JP2019202484A - はんだ印刷装置及びはんだ印刷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実際のはんだ印刷に対応した条件下で計測されたクリームはんだの粘度を制御因子に含めて印刷制御できる構成のはんだ印刷装置を提供する。【解決手段】はんだ印刷装置１は、容器２１に収容された状態のはんだサンプル７１を当該容器に付設されたニードル２２から吐出させて、はんだサンプル７１が流動する際のガス圧及びガス流量に基づいて、ずり速度及び粘度を算出する粘度計測部２と、メタルマスク３１とスキージ３２とを有し、はんだサンプル７１と同一材料からなるクリームはんだ７２を基板９０に印刷する印刷部３と、メタルマスク３１の厚みＴ１及び開口径Ｄ１と、前記ずり速度及び前記粘度と、に基づいて印刷部３の印刷条件情報を設定する印刷条件設定手段４と、前記印刷条件情報に基づいて印刷部３を制御する制御部５を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、はんだ印刷装置及びはんだ印刷方法に関する。

近年、電子部品の高密度実装技術の発展は著しく、クリームはんだを基板に印刷する印刷技術の重要度は益々高まっている。

従来、印刷実行部を作動させる複数の動作パラメータから成る印刷条件を、基板の種類と半田の種類とスキージの種類およびスキージの出代寸法の組み合わせ別に記憶したライブラリと、作業者によって選択された各項目の選択肢の組み合わせに応じた印刷条件を当該ライブラリから読み出して印刷実行部を作動させる印刷制御手段に設定する印刷条件設定手段とを備えたスクリーン印刷機が提案されている（特許文献１：特開２０１７−１４９１４７号公報）。

また、容器に収容されたクリームはんだをニードルから吐出させて、クリームはんだがニードル内部を流動する際の「ガス圧及びガス流量」に基づいて「ずり速度及び粘度」を算出する構成の粘度計が知られている（特許文献２：特許第６０８６９０７号公報）。

特開２０１７−１４９１４７号公報 特許第６０８６９０７号公報

クリームはんだは「非ニュートン流体」であり、「チキソトロピック流体」に分類される。クリームはんだの実用上の問題として、はんだメーカから購入するクリームはんだ成績書に記載されている粘度値と、はんだ印刷時のクリームはんだの粘度値とが異なることが挙げられる。一例として、はんだメーカから購入するクリームはんだ成績書に記載されている粘度は、ずり速度が６[s^-1]の時の値である。しかし、はんだ印刷時のクリームはんだの粘度は、ずり速度が６[s^-1]よりもずっと低い時の値である場合が多く、また、両者は単純な相関関係にないことが発明者によって新たに究明された。そのため、はんだ印刷プロセスにおける印刷品質の制御が難しいのが実情である。特に、昨今の微細化の要求に対応するためには、従来よりも、実際のはんだ印刷条件に対応した条件下でのクリームはんだの粘度値を制御因子に含めて考える必要があり、また、クリームはんだの粘度値がはんだ印刷条件を考慮したものでなければ、はんだ印刷における実用的なデータベースの構築は困難である。

上記の課題に対して、特許文献１は、はんだ印刷機に関するものであり、粘度の計測に関する記述がないことから、はんだメーカから購入するクリームはんだ成績書に記載されている粘度がライブラリに記憶される、と考えられる。また、特許文献２は、粘度計に関するものであり、はんだ印刷機の制御には言及していない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされ、実際のはんだ印刷に対応した条件下で計測されたクリームはんだの粘度を制御因子に含めて印刷制御できる構成のはんだ印刷装置及びはんだ印刷方法を提供することを目的とする。

一実施形態として、以下に開示するような解決手段により、前記課題を解決する。

本発明のはんだ印刷装置は、容器に収容された状態のはんだサンプルを当該容器に付設されたニードルから吐出させて、前記はんだサンプルが流動する際のガス圧及びガス流量に基づいて、ずり速度及び粘度を算出する粘度計測部と、メタルマスクとスキージとを有し、前記はんだサンプルと同一材料からなるクリームはんだを基板に印刷する印刷部と、前記メタルマスクの厚み及び開口径と、前記ずり速度及び前記粘度と、に基づいて前記印刷部の印刷条件情報を設定する印刷条件設定手段と、前記印刷条件情報に基づいて前記印刷部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、実際のはんだ印刷に対応した条件下で粘度計測部が算出した「ずり速度及び粘度」に基づいて印刷部の印刷条件情報を印刷条件設定手段が設定し、制御部が印刷部を制御するので、実際のはんだ印刷に対応した条件下で計測されたクリームはんだの粘度を制御因子に含めて印刷制御できる。印刷部の制御は、例えばスキージ速度、スキージ印圧、版離れ速度、版離れ距離、版離れ係数、版離れステップの制御である。

前記粘度計測部と前記制御部、及び、前記印刷部と前記制御部とは、それぞれ信号接続されていることが好ましい。この構成によれば、データ転送してリアルタイムで印刷制御できる。信号接続方式は、例えば有線ＬＡＮ、無線ＬＡＮ、ＵＳＢ接続、その他既知のネットワーク接続が挙げられる。

前記粘度は、異なる３点以上の前記ずり速度からそれぞれ算出されたものであることが好ましい。この構成によれば、クリームはんだの経時変化に伴う印刷ばらつきを考慮した「ずり速度及び粘度」が算出でき、安定した印刷品質が得られる。

前記はんだサンプルの温度、前記クリームはんだの温度、前記印刷部の温度のいずれか１種以上が、前記印刷条件情報に含まれていることが好ましい。この構成によれば、クリームはんだの温度変化に伴う印刷ばらつきを考慮した印刷条件が設定でき、安定した印刷品質が得られる。

本発明のはんだ印刷方法は、容器に収容された状態のはんだサンプルを当該容器に付設されたニードルから吐出させて、前記はんだサンプルが流動する際のガス圧及びガス流量に基づいて、ずり速度及び粘度を算出する粘度計測ステップと、メタルマスクの厚み及び開口径と、前記ずり速度及び前記粘度と、に基づいて印刷部の印刷条件情報を設定する印刷条件設定ステップと、前記印刷条件情報に基づいて前記印刷部を制御しながら前記はんだサンプルと同一材料からなるクリームはんだを基板に印刷する印刷ステップと、を有することを特徴とする。

この構成によれば、実際のはんだ印刷に対応した条件下で計測し算出された「ずり速度及び粘度」に基づいて印刷部の印刷条件情報を設定し、実際のはんだ印刷に対応した条件下で計測されたはんだサンプルの粘度から推定されるクリームはんだの粘度を制御因子に含めて制御しながら印刷できる。

本発明のはんだ印刷装置及びはんだ印刷方法によれば、実際のはんだ印刷に対応した条件下で計測し算出された「ずり速度及び粘度」に基づいて印刷部の印刷条件情報を設定し、実際のはんだ印刷に対応した条件下で計測されたクリームはんだの粘度を制御因子に含めて印刷制御できるので、安定した印刷品質が得られ、印刷不良を防止できる。

図１は本発明の実施形態のはんだ印刷装置の構成を模式的に示す構成図である。 図２は本実施形態に係るデータベースに保存される概略のデータ項目を示す図である。 図３は本実施形態に係る粘度計測部の「ずり速度及び粘度」の計測例を示すグラフ図である。 図４Ａは本実施形態に係る印刷部のはんだローリング過程を模式的に示す断面図であり、図４Ｂは本実施形態に係る印刷部のはんだ転移過程を模式的に示す断面図であり、図４Ｃは本実施形態に係る印刷部の版離れ過程を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳しく説明する。図１は、本実施形態のはんだ印刷装置１の例を模式的に示す構成図である。はんだ印刷装置１は、はんだサンプル７１が流動する際の「ガス圧及びガス流量」に基づいて「ずり速度及び粘度」を算出する粘度計測部２と、はんだサンプル７１と同一材料からなるクリームはんだ７２を基板９０に印刷する印刷部３と、印刷部３の印刷条件情報を設定する印刷条件設定手段４と、印刷条件情報に基づいて印刷部３を制御する制御部５とを備える。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

粘度計測部２は、はんだサンプル７１を収容する容器２１と、容器２１に付設された測定用ニードル２２と、容器２１に収容されたはんだサンプル７１の温度を一定に保つ温度制御ユニット２７とが備わっている。図１の例では、容器２１はシリンジ形状となっており、温度制御ユニット２７に囲まれている。また、粘度計測部２は、容器２１の入口に接続されるアダプタ２５と、アダプタ２５を介して容器２１の内部に所定のガスを供給するガス制御ユニット２４と、ガス制御ユニット２４のガス供給を制御しつつ、ガス制御ユニット２４からのガス圧信号及びガス流量信号に基づいて「ずり速度及び粘度」を算出するコントローラ２６とが備わっている。ガスは、空気、窒素、その他の不活性ガスである。

ここで、容器２１内のはんだサンプル７１とガスの間には圧送板２８が配されている。圧送板２８は平板状若しくはブロック状であり、はんだサンプル７１のガス側の表面の変形を防止して、ガス圧を均等にはんだサンプル７１のガス側の表面に加えることができる。なお、圧送板２８として、プランジャを配する場合もある。

ガス制御ユニット２４からのガス供給によって容器２１内のはんだサンプル７１は押圧されてニードル２２から吐出される。このとき、ニードル２２の内部をはんだサンプル７１が流動し、サンプル７１が流動する際の「ガス圧及びガス流量」が計測される。そして、計測された「ガス圧及びガス流量」に基づいて「ずり速度及び粘度」が算出される。

アダプタ２５とガス制御ユニット２４とは、ガス流路を構成する管（例えば、マニホールド）で接続されている。一例として、ガス制御ユニット２４は、ガス流路の途中に設けられた流量計（例えば質量流量計や体積流量計）と、圧力計と、レギュレータまたはフィルタレギュレータとを有する（不図示）。なお、粘度計測部２は、既知の粘度計が適用可能であり、また、既知の粘度計の構成を一部変更して適用することも可能である。

印刷部３は、基板９０が載置され保持されるステージ３３と、基板９０のはんだ印刷面上に配されるメタルマスク３１と、メタルマスク３１に摺接してクリームはんだ７２を基板９０の印刷パッドに印刷するスキージ３２とが備わっている。スキージ３２がメタルマスク３１に接した状態で矢印Ｆ１方向に移動することでクリームはんだ７２をローリングさせ（図４Ａ）、クリームはんだ７２を基板９０の開口Ｄ１に押し込んで転移させて（図４Ｂ）、版離れすることよってはんだ印刷する（図４Ｃ）。なお、印刷部３は、既知の印刷機が適用可能であり、また、既知の印刷機の構成を一部変更して適用することも可能である。

図１の例では、制御部５はコンピュータであり、当該コンピュータ上で動作する印刷条件設定プログラム４がインストールされている。制御部５には、ＣＰＵ５１が内蔵される。そして、ディスプレイ装置５４と、キーボードやマウス等の入力手段５３が接続される。ここで、入力手段５３は、ディスプレイ装置５４の画面上に設けられたタッチパネルとする場合がある。制御部５は、二次記憶装置の所定の記憶領域にデータベース５２が記憶されている。データベース５２は、フラッシュメモリのような外部記憶装置（三次記憶装置）に保存しておくこともできる。なお、制御部５は、既知のコンピュータが適用可能であり、また、既知のコンピュータの構成を一部変更して適用することも可能である。

印刷条件設定プログラム４のファームウエアは、一例として、Ｃ言語やアセンブラ等の言語で構成され、Ｗｅｂブラウザおよびコマンドラインからアップデートが可能である。また、一例としてマイクロソフト社のＡＣＣＥＳＳ（登録商標）やＥＸＣＥＬ（登録商標）をファームウエアに適用でき、付属のマクロ機能を用いた印刷条件設定プログラムとする場合もある。なお、上記以外に市販のファームウエアや既知のファームウエアが適用可能である。

図１の例では、粘度計測部２に内蔵されたコントローラ２６と、制御部５に内蔵されたインターフェース５５とは信号接続されており、且つ、印刷部３に付設のコントローラ３４と、制御部５に内蔵されたインターフェース５６とは信号接続されている。この構成によれば、データ転送してリアルタイムで印刷制御できる。印刷部３の制御は、例えばスキージ速度、スキージ印圧、版離れ速度、版離れ距離、版離れ係数、版離れステップの制御である。信号接続方式は、例えば有線ＬＡＮ、無線ＬＡＮ、ＵＳＢ接続、その他既知のネットワーク接続が挙げられる。

コントローラ２６とコントローラ３４は、それぞれ既知のコンピュータが適用可能である。また、制御部５に、コントローラ２６の機能とコントローラ３４の機能とを組み込む場合がある。一例として、制御部５にコントローラ２６の機能を組み込むとともに、制御部５のインターフェース５６と印刷部３のコントローラ３４とをＬＡＮケーブルで接続する。これにより、既設の印刷機についても本実施形態のはんだ印刷装置１とすることが簡易にできる。

図２は、データベース５２に保存される概略のデータ項目を示す図である。一例として、入力項目は、チキソ指数、ずり速度[ｓ^-1]、粘度[Ｐａ・ｓ]、温度[℃]、メタルマスク３１の厚みＴ１[μｍ]、メタルマスク３１の最小開口径Ｄ１[ｍｍ]、メタルマスク３１のマスク表面処理の種別、その他既知の入力項目が挙げられる。これら入力項目のうち、温度[℃]は、はんだサンプル７１の温度、クリームはんだ７２の温度、印刷部３の温度のいずれか１種以上である。また、これら入力項目のうち、チキソ指数、ずり速度[ｓ^-1]及び粘度[Ｐａ・ｓ]は、一例として、特許文献１（特開２０１７−１４９１４７号公報）に記載された算出方法によって算出される（特許文献１の段落００４８〜段落００６０を参照）。

クリームはんだ７２（はんだサンプル７１を含む）は「非ニュートン流体」であるので、流動方程式は「べき乗則」で表され、チキソ指数は０より大きく１より小さい値となる。ここで、市販のクリームはんだの場合、チキソ指数は０．３〜０．７程度であると考えられる。なお、チキソ指数とチクソトロピー指数とは同義である。

マスク表面処理は、例えば３種類設定され、主として「面粗度」の違いと「撥水性」の有無になる。マスク表面処理は、例えば「レーザー加工したときの状態」、「レーザー加工後に研磨仕上げをしたときの状態」、「レーザー加工後に研磨仕上げをして、研磨仕上げ後、撥水コーティングを施したときの状態」である。

一例として、ずり速度の指定は、予め制御部５の所定フォルダにテキストファイル形式で保存しておく。例えば、図３のグラフ図に示すように、「ずり速度３点」を指定し、結果としてそれに対応した「粘度」を取得する。印刷部３の側からこのファイルを書き換えることで、「ずり速度３点」を指定することもできる。ずり速度の指定は３点に限定されず、４点や５点以上とする場合もある。または、ずり速度を５点以上指定し、得られた粘度のうち最大値と最小値とを特異値として算出データから除いて、中央側の「粘度」を採用する場合もある。

本実施形態によれば、異なる３点以上のずり速度からそれぞれ粘度が算出されるので、クリームはんだ７２の経時変化に伴う印刷ばらつきを考慮した「ずり速度及び粘度」が算出でき、安定した印刷品質が得られる。

データベース５２に保存される概略のデータ項目のうち、出力項目は、一例として、スキージ速度、スキージ印圧、版離れ速度、版離れ距離、版離れ係数、版離れステップ、その他既知の出力項目が挙げられる。これら出力項目は、一意的に決められるものではなく、「粘度」との組み合わせ、温度、マスク表面処理など他の条件との組み合わせでその出力値が変更される。

一例として、粘度計測部２は、クリームはんだ７１の「圧力−流量」データを取得し、そこから、開口寸法と押込み圧力との関係を割り出し、メタルマスク３１の最小開口径Ｄ１から必要なスキージ印圧を算出する。

引き続き、本実施形態のはんだ印刷方法について、以下に説明する。

本実施形態のはんだ印刷方法は、容器２１に収容された状態のはんだサンプル７１を当該容器に付設されたニードル２２から吐出させて、ニードル２２の内部をはんだサンプル７１が流動する際の「ガス圧及びガス流量」に基づいて「ずり速度及び粘度」を算出する粘度計測ステップと、メタルマスク３１の「厚みＴ１及び開口径Ｄ１」と「ずり速度及び粘度」とに基づいて印刷部３の印刷条件情報を設定する印刷条件設定ステップと、前記印刷条件情報に基づいて印刷部３を制御しながらはんだサンプル７１と同一材料からなるクリームはんだ７２を基板９０に印刷する印刷ステップとを有する。

図４Ａに模式的に示すローリング過程では、ローリングによって、クリームはんだ７２が流動し、粘度を低下させる。よって、クリームはんだ７２を移動させるスキージ３２のスキージ速度が制御因子になる。

次に、図４Ｂに模式的に示す転移過程では、メタルマスク３１の開口に、クリームはんだ７２を充填させる。その際に、開口へのクリームはんだ７２の押し込み圧が適正に制御されなければならない。この時、押し込み圧が大き過ぎると「にじみ」不良の原因になる、また、押し込み圧が小さ過ぎると、充填不足になる。よって、スキージ３２の先端に発生させるスキージ印圧が制御因子になる。

次に、図４Ｃに模式的に示す版離れ過程では、開口に充填されたクリームはんだ７２を基板９０のパッド上にできるだけ多く転写するためには、開口の壁面の抵抗を減らすことと、クリームはんだ７２の内部応力とバランスを取らなければならない。よって、版離れ速度、版離れ距離、版離れ係数、版離れステップが制御因子になる。

本実施形態によれば、実際のはんだ印刷に対応した条件下で計測し算出された「ずり速度及び粘度」に基づいて印刷部３の印刷条件情報を設定し、実際のはんだ印刷に対応した条件下で計測されたはんだサンプル７１の粘度から推定されるクリームはんだ７２の粘度を制御因子に含めて制御しながら印刷できる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。上述の例では、データベース５２が制御部５に備わっているとしたが、これに限定されず、データベース５２が印刷部３に備わっている構成とする場合があり、データベース５２が粘度計測部２に備わっている構成とする場合がある。また例えば、印刷部３に粘度計測部２および制御部５の要部を組み込んだはんだ印刷装置として、印刷しているクリームはんだをリアルタイムで測定し、印刷状態を下流側の検査機にて監視しながら、印刷不良を防止するはんだ印刷システムを構築することが可能である。そして、制御部５にＡＩ機能を搭載し、データベース５２を適時更新させながら印刷条件情報を最適化することも可能である。

１ はんだ印刷装置
２ 粘度計測部
３ 印刷部
４ 印刷条件設定手段（印刷条件設定プログラム）
５ 制御部（制御コンピュータ）
２１ 容器（シリンジ）
２２ ニードル
２４ ガス制御ユニット
２５ アダプタ
２６ コントローラ
２７ 温度制御ユニット
３１ メタルマスク
３２ スキージ
３３ ステージ
３４ コントローラ
５１ ＣＰＵ
５２ データベース
５３ 入力手段
５４ ディスプレイ
５５、５６ インターフェース
９０ 基板

本発明のはんだ印刷装置は、容器に収容された状態のはんだサンプルを当該容器に付設されたニードルから吐出させて、前記はんだサンプルが流動する際のガス圧及びガス流量に基づいて、異なる３点以上のずり速度及び粘度を算出する粘度計測部と、メタルマスクとスキージとを有し、前記はんだサンプルと同一材料からなるクリームはんだを基板に印刷する印刷部と、前記メタルマスクの厚み及び開口径と、前記ずり速度及び前記粘度と、に基づいて前記印刷部の印刷条件情報を設定する印刷条件設定手段と、データベースを有し、前記データベースに保存された前記印刷条件情報に基づいて前記印刷部を制御する制御部と、を備え、前記粘度計測部、前記制御部及び前記印刷部がネットワーク接続されていることを特徴とする。一例として、前記はんだサンプルの温度、前記クリームはんだの温度及び前記印刷部の温度が前記印刷条件情報に含まれている。

本発明のはんだ印刷方法は、ネットワーク接続された粘度計測部、制御部及び印刷部を用いるはんだ印刷方法であって、容器に収容された状態のはんだサンプルを当該容器に付設されたニードルから吐出させて、前記はんだサンプルが流動する際のガス圧及びガス流量に基づいて、異なる３点以上のずり速度及び粘度を前記粘度計測部によって算出する粘度計測ステップと、メタルマスクの厚み及び開口径と、前記ずり速度及び前記粘度と、に基づいて前記印刷部の印刷条件情報を設定する印刷条件設定ステップと、前記制御部のデータベースに保存された前記印刷条件情報に基づいて前記印刷部を制御しながら前記はんだサンプルと同一材料からなるクリームはんだを基板に印刷する印刷ステップと、を有することを特徴とする。一例として、前記印刷条件設定ステップは、前記はんだサンプルの温度、前記クリームはんだの温度及び前記印刷部の温度を前記印刷条件情報に含む。

Claims (5)

1. 容器に収容された状態のはんだサンプルを当該容器に付設されたニードルから吐出させて、前記はんだサンプルが流動する際のガス圧及びガス流量に基づいて、ずり速度及び粘度を算出する粘度計測部と、
   メタルマスクとスキージとを有し、前記はんだサンプルと同一材料からなるクリームはんだを基板に印刷する印刷部と、
   前記メタルマスクの厚み及び開口径と、前記ずり速度及び前記粘度と、に基づいて前記印刷部の印刷条件情報を設定する印刷条件設定手段と、
   前記印刷条件情報に基づいて前記印刷部を制御する制御部と、を備えること
   を特徴とするはんだ印刷装置。
2. 前記粘度計測部と前記制御部、及び、前記印刷部と前記制御部とは、それぞれ信号接続されていること
   を特徴とする請求項１記載のはんだ印刷装置。
3. 前記粘度は、異なる３点以上の前記ずり速度からそれぞれ算出されたものであること
   を特徴とする請求項１または２記載のはんだ印刷装置。
4. 前記はんだサンプルの温度、前記クリームはんだの温度、前記印刷部の温度のいずれか１種以上が、前記印刷条件情報に含まれていること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のはんだ印刷装置。
5. 容器に収容された状態のはんだサンプルを当該容器に付設されたニードルから吐出させて、前記はんだサンプルが流動する際のガス圧及びガス流量に基づいて、ずり速度及び粘度を算出する粘度計測ステップと、
   メタルマスクの厚み及び開口径と、前記ずり速度及び前記粘度と、に基づいて印刷部の印刷条件情報を設定する印刷条件設定ステップと、
   前記印刷条件情報に基づいて前記印刷部を制御しながら前記はんだサンプルと同一材料からなるクリームはんだを基板に印刷する印刷ステップと、を有すること
   を特徴とするはんだ印刷方法。

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