JP2021059029A - メタルマスク、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微細部品実装に対応可能であり、従来のものに比べ、転写面でのはんだ滲みが少なく、はんだ抜け性が良い、高い印刷品質を有するメタルマスクと、その製造方法を提供する。【解決手段】ステンレスを素材として、レーザ加工法、化学研磨法及び電解研磨法を備えた製造方法により、開口部３の側壁の表面粗さＲａが０．４μｍ以下、エッジ落込み量が１．０μｍ以下であり、側壁Ｗにドロス及び熱酸化被膜の付着がないメタルマスク１を製造する。【選択図】図１

Description

本発明は、電子回路製造工程において、基板やウエハーなどのワークに、はんだなどのペーストを微細なパターンで印刷するためのメタルマスク、及びその製造方法に関するものである。

電子回路実装工程や半導体製造工程において、部品実装をしたり、バンプ電極を形成したりするときは、基板やシリコンウエハーなどのワーク上に、はんだなどの導電性ペーストを印刷し、これをリフロー炉で高温処理をして溶接する方法が一般的に用いられている。

はんだ印刷には、金属の薄板に微細な開口部が形成された孔版であるメタルマスクが一般に使用されている。メタルマスクの開口部は、ワーク上の電極に対応するパターンで形成されており、印刷機に設置されたメタルマスクが、ワークに対して適正な位置に配置されたとき、開口部を介して電極上に適正にペーストを印刷できるように形成されている。

メタルマスクは、一般には面内にレーザにより開口部を加工されたステンレスの平板を、アルミ製の金属枠に所定の張力で貼り付けられたポリエステルのメッシュスクリーンを介して張設した、メタルマスク印刷版として使用される。そして、一面（転写面）がワークに対向する状態で設置して、反対面（スキージ面）よりスキージでペーストを開口に充填して、ワーク上に転写印刷をする。

なお、メタルマスクの作製方法としては、上記のレーザ加工法以外に、フォトリソグラフィ法と、電鋳法やエッチング法を組み合わせた方法があるが、電鋳法はフォトリソグラフィ法によるレジストの高アスペクトパターン形成が困難であり厚みのある高精細なメタルマスクの形成が難しく、エッチング法ではいわゆるサイドエッチにより開口部の側壁が曲線的な形状となるため、微細な開口形成が難しい、といった問題があり、現在は微細部品実装に対応可能なメタルマスクは、レーザ加工法により製造することが適しているとされる。

ところで、メタルマスクのペースト印刷品質を決める要因として、第一に開口部の側壁の平滑性が挙げられる。開口部側壁が平滑であれば、開口部内部でペーストがスムーズに流動して開口部から抜けやすいので、所望の量と形状でペーストをワークに転写できることから、開口部の側壁の粗さは低いことが望ましいとされる。第二に、開口部のエッジの形状がある。開口部のエッジが丸くダレていると、転写面側においては開口部周辺においてワークとメタルマスクに隙間が生じ、ペーストが滲む原因となり、スキージ面側では、開口部内へのはんだの充填効果が低減するため、開口部エッジはなるべく角が立っていることが理想的である。

ここで、レーザ加工法により製造したメタルマスクは、特に表面処理を行わない状態では、開口内部にドロスといわれる金属溶融物の残渣や、熱酸化被膜が付着している。ドロスや熱酸化被膜は、開口内部を狭くしたり、壁面を粗くしたりするため、製造工程において除去することが好ましいとされる。

ドロスや熱酸化被膜の除去手段として最も簡単なものは、バフによりメタルマスクの表面を研磨して、物理的に削り取る方法であるが、この方法では、開口部の大きさや形状により、除去の効果にバラつきがあるうえ、開口部のエッジも削られ、縁ダレを生じ、印刷時にペーストの滲みの原因となる。

次に、化学研磨法といわれる、酸性の処理液に、所定の時間と温度でメタルマスクを浸漬して、ドロスや熱酸化被膜を溶出させて除去する方法がある。この方法では、ドロスや熱酸化被膜は有効に除去できるが、表面・開口部側壁の粗化を促進してしまうので、ペーストの印刷性の改善には不十分である。

また、電解液中にメタルマスクを浸漬させて、メタルマスクを陽極として、電解液中に対向して設けた陰極との間に定電流を通電して金属を溶出させて、開口部の側壁を電気的に研磨する電解研磨法により、側壁に付着したドロスや熱酸化被膜を除去するとともに、側壁を平滑にすることができる。しかしながらこの方法では、電力の集中により開口部の縁が優先的に溶出して、縁ダレが起こりやすくなり、バフ研磨法と同様に印刷時にペーストの滲みの原因となる。

ここで、縁ダレは、後述するように、開口部のエッジ落ち込み量Ｅであらわされる。電解研磨法を用いて製造された従来のメタルマスク１００のエッジ落ち込み量Ｅは、６μｍ以上であり、印刷品質に影響を及ぼしていた。

また、電解研磨法でドロスや熱酸化被膜を除去しようとする場合、槽中での素基材の固定位置や開口の形状、メタルの厚みによって除去の度合いに差異が生じやすく、その結果、除去が進んで先に金属面が露出した箇所に電流が集中して電解研磨が進行し、その他の箇所との研磨仕上がりムラが生じて、結果として一つの開口部では寸法や形状が設計値からずれてしまったり、メタルマスク全体としても、開口部の形状や寸法にバラつきが生じてしまったりして、印刷品質に影響を及ぼすことがあった（例えば特許文献１、２参照）。さらに、電解液の通電操作では、ガスの発生を伴うが、この気泡がメタルマスク表面を伝って上昇するため、局所的な液流れが起こり、メタルマスク表面（特に開口部近傍）にガス痕とよばれる立体的なシミを発生させる。このシミは、０．５〜３μｍの深さを有し、印刷滲みの原因となる他、外観的にもメタルマスクの製品価値を落とすので、好ましくない。

特開２００４−２７６４３５号公報 特開２００５−３０５７２５号公報

この発明の目的は、上記事情に鑑み、微細部品実装に対応可能であり、従来のものに比べ、転写面へのはんだ滲みが少なく、はんだ抜け性が良い、高い印刷品質を有するメタルマスクと、その製造方法を提供することである。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ワーク上に所定のパターンでペーストを印刷するためのメタルマスクであって、平板状のステンレス製のマスク母材の面内に、印刷パターンに対応した形状と大きさと配置で開口部が形成され、前記開口部は、側壁の表面粗さＲａが０．４μｍ以下、エッジ落込み量が１．０μｍ以下であり、側壁にドロス及び熱酸化被膜の付着がない、ことを特徴とする、メタルマスクである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のメタルマスクであり、前記マスク母材における開口部周辺の表面に、目視可能な立体的シミが存在しない、ことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、ワーク上に所定のパターンでペーストを印刷するためのメタルマスクの製造方法であって、平板状のステンレス製のマスク母材の面内に、レーザ加工法により、所定の条件で印刷パターンに対応した形状と配置で開口部を形成するレーザ加工工程と、前記マスク母材を、酸性の化学研磨液に浸漬し、前記開口部の側壁から、一部または全部のドロスと熱酸化被膜を剥離または除去する、化学研磨工程と、流水及び水中における超音波洗浄により洗浄する、第一洗浄工程と、電解液に浸漬し、電極との間に電流を流す電解研磨法により、前記開口部の側壁から、残存するドロスと熱酸化被膜を除去すると供に、前記開口部の側壁と前記マスク母材の表面を電気的に研磨する、電解研磨工程と、流水により洗浄する、第二洗浄工程と、高圧の送風により乾燥させる乾燥工程を備える、ことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のメタルマスクの製造方法であって、前記電解研磨工程は、前記第一水洗工程を終え、前記マスク母材を水中から引き揚げた後、前記開口部の側壁が乾燥する前に着手する、ことを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載のメタルマスクの製造方法であって、前記電解研磨工程中に、１０秒〜５分間電流を流さない休止状態を１回以上設ける、ことを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のメタルマスクの製造方法であって、前記休止状態中は、電解研磨液からマスク母材を一時的に引き上げ、前記休止状態終了時に再度浸漬する、ことを特徴とする。

請求項１、３に記載の発明によれば、従来のステンレス製のメタルマスクより開口部のエッジ落込みが少ないので印刷後のペーストの滲みが少なく、側壁が滑らかであるとともにドロスと熱酸化被膜の付着がないのでペーストの抜け性が良く、さらに開口部の寸法の均一性が高いのでペーストの印刷体積の精度が良い、総合的に優れたペーストの印刷性能を有するメタルマスクを得ることが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、電解研磨による電解研磨工程において、マスク母材の表面に発生する気泡由来の立体的なシミ（ガス痕）が少なく、よりペーストの滲みが少なく、さらに優れたペーストの印刷性能を有するメタルマスクを得ることが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、第一洗浄工程後、開口部内壁に残存するドロスと熱酸化被膜が乾燥しきる前に電解研磨工程を行うため、電解研磨により効果的に除去することが可能となる。

請求項５、６に記載の発明によれば、電解研磨による電解研磨工程において気泡由来の立体的なシミの発生が抑制されるためペーストの滲みがなく、さらに優れたペーストの印刷性能を有するメタルマスクを得ることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係るメタルマスクの概略正面図（ａ）と、開口部周辺の概略断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態１に係るメタルマスクの製造方法の概略フロー図である。 本発明の実施の形態２に係る電解研磨工程における電流と時間の概略関係図である。 従来のメタルマスクの開口部周辺の概略断面図である。

実施の形態１
本発明の実施の形態１について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、図面において、図面中の各部の構成の大きさ、間隔、数、その他詳細は、視認と理解の助けのために、実際の物に比べて大幅に簡略化して表現している。

図１は、メタルマスク１の概略正面図（ａ）と開口部周辺の概略断面図（ｂ）である。メタルマスク１は、マスク母材２と、その面内に形成された開口３から構成される印刷孔版である。

マスク母材２は、一辺が３００〜５００ｍｍの矩形状かつ平板状のステンレス材であり、厚さは０．０５〜０．３ｍｍである。本実施の形態では、素材は一般的に広く用いられているＳＵＳ３０４を使用している。

開口部３は、マスク母材２の面内に、プリント基板への印刷パターンに対応して形成されている。その形状は円状、四角形状等、印刷するペーストの形状に合わせたものに設定されており、径若しくは一辺の長さは０．０５〜０．５ｍｍである。

開口部３の側壁Ｗは、その表面粗さはＲａ０．４μｍ以下であり、ドロス及び熱酸化被膜は製造工程にて除去されており、存在しない。

次に開口部３の縁ダレについて説明する。ここでは、縁ダレの大きさを示すエッジ落込み量Ｅは図１（ｃ）に示すように、メタルマスク１のスキージ面（図１（ｂ）の上側）の面内を通る線Ｔ１と、Ｔ１をメタルマスク１の厚さ方向を、中央（図１（ｂ）の下方向）に向って並行にずらした時に、壁面Ｗと最初に交わる点を通る線Ｔ２との最短距離、またはメタルマスク１の転写面（図１（ｂ）の下側）の面内を通る線Ｔ４と、Ｔ４をメタルマスク１の厚さ方向を、中央（図１（ｂ）の上方向）に向って並行にずらした時に、壁面Ｗと最初に交わる点を通る線Ｔ３との最短距離の平均で定義する。本実施の形態１のメタルマスク１のエッジ落込み量Ｅは、１．０μｍ以下である。

次に、本実施の形態１のメタルマスク１の製造方法について説明をする。まず、平板状のステンレス製のマスク母材２を準備する（ステップＳ１）。次に、マスク母材２の面内に、レーザ加工法により、所定の条件で印刷パターンに対応した形状と配置で開口部３を形成する（ステップＳ２ レーザ加工工程）。

次に、マスク母材２を、酸性の化学研磨液に浸漬する化学研磨法で、開口部３の側壁Ｗから、一部または全部のドロスと熱酸化被膜を剥離または除去する（ステップＳ３ 化学研磨工程）。

次に、流水で全体及び開口部３の内部を洗った後、超音波洗浄機の水槽に浸漬し、水中での超音波洗浄を行い、化学研磨液を流すとともに、側壁Ｗから剥離され、開口部３の内部に残っているドロスと熱酸化被膜を除去する（ステップＳ４ 第一洗浄工程）。

次に、電解液に浸漬し、電極との間に電流密度は１０〜２０Ａ／ｄｍ^２の電流を、通電時間は３０秒〜２分間流す電解研磨法により、開口部３の側壁Ｗから、残留するドロスと熱酸化被膜を除去すると供に、開口部３の側壁Ｗとマスク母材２の表面を電気的に研磨する（ステップＳ５ 電解研磨工程）。このとき、電流密度が１０Ａ／ｄｍ^２未満、または通電時間が３０秒未満では、効果が不十分であり、一方で２０Ａ／ｄｍ^２超、または２分より長い場合は、電解研磨が過剰になり、開口部３の寸法の変化や板厚の減耗が激しくなったり、開口部３の縁ダレが大きくなったりするので、この範囲で調整をする。

また、電解研磨工程は、第一水洗工程を終え、マスク母材２を水中から引き揚げた後、開口部３の側壁Ｗが乾燥する前に着手する、側壁Ｗが乾燥すると、化学研磨工程と第―水洗工程で側壁Ｗから剥離し、開口部３内に除去されずに残留しているドロスと熱酸化被膜が、側壁Ｗに再付着して、電解研磨工程において有効に除去されない場合がある。

次に、流水によりマスク母材２を洗浄し、開口部３に残留するドロスと熱酸化被膜を完全に除去し（ステップＳ６ 第二洗浄工程）、高圧の送風により乾燥させる（ステップＳ７ 乾燥工程）。

このようにして製造されたメタルマスク１は、前述のとおり、アルミ枠にポリエステルメッシュを介して張設されてメタルマスク印刷版としてペースト印刷に供される。

本実施の形態１によれば、従来のステンレス製のメタルマスク１００より開口部３のエッジ落込みが少ないので印刷後のペーストの滲みが少なく、側壁が滑らかであるとともにドロスと熱酸化被膜の付着がないのでペーストの抜け性が良く、さらに開口部の寸法の均一性が高いのでペーストの印刷体積の精度を良い、総合的に優れたペーストの印刷性能を有するメタルマスク１を得ることが可能となる。

また、第一洗浄工程後、開口部３内壁に残存するドロスと熱酸化被膜が乾燥しきる前に電解研磨工程を行うため、より効果的に除去することが可能となる。

実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２について説明をする。ここでは、製造方法において電解研磨工程の一部以外は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

図３は、電解研磨工程における電流と時間の概略関係図である。実施の形態１では、電解研磨工程では、一回の通電で完結連続して通電していたが、ここでは、電流を流さない休止状態を設け、電解液中に発生した気泡の上昇による局所的な液流の発生を抑制する。通電を休止する時間は、気泡が液中からなくなるまでに必要な時間であり、１０秒〜５分間である。１０秒未満の場合、気泡が十分に消滅せず、一方５分間より長い場合、気泡は完全に消滅しているので、生産効率を徒に低下させることになる。また、休止状態の回数は１回以上であり、効果が得られる範囲内で、通電状態の時間の総計が前述の時間（総通電時間）になり、かつ生産効率を低下させない程度に設定する。

このようにして製造されたメタルマスク１は、マスク母材２の表面に、目視可能な立体的なシミ（ガス痕）が存在しない。ここで、目視可能な立体的なシミとは、具体的にはシミの深さが０．５μｍ以上をいう。

これによれば、電解研磨工程において、マスク母材２の表面に発生する気泡由来の立体的なシミが少なく、よりペーストの滲みが少なく、さらに優れたペーストの印刷性能を有するメタルマスク１を得ることが可能となる。

また、電解研磨による電解研磨工程において気泡由来の立体的なシミの発生が抑制されるためペーストの滲みがなく、さらに優れたペーストの印刷性能を有するメタルマスク１を得ることが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本願発明の範囲は以上の実施の形態に限られるものではなく、これと同視しうる他の形態に対しても及ぶ。

例えば、実施の形態２で、休止状態中は、電解研磨液からマスク母材２を一時的に（１０秒〜５分間）引き上げて、マスク母材２の表面や開口部3内部に付着した気泡を除去した後、休止状態終了時に再度浸漬し、通電を再開することにより、より効果的にマスク母材２の表面の気泡を除去することができ、立体的なシミの発生を無くすことが可能となる。

１ メタルマスク
２ マスク母材
３ 開口部
Ｅ エッジ落込み量

Claims (6)

1. ワーク上に所定のパターンでペーストを印刷するためのメタルマスクであって、
   平板状のステンレス製のマスク母材の面内に、印刷パターンに対応した形状と大きさと配置で開口部が形成され、
   前記開口部は、側壁の表面粗さＲａが０．４μｍ以下、エッジ落込み量が１．０μｍ以下であり、側壁にドロス及び熱酸化被膜の付着がない、
   ことを特徴とする、メタルマスク。
2. 前記マスク母材における開口部周辺の表面に、目視可能な立体的なシミが存在しない、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のメタルマスク。
3. ワーク上に所定のパターンでペーストを印刷するためのメタルマスクの製造方法であって、
   平板状のステンレス製のマスク母材の面内に、レーザ加工法により、所定の条件で印刷パターンに対応した形状と配置で開口部を形成するレーザ加工工程と、
   前記マスク母材を、酸性の化学研磨液に浸漬し、前記開口部の側壁から、一部または全部のドロスと熱酸化被膜を剥離または除去する、化学研磨工程と、
   流水及び水中における超音波洗浄により洗浄する、第一洗浄工程と、
   電解液に浸漬し、電極との間に電流を流す電解研磨法により、前記開口部の側壁から、残存するドロスと熱酸化被膜を除去すると供に、前記開口部の側壁と前記マスク母材の表面を電気的に研磨する、電解研磨工程と、
   流水により洗浄する、第二洗浄工程と、
   高圧の送風により乾燥させる乾燥工程を備える、
   ことを特徴とする、メタルマスクの製造方法。
4. 前記電解研磨工程は、前記第一水洗工程を終え、前記マスク母材を水中から引き揚げた後、前記開口部の側壁が乾燥する前に着手する、
   ことを特徴とする、請求項３に記載のメタルマスクの製造方法。
5. 前記電解研磨工程中に、１０秒〜５分間電流を流さない休止状態を１回以上設ける、
   ことを特徴とする、請求項３または４に記載のメタルマスクの製造方法。
6. 前記休止状態中は、電解研磨液からマスク母材を引き上げ、前記休止状態終了後に浸漬する、
   ことを特徴とする、請求項５に記載のメタルマスクの製造方法。

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