥空気を吹き付ける。スキージ３３は、電極パターンの形成に用いられる導電性（例えば、金属）のペースト２を印刷マスク３０上から被印刷物１１側へ押し出すことによって、被印刷物１１上にペースト２からなる電極パターンを形成する。スキージ３３は、例えば、ウレタンあるいは金属等で形成されている。

ヒーター７１は、印刷マスク３０を加熱する。ヒーター７１は、例えば、ランプヒーターによって上部から印刷マスク３０を加熱する。ヒーター７１は、印刷マスク３０および被印刷物１１よりも上側に配置されている。

ヒーター７１は、マスク枠３１内に設けておいてもよいし、印刷マスク３０よりも上側に設けておいてもよい。また、ヒーター７１は、マスク枠３１内と、印刷マスク３０よりも上側との両方に設けておいてもよい。なお、ヒーター７１は、抵抗ヒーターや温水によって印刷マスク３０を加熱してもよい。放射温度計７３は、印刷マスク３０の温度を測定する。

スクリーン印刷機１では、冷却素子７２によって印刷ステージ１０が冷却され、ヒーター７１によって印刷マスク３０が加熱される。これにより、スクリーン印刷機１は、印刷ステージ１０のステージ面と印刷マスク３０との間に温度差を発生させる。スクリーン印刷機１では、冷却素子７２とヒーター７１とが温度差発生部として機能する。

被印刷物１１に電極パターンを形成する際には、印刷マスク３０の上面側であるスキージ３３側の面上にペースト２が薄く広げられる。そして、スキージ３３が、印刷マスク３０上でペースト２を摺動させながら、印刷マスク３０に所定の押圧力を加える。これにより、印刷マスク３０の開口部を通してペースト２が被印刷物１１側に押出され、開口部の形状に応じた所望のパターンが被印刷物１１に印刷される。

本実施の形態では、被印刷物１１に電極パターンを形成する際に、冷却素子７２が印刷ステージ１０を冷却し、ヒーター７１が印刷マスク３０を加熱する。このとき、放射温度計７３が、印刷マスク３０の温度を測定し、温度計７４が印刷ステージ１０の温度を測定する。そして、温度の測定結果に基づいて、冷却素子７２が印刷ステージ１０の温度を調整し、ヒーター７１が印刷マスク３０の温度を調整する。換言すると、温度の測定結果に基づいて、ヒーター７１による加熱と、冷却素子７２による冷却とが、制御される。

スクリーン印刷機１では、例えば、印刷ステージ１０のステージ面と印刷マスク３０との間の温度差が所定の範囲内となるよう、冷却素子７２およびヒーター７１が制御される。なお、スクリーン印刷機１では、印刷ステージ１０の温度が所定の範囲内となるよう冷却素子７２が制御され、かつ印刷マスク３０の温度が所定の範囲内となるようヒーター７１が制御されてもよい。

このように、スクリーン印刷機１では、印刷マスク３０が冷却されるので、ペースト２が冷却される。これにより、ペースト２の粘度が下がるので、印刷マスク３０上のパターン幅と略同じパターン幅で被印刷物１１に電極パターンを形成することができる。また、スクリーン印刷機１では、ペースト２の流動を抑えることができるので、かすれなどを防止できる。また、スクリーン印刷機１では、ヒーター７１で印刷マスク３０を加熱しているので、冷却されている印刷マスク３０において結露の発生を防止できる。

図２は、電極パターンの形成処理を説明するための図である。印刷マスク３０は、マスキング部（非開口部）２１、開口部２２、及びメッシュ２３を有する。メッシュ２３は、例えば金属あるいは樹脂の細線が縦横に編まれたものである。被印刷物１１は、印刷ステージ１０の主面上に静置あるいは吸着などにより固定される。すなわち、印刷ステージ１０は、被印刷物１１を主面上に保持する。

印刷マスク３０は、被印刷物１１の被印刷面ＰＭａに接触している。あるいは、印刷マスク３０は、被印刷物１１の被印刷面ＰＭａ側に、所定の間隔をあけて配置されている。印刷マスク３０は、被印刷物１１の被印刷面ＰＭａに形成すべき電極パターンに対応した開口パターン（開口部２２）を有する。印刷マスク３０における被印刷物１１と反対側の面上には、粘弾性体であるペースト２が供給される。ペースト２は、被印刷物１１の被印刷面ＰＭａに電極パターンとして印刷される流動体である。なお、ペースト２の代わりにインクなどを用いてもよい。

スキージ３３は、印刷マスク３０上にペースト２が配置された状態で、印刷マスク３０における被印刷物１１と反対側の面上を、適当な圧力を加えながら通過する。これにより、開口部２２に対応した電極パターン（例えば、粘弾性体のパターンＶＢ１）が被印刷物１１の被印刷面ＰＭａ上に転写される。

図３は、印刷マスクの構成を示す図である。図３では、印刷マスク３０の上面図を示している。印刷マスク３０は、マスク枠３１によって外側から保持されている。マスク枠３１には、例えば、印刷マスク３０を外側（底面側または上面側）から保持するように、メッシュ２３が貼り付けられている。メッシュ２３には、例えば、ステンレスメッシュで編まれた紗が用いられる。

マスキング部２１および開口部２２のパターンは、メッシュ２３の主面（例えば、印刷ステージ１０側の面）上に形成されている。マスキング部２１および開口部２２のパターンは、例えば乳剤により形成された膜における所定の領域（例えば、電極パターンに対応した領域）が開口されたものである。

開口部２２は、メッシュ２３の目を露出するパターンであり、被印刷物１１の被印刷面ＰＭａに電極パターンを印刷するための開口パターンである。マスキング部２１は、メッシュ２３の目を塞ぐパターンであり、開口部２２の周囲に配された非開口パターンである。開口部２２のパターンは、例えば、ラインパターンが所定のピッチ間隔で複数配置されたものである。

図４は、従来のスクリーン印刷機の構成を示す図である。スクリーン印刷機１００は、印刷ステージ１０１、スキージ３３、マスク支持部４０を備えているものの、ヒーターや乾燥空気吹付部を備えていない。また、印刷ステージ１０１は、真空導管３、真空配管４を備えているものの、多孔質フィルムや冷却素子を備えていない。

本実施の形態のスクリーン印刷機１は、印刷ステージ１０上に多孔質フィルム５が設けられているので、被印刷物１１の吸着を行いながらも、ペースト２やセル破片を吸着穴１５に吸い込むことを防ぐことができる。したがって、印刷時に被印刷物１１が欠けた場合や、ペースト２が印刷ステージ１０に付着した場合であっても、印刷ステージ１０の真空配管系統（吸着穴１５、真空導管３、真空配管４）まで異物が入ることはない。このため、被印刷物１１が印刷時に破損する可能性を低減できる。

一方、従来のスクリーン印刷機１００は、多孔質フィルム５を介在させずに被印刷物１１を印刷ステージ１０１上に直接載置させている。このため、真空配管系統である真空導管３や吸着穴１５にペースト塊５１や基板破片５３が入り込む場合や、真空吸着と真空強制解除時に吸着穴１５を通過して印刷ステージ１０１上にペースト塊５１や基板破片５３が載る場合があった。また、従来は、被印刷物１１が割れた際に印刷ステージ１０１の表面が傷ついてステージ金属粉（ステージ上ペースト塊５２）が印刷ステージ１０１の表面に載り、被印刷物１１にクラック６１が入る場合があった。そして、このようなクラック６１は、被印刷物１１の破損を誘発していた。

このように、スクリーン印刷機１は、印刷マスク３０と印刷ステージ１０のステージ面との間に温度差をつけている。このため、印刷マスク３０上では、ペースト２の粘度を低い状態にしながら、被印刷物１１上ではペースト２の粘度を高い状態にできる。この結果、細くて高い電極パターンを被印刷物１１上に印刷することができ、印刷マスク３０の詰まりによる電極パターンの断線、かすれ、にじみなどを抑制することができる。

また、乾燥空気吹付部７５が印刷ステージ１０上に乾燥空気を吹き付けているので、結露を防ぐことができる。また、乾燥空気吹付部７５は、印刷ステージ１０上にごみがあった場合に、吹き飛ばすことができる。

例えば、太陽電池セルの受光面の電極は、セルに影を落として発電を妨げるので、なるべく面積が少ないほうが良いが、電極断面が小さいと電気抵抗が高くなってしまい、発電を妨げる。本実施の形態では、細くて高い電極パターンを形成できるので、受光面が増えるとともに電気抵抗が減る。この結果、被印刷物１１としての太陽電池セルの特性が向上する。

また、被印刷物１１と印刷ステージ１０との間に多孔質フィルム５が配置されている。このため、仮に印刷ステージ１０上で結露が発生した場合であっても、多孔質フィルム５が水分を吸収するので、印刷処理に対する影響を抑えることができる。

また、多孔質フィルム５は、印刷ステージ１０の吸着穴１５に小破片やペースト塊５１が出入りすることを防ぐことができるので、小破片やペースト塊５１による被印刷物１１の破損や、印刷マスク３０の破損を防ぐことができる。また、多孔質フィルム５は、微粒子を吸着することができるとともに、クッションとして被印刷物１１へのストレスを減らすことができる。

なお、多孔質フィルム５は、印刷ステージ１０からの真空吸着を妨げず、かつ小破片やペースト塊などを吸着できる部材であれば、何れの部材で構成されていてもよい。多孔質フィルム５は、例えば、通常市販されている半紙、普通紙、クリーンペーパー、和紙、吸水シート、吸湿性化合物（例えば、シリカゲル）などであってもよい。また、多孔質フィルム５は、印刷ステージ１０と別構成としてもよい。また、スクリーン印刷機１は、乾燥空気吹付部７５を備えていなくてもよい。

このように、本実施の形態では、印刷ステージ１０のステージ面と印刷マスク３０との間に温度差がつけられるとともに、印刷ステージ１０と被印刷物１１との間に多孔質フィルム５が配置されている。このため、結露を防止しつつ、線幅のばらつきを抑えた電極パターンを被印刷物１１上に印刷することが可能となる。

以上のように、本発明に係るスクリーン印刷機および電極パターン形成方法は、電極パターンの形成に適している。

１スクリーン印刷機、２ペースト、５多孔質フィルム、１０印刷ステージ、１１被印刷物、１５吸着穴、３０印刷マスク、３３スキージ、７１ヒーター、７２冷却素子、７３放射温度計、７４温度計、７５乾燥空気吹付部。

Claims

ステージ面上に載置された被印刷物を真空吸着によって支持固定する印刷ステージと、
前記被印刷物に形成する電極パターンに対応する開口部パターンを有した印刷マスクを支持するマスク支持部と、
前記印刷マスク上に配置された導電性のペーストに圧力を加えて前記ペーストを前記開口部から前記被印刷物上に押し出すスキージと、
前記被印刷物と印刷ステージとの間に挟み込まれる多孔質体と、
前記印刷マスクと前記ステージ面との間に温度差を発生させる温度差発生部と、
を備えることを特徴とするスクリーン印刷機。
前記温度差発生部は、前記印刷マスクを加熱する加熱部と、前記ステージ面を冷却する冷却部と、を有することを特徴とする請求項１に記載のスクリーン印刷機。
前記加熱部は、ランプヒーターによって前記印刷マスクの上部から前記印刷マスクを加熱することを特徴とする請求項２に記載のスクリーン印刷機。
前記加熱部は、抵抗ヒーターまたは温水によって前記印刷マスクを加熱することを特徴とする請求項２に記載のスクリーン印刷機。
前記冷却部は、ペルチェ素子または冷水回路を用いて前記ステージ面を冷却することを特徴とする請求項２に記載のスクリーン印刷機。
前記印刷マスクの温度を測定する第１の温度計と、
前記ステージ面の温度を測定する第２の温度計と、
をさらに備え、
前記温度差発生部は、前記第１および第２の温度計が測定した温度に基づいて、前記加熱部および前記冷却部を制御することを特徴とする請求項２に記載のスクリーン印刷機。
前記ステージ面上に乾燥空気を吹き付ける乾燥空気吹付部をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載のスクリーン印刷機。
前記多孔質体は、繊維または吸湿性化合物であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載のスクリーン印刷機。
前記冷却部は、前記ステージ面を０℃〜１０℃に冷却することを特徴とする請求項２から８のいずれか１つに記載のスクリーン印刷機。
ステージ面上に載置された被印刷物を真空吸着によって印刷ステージ上に支持固定する支持ステップと、
前記被印刷物に形成する電極パターンに対応する開口部パターンを有した印刷マスクを、前記印刷ステージ上に移動させるマスク移動ステップと、
前記印刷マスク上に配置された導電性のペーストに圧力を加えて前記ペーストを前記開口部から前記被印刷物上に押し出すことによって前記被印刷物に前記電極パターンを形成する電極形成ステップと、
を含み、
前記支持ステップでは、前記被印刷物と印刷ステージとの間に多孔質体を挟み込んでおき、
前記電極形成ステップでは、前記印刷マスクと前記ステージ面との間に温度差を発生させておくことを特徴とする電極パターン形成方法。