JP2023522557A - 部品上へのはんだペースト印刷のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コーティングされたフィルムから電子部品上にはんだペーストを印刷し、その電子部品を基材上に、その両者間にはんだペーストがある状態で配置するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】材料（例えば、はんだペーストなどの粘性材料）のドット様部分が、第１の印刷ユニットで電子部品上に印刷されるか、または別様に転写され、その後、その電子部品が、その電子部品と基材との間の粘性材料の部分で、基材上に配置される、システムおよび方法である。任意選択的に、材料のドットを電子部品上に印刷する印刷ユニットは、ドナー基材上にその材料の均一な層を作成するコーティングシステムを含み、その材料は、印刷ユニットによって、ドナー基材から電子部品上に、個々のドット様部分に転写される。本システムはまた、プロセス全体に役立つ画像化ユニットも含むことができる。【選択図】図２ａ

Description

（関連出願）
本出願は、２０２０年２月２６日に出願された米国特許仮出願第６２／９８１，９００号の優先権を主張する。

本発明は、コーティングされたフィルムから電子部品上にはんだペーストを印刷し、その電子部品を基材上に、その両者間にはんだペーストがある状態で配置するためのシステムおよび方法に関する。

表面実装技術（ＳＭＴ）は、電子部品をプリント回路基板（ＰＣＢ）の表面に実装するために使用される電子的アセンブリの分野であり、従来のアセンブリのように、部品をＰＣＢ内のスルーホールに挿入する技術とは、対照的である。ＳＭＴは、製造コストを削減し、ＰＣＢスペースの効率的な使用を可能にするために開発された。表面実装技術の導入、およびこれまでの自動化レベルの向上の結果として、現在、高度に複雑な電子回路を良好な再現性でますます小さいアセンブリに構築することが可能である。

表面実装はんだ付けプロセスは、電子部品または基材の電気接点、少量のはんだペースト、および互いに近接するプリント回路基板上のはんだ可溶性パッドを配置することを伴う。次いで、その材料は、はんだがリフローするまで加熱され、はんだ可溶性パッドと、電子部品の電気接点との間に電気的接続を形成する。はんだがリフローすると、そのはんだは、電子部品とプリント回路基板との間に電気的接続および機械的接続の両方を形成する。このプロセスは、部品が同時に相互接続され得、そのプロセスが再現可能であり、低コストであり、かつ大量生産に適合しやすいため、他の相互接続方法を凌駕する非常に多くの利点を有する。

表面実装アセンブリプロセスの最も重要な部分のうちの１つは、プリント回路基板へのはんだペーストの塗布である。このプロセスの目的は、はんだの正しい量を、はんだ付けされるパッドの各々に正確に堆積させることである。これは、通常、ステンシルまたはホイルを介して、はんだペーストをスクリーン印刷することによって達成されるが、噴出印刷によって行うこともできる。プロセスのこの部分が、正しく制御されない場合、アセンブリ不良のうちのほとんどを占めると広く信じられている。

はんだペースト自体は、フラックス組成物と、エレクトロニクス産業で広く使用されている粉末はんだ金属合金との混合物である。室温において、はんだペーストは、実質的に任意の形状に順応するように作製することができるほど、十分適合可能である。同時に、はんだペーストは、それが接触して配置される任意の表面に付着しやすいほど、十分「粘着性」がある。これらの性質により、はんだペーストは、表面実装はんだ付け、およびボールグリッドアレイパッケージなどの電子部品への、またはプリント回路基板へのはんだバンプの形成の両方に有用となる。

はんだペースト印刷は、現在の表面実装アセンブリプロセスにおいて、非常に重要な段階である。ステンシルまたはフィルムが印刷のために使用される場合には、最終製品の不良につながる手順に悪影響を及ぼし得るいくつかの可能性のある項目が存在する。例えば、ステンシル自体は、極めて正確である必要があり、厚すぎるステンシルでは、はんだブリッジショートが起こることになり、これに対して、薄すぎるテンシルでは、塗布されるはんだが不十分であることが起こることになる。同様に、ステンシル開口部のサイズが大きすぎる場合には、はんだブリッジショートが起こる可能性があるが、ステンシル開口部のサイズが小さすぎる場合には、不十分なはんだペーストが塗布されることになる。一般に、ＰＣＢパッドサイズよりもわずかに小さくサイズ設計された円形状ステンシル開口部を使用して、リフロー中のブリッジ不良を防止することが最善である、と考えられている。それにもかかわらず、不良は、ステンシル製造において起こり得る。

スクリーン印刷のために使用されるブレードもまた、最適化される必要があり、ブレードの角度は、はんだペーストに加えられる垂直力に影響を及ぼす。その角度が小さすぎる場合には、はんだペーストは、ステンシル開口部の中に押し出されないことになる。ブレード圧力が小さすぎる場合には、はんだペーストがステンシルにきれいに塗布されるのが妨げられることになり、ブレード圧力が大きすぎる場合には、より多くのペースト漏れが起こることになる。

別の重大な点は、印刷速度が高いほど、ステンシル開口部表面を通してはんだペーストを塗布するのに費やされる時間が短くなり、したがって、印刷速度が高いほど、不十分なはんだが塗布されることが起こり得る。現在のプロセスでは、印刷速度は、約２０～４０ｍｍ／ｓに制御される必要があり、したがって、最大速度は、現在、印刷プロセスによって制限される。

このプロセスのために噴出印刷を使用することは、はんだペーストが高い粘度揺変性材料であるために制限されており、したがって、ほとんどの噴出ヘッドが低粘性材料用に設計され、目詰まりに対して非常に影響を受けやすいため、噴出は、極めて複雑である。しかしながら、噴出および吐出は、この分野における広範な活動から見てわかるように、非常に有望なアプローチである。例えば、ＷＯ２００７／０８４８８８Ａ２、ＵＳＰＧＰＵＢ２０１１／００１７８４１Ａｌ、米国特許第９，８０８，８２２Ｂ２号、および米国特許第８，７４０，０４０Ｂ２号を参照されたい。有望ではあるが、粘性材料の噴出は、ある程度望ましくないデブリ、ならびに最終アセンブリでの不良の形成を引き起こす。レーザベースのプロセスと比較すると、それはまた、ディスペンサー機構に依存する、ゆっくりとしたプロセスでもある。

国際公開第２００７／０８４８８８（Ａ２）号 米国公開特許公報第２０１１／００１７８４１（Ａ１）号明細書 米国特許第９８０８８２２（Ｂ２） 米国特許第８７４００４０（Ｂ２）

本発明者らは、はんだペースト材料を噴出印刷するが、最終アセンブリでの不良を引き起こさない方法でそれを実行することが望ましいと認識している。その目的のために、発明者らは、ＰＣＢボード上に部品を実装する「ピックアンドプレース」段階の最中またはそれ以前に、電子部品上にはんだペーストを直接噴出させ、それにより、スクリーン印刷プロセスによって引き起こされる課題を回避しながら、噴出の不良に対処することを伴うシステムおよび方法を開発した。

本発明の一実施形態では、はんだペースト印刷システムは、非常に明確に画定されたギャップにわたって、「ピックアンドプレース」マシンによって保持される電子部品上にはんだを直接印刷するように構成される。本システムは、様々なプロセスをモニタリングおよび制御するための１つ以上の画像化装置を含むことができる。

発明のいくつかの実施形態では、印刷システムは、印刷される材料の均一な層を基材上に作成するコーティングシステムを含む。このコーティングシステムは、それが存在する場合、印刷される材料のシリンジ、およびドナーまたはキャリア基材上にその材料を移動させる空気または機械ポンプを含むことができる。次いで、このドナー基材は、ローラーまたはナイフの間の、明確に画定されたギャップに向かってかつそのギャップを通して移動され、ギャップによって画定される厚さを有する、印刷される材料の均一な層を作成する。あるいは、コーティングシステムは、その材料が、明確に画定された穴を有するフィルムのスクリーンまたはステンシル上にコーティングされるスクリーン印刷モジュールを含むことができ、ブレードまたはスクイージーを使用して、その材料は、ソフトまたはハード係合で基材に転写される。本発明のなおもさらなる実施形態では、コーティングシステムは、基材上に材料を印刷するためのディスペンサーもしくはインクジェットヘッド、グラビアもしくはマイクログラビアシステム、スロットダイシステム、または印刷される材料の非常に均一な層で基材をコーティングするローラーコーティングシステムを含むことができる。このコーティングシステムは、印刷される材料からの溶剤の揮発を防止するか、または材料の酸化を防止するための制御環境（低温または高温）を伴う密閉箱内に収容することができ、それによって、その材料のポットライフを延ばすことができる。また、コーティングシステムは、２つ以上の材料を含むことができ、それによって、制御された順番で中間基材上に複数の材料を印刷する可能性を作り出し、最終基材上に２つ以上の材料を印刷することを可能にすることができる。コーティングシステム内では、ドナー基材は、双方向に、または別様に制御された方法で、例えば、コーターローラー間のギャップを開放し、ローラーを汚染することなく、印刷される材料でドナー基材の同じ領域を再コーティングする可能性を作り出し、かつ初期印刷プロセス中に消費される基材の量を軽減または排除しながら、並進可能とすることができ、それによって、無駄を防止することができる。

本発明の様々な実施形態では、印刷される材料は、印刷される電子機器に使用されるはんだペーストもしくは他の金属ペースト、金属ペーストもしくはセラミックペースト、接着剤、ポリマー材料、またはポリマーおよびモノマー材料の混合物とすることができる。

印刷プロセスは、ある基材から別の基材への材料の噴出を可能にするための、高周波レーザを収容するレーザベースのシステムを使用することができる。レーザアシスト堆積／レーザ吐出システムのいずれかを使用して、そのシステムが位置する重力場の主軸から０～９０度または９０～１８０度だけ回転させることができ、印刷品質を低下させることなく、より単純なメカニズムを可能にする。

本発明のいくつかの実施形態では、印刷ユニットは、ドナー基材と電子部品との間の、非常に明確に画定されたギャップを維持するように構成されたギャップ制御ユニットを含む。例えば、コーティングされた基材と電子部品との間の、非常に明確に画定されたギャップは、ＵＳＰＧＰＵＢ２００５／１０９７３４Ａ１、米国特許第６，１２２，０３６Ａ号、ＷＯ２０１６／１９８２９１、およびＥＰ３，２１９，４１２Ａ１に記載されているように、並進および回転の両方を可能にする、制御ユニットのコーナーにある３つのアクチュエータの平面によって維持することができる。そのようなアクチュエータは、２つの平面で並進および回転の両方を可能にするための、コーティングされた基材および電子部品の両方のための制御ユニットのコーナーで使用することができ、そこでは、２つの平面は、独立しているか、または互いに乗っている。

本発明の別の実施形態では、ドナー基材と電子部品との間の、非常に明確に画定されたギャップは、それら２つの間に固定されたギャップを設けることによって達成される。

本発明のいくつかの実施形態では、中間基材は、連続的な透明フィルム基材、金属層によって、もしくは金属および誘電体層によってコーティングされた透明フィルム基材、または透明な固い基材であってもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、「ピックアンドプレース」マシンが、印刷システムの下に電子部品を保持し、それをＰＣＢボードに転写することになる。さらに、印刷された画像は、画像化システムによって処理することができる。そのような画像化システムは、顕微鏡、または電子部品上の印刷される材料のドットの写真を撮影し、２次元でそのドットを測定する電荷結合デバイス（ＣＣＤ）とすることができ、測定データは、その後、最終基材上の正確な堆積のために処理される。あるいは、画像化システムは、中間基材上の印刷される材料のドットの写真を撮影し、３次元でそのドットを測定する３次元（３Ｄ）顕微鏡であってもよく、測定データは、その後、最終基材上の正確な堆積のために「ピックアンドプレース」ユニットに転送される。本発明のなおもさらなる実施形態では、画像化システムは、２つの顕微鏡またはＣＣＤが配置され、その一方は、電子部品上の印刷される材料のドットを画像化して２次元（例えば、長さおよび幅）でそのドットを測定することができ、これに対して、その他方は、３次元（例えば、高さ）でそのドットを測定し、測定データのすべては、その後、最終基材上の正確な堆積のために「ピックアンドプレース」ユニットに転写される。いずれにしても、画像化システムは、印刷ユニットの中および／または後に含まれ得、電子部品から画像を取り込むことができる。本発明の一実施形態では、印刷ユニットの画像化システムは、電子部品の表面、ならびに／または印刷ユニットのメインレーザチャネルから画像を取得して、ドットの寸法、および最終基材の目標領域の両方を同時に画像化するためのミラーを採用することができる。

本発明は、以下の添付図面の図に、例として説明されており、それらに限定されない。

概念的な方法で、本発明の実施形態に従って構成されたシステムを示す図であり、このシステムは、狭ギャップ、はんだペーストの高解像度および高速印刷を提供するレーザベースの印刷システム、ＰＣＢボードへの電子部品の、非常に高い歩留まりで、正確で、かつ堅牢な配置を達成するための「ピックアンドプレース」配置システムを採用する。 図１に提示された概念的概要に従って構成されたシステムの態様を概略的に示す図である。 図１に提示された概念的概要に従って構成されたシステムの態様を概略的に示す図である。 コーティングされた基材、レーザベースの印刷システム、電子部品を保持する「ピックアンドプレース」マシン、および電子部品の配置前の取捨選択可能な画像化システムを使用して、図２に示された概略図に従って構成されたシステム配置の例を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による、シリンジによってフィルム基材上に材料を配置することを示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による、その材料を、明確に画定されたギャップを通過させることによって、均一な層を作成することを示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による、固体またはフィルムの基材上のドットの画像化のために、メインレーザチャネルまたはミラーを使用する態様を示す図である。

本発明は、電子部品の上部に非常に高速で、高解像度のはんだペーストを印刷すること、例えば、コーティングされたフィルムから電子部品の上部にはんだペーストを直接印刷し、その後、基材（例えば、ＰＣＢボードまたは他の基材）上に電子部品を直接配置することを可能にする、システムおよび方法に関する。この印刷プロセスは、レーザアシスト堆積／レーザ吐出システムを使用して実行され、高速で高解像度を達成することができる。電子部品は、ＳＭＴプロセスに使用される任意の電子部品、例えば、コンデンサ、抵抗器、ダイオード、チップ、完全集積回路、または任意の他の部品とすることができる。基材上への電子部品の配置は、「ピックアンドプレース」マシンを使用して実行することができ、そのマシンは、部品を保持し、かつその部品の背面を露出させて、部品上にはんだペーストを印刷し、かつその部品と基材との間の印刷されたはんだペーストでＰＣＢボード上にその部品を配置する。

場合によっては、複数の材料が、電子部品に印刷され得る。例えば、上述した方法で第１の材料を印刷した後、電子部品は、第２の（または追加の）材料が１つ以上の場所でコーティングされたフィルムからその電子部品に吐き出されるまで、印刷ユニットの下に維持され得る。この第２の（または追加の）材料は、第１の材料を電子部品上に印刷する前または後に、コーティングされたフィルムに塗布され得る。このようなアプローチを使用すると、複数の材料を、電子部品上に、ほぼ同時に印刷することができる。その上、単一の印刷領域内に複数のコーティングされたフィルムを同時に有することができ、その結果、その複数のフィルムをコーティングするそれぞれの異なる材料が、単一の印刷領域内に電子部品を維持しながら、コーティングされたフィルムにわたってレーザまたは他の印刷ヘッドをスキャンすることによって、実質的に同時に印刷することができる。電子部品とともに複数の材料を使用する一例は、接着剤印刷である。そのような場合、２つの材料の混合物が、材料間で反応を開始することができる（エポキシ対アミンまたはシラノール対Ｐｔ触媒の場合のように）。その目的のために、それらの材料は、コーティングされた基材においては混合されないが、電子部品上に一度だけ印刷される。そうすることによって、印刷ヘッドの目詰まり、および他の望ましくない副次的作用が回避される。

本発明を詳細に説明する前に、システム１０の概念的な概要を提供する図１を参照することは有用であり、このシステムは、本発明による、はんだペースト（または他の材料）を電子部品上に直接印刷するための狭または接触ギャップ印刷システム１２、印刷前処理および／または検査１４、ならびに上に印刷されたはんだペーストをＰＣＢもしくは他の基材１６上に有する部品のピックアンドプレースの位置決めを採用する。以下にさらに説明されるように、狭または接触ギャップ印刷システムは、ドナー基材へのはんだペーストの初期コーティングを含むことができる。印刷前処理および／または検査１４の一部として、部品上に印刷されるものとしてのはんだペーストは、初期プロセスおよび後続プロセスのモニタリングおよび制御のための１つ以上の画像化装置によって観察することができる。次いで、それらの部品が、部品とＰＣＢとの間に配置されて以前に印刷されたはんだペーストでＰＣＢまたは他の基材上に配置されるとき、位置決め手順もまた、１つ以上の画像化装置によって観察することができる。

この手順の一実施態様では、はんだペーストは、第１の印刷プロセス１２の間に、部品上にドット（例えば、小さくて、一般的に、丸い斑点または液滴）として分配され、部品上のはんだドットは、その部品がその部品とＰＣＢとの間に配置されるはんだドットでＰＣＢ上に配置される前に、画像化システムによって観察される。部品へのはんだドットの印刷は、レーザアシスト堆積／レーザ吐出システム印刷ユニットによって行われ得、そこでは、はんだドットは、高周波レーザを使用して、コーティングされた基材上のはんだペーストの均一な層から部品上に射出される。材料の噴出は、明確に画定され、かつ堅牢な方法で実行されて、ドットサイズの小さい分布を維持する。そのような配置では、コーティングされた基材は、システムの堅牢性において重要な役割を果たす。したがって、追加のコーティングシステムが、第１の印刷ユニットの前に追加され得る。そのようなコーティングシステムは、マイクログラビアもしくはスロットダイコーター、またはローラーコーティングシステムに基づく従来のコーティングシステムであり得る。それはまた、スクリーン印刷ベースのコーティングシステム、ディスペンサー、またはインクジェットシステムとすることもできる。

図２ａおよび図２ｂは、図１に提示された概念的概要に従って構成されたシステム２０ａ、２０ｂの態様を概略的に示す。これらのシステムの各々は、部品配置プロセスからはんだ噴出プロセスを分離する。

図２ｂにおいて、印刷システム２０ｂは、ドナー基材２８上に印刷予定材料（例えば、はんだペースト）の均一な層２６を作成するコーティングシステム２２を含む。本発明の一実施形態では、コーティングシステム２２は、印刷予定材料のシリンジ、およびドナー基材２８上にその材料を移動させる空気または機械ポンプを含む。次いで、ドナー基材２８は、モータ、ローラーなどを使用して、ローラーまたはナイフ間の明確に画定されたギャップに向かって移動されて、ギャップによって画定されている厚さを有する印刷予定材料の均一な層２６を作成する。本発明のいくつかの実施形態では、ドナー基材２８は、コーターローラー間のギャップを開放し、ローラーへの汚染なしに印刷予定材料でドナー基材の同じ領域を再コーティングする可能性を作り出し、かつ初期印刷プロセス中に消費される基材の量を軽減または排除しながら、制御された方法で双方向に並進することができ、それによって、廃棄物を防止することができる。

さらなる実施形態では、コーティングシステム２２は、スクリーン印刷モジュールを含むことができ、そこでは、ドナー基材２８は、明確に画定された穴を有するスクリーンまたはステンシルを使用してコーティングされ、粘性材料は、ブレードまたはスクイージーを使用してそれに塗布され、その粘性材料は、その後、ソフトまたはハードな係合でドナー基材２８に転写される。あるいは、コーティングシステム２２は、粘性材料をドナー基材２８上に印刷するためのディスペンサーまたはインクジェットヘッドを含んでもよい。または、コーティングシステム２２は、印刷される材料の非常に均一な層２６でドナー基材２８をコーティングするグラビアまたはマイクログラビアシステムであってもよい。本発明の一実施形態では、コーティングシステム２２は、印刷される材料の非常に均一な層２６でドナー基材２８をコーティングするスロットダイシステムである。本発明の別の実施形態では、コーティングシステム２２は、印刷される材料の非常に均一な層２６でドナー基材２８をコーティングするローラーコーティングシステムである。詳細には示されていないが、図２ａの印刷システム２０ａはまた、レーザベースの印刷システム３０の一部として、（コーティングシステム２２などの）コーティングシステムを含むこともできる。

図２ａに示すように、本発明の一実施形態では、レーザベースの印刷ユニット３２、および任意選択的にコーティングシステム２２を含み得るレーザベースの印刷システム３０は、制御環境（低温または高温）を有する密閉箱３４の中に収容されて、印刷予定材料からの溶剤の揮発を防止するか、または材料の酸化を防止し、それによって、その材料のポットライフを延ばす。本発明のいくつかの実施形態では、コーティングシステム２２は、２つ以上の材料を含み、それによって、制御された順番で複数の材料を電気部品上に印刷する可能性を作り出し、最終基材３８上に２つ以上の材料を印刷することを可能にする。

図２ｂに戻ると、レーザベースの印刷ユニット３２は、コーティングされた基材２８からのはんだペーストのドット２４を電気部品３４の電気接点上に直接印刷する。この狭ギャップ／接点印刷プロセス３０に使用されるレーザベースの印刷ユニット３２は、レーザアシスト堆積／レーザ吐出システムによってドナー基材２８から電気部品３４にコーティングされた材料２６の層の部分を噴出させるように構成された高周波レーザを収容するレーザベースのシステムを含むことができる。このレーザアシスト堆積／レーザ吐出システムは、そのシステムが位置する重力場の主軸から０～９０度または９０～１８０度だけ回転することができ、印刷品質を低下させることなく、より単純な機構を可能にする。

あるいは、コーティングシステムが使用されない場合、狭ギャップ／接点印刷プロセス３０は、はんだペーストを電気部品３４に直接噴出させることを可能にするインクジェットヘッドシステムを採用することができる。または、狭ギャップ／接点印刷プロセス３０は、材料を電気部品３４に直接印刷することを可能にするディスペンサーヘッドシステムを使用してもよい。なおもさらに、狭ギャップ／接点印刷プロセス３０は、オフセットプリンタモジュール、グラビア印刷モジュール、または任意の従来の印刷技術を使用して、材料を電気部品３４に直接印刷してもよい。例えば、狭ギャップ／接点印刷プロセス３０は、スクリーン印刷モジュールを使用することができ、そこでは、印刷予定材料は、明確に画定された穴を有するフィルムのスクリーンまたはステンシル上にコーティングされ、ブレードまたはスクイージーが採用されて、ソフトまたはハードな係合でその材料を電気部品３４に転写し、電気部品３４上に印刷予定材料のドットの配列を作成する。

本発明のいくつかの実施形態では、狭ギャップ印刷プロセス３０で採用される第１の印刷ユニット３２は、ドナー基材２８と電気部品３４との間の、非常に明確に画定されたギャップ制御ユニットを含む。一例では、ドナー基材２８と電気部品３４との間の、非常に明確に画定されたギャップは、参照により本明細書に組み込まれるＵＳＰＧＰＵＢ２００５／１０９７３４Ａ１、米国特許第６，１２２，０３６Ａ号、ＷＯ２０１６／１９８２９１、およびＥＰ３，２１９，４１２Ａ１に記載されているように、並進および回転の両方を可能にする制御ユニットのコーナーにある一組の３つのアクチュエータを使用して維持される。複数組の３つのアクチュエータユニットは、ドナー基材および電気部品３４の両方のための制御ユニットのコーナーで使用されて、両方の平面における並進および回転の両方を可能にしており、２つの平面は、独立しているか、または互いに乗っている。あるいは、ドナー基材２８と電気部品３４との間の、非常に明確に画定されたギャップは、ドナー基材および／または電気部品３４の下方に固定支持体を設けることによって維持されてもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、第１の印刷ユニット３２での電気部品３４への印刷の後、印刷された電気部品３４は、粘性材料の第２の印刷のために、第１の印刷ユニット３２に戻すことができる。いずれにしても、（ドット２４または他の配置の形態で）粘性材料で印刷された後に、電気部品３４は、第１の印刷ユニット３２から基材３８、例えば、ＰＣＢに向かって移動され、そこでは、電気部品３４は、それぞれの電気部品３４と基材３８との間にある印刷されたはんだペーストおよび／または他の粘性材料とともに配置される。

本発明のいくつかの実施形態では、第１の印刷ユニット３２から、部品が配置されている基材３８までの電気部品３４の移動の間に、電気部品３４上に印刷された材料（例えば、はんだペースト）は、画像化システム５０によって処理することができる（例えば、図２ａを参照）。そのような画像化システム５０は、１つ以上の顕微鏡、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）、および／または電気部品３４上の材料２４の印刷されたドットの単数の写真（または複数の写真）を撮影し、２次元または３次元でそのドットを測定する他の画像化部品であってもよい。例えば、画像化システム５０は、一方が中間基材上の印刷されたドットを画像化し、２次元（例えば、長さおよび幅）でそのドットを測定することができ、これに対して、他方は、３次元（例えば、高さ）でそのドットを測定することができるように配置された２つの顕微鏡またはＣＣＤを含んでもよい。この測定データは、その後、ピックアンドプレースマシン４４に転送されて、基材３８上の電気部品３４の正確な堆積を確実にすることができる。例えば、図２ａに示すように、光学的検査または他の画像化検査は、ドット２４のうちの多くが、基材３８への電気部品３４の転写に適切であるが（例えば、図中のチェックマークで示されている）、ドット２４のうちのいくつかが、作り損われたか、または別様に最終基材３８に転写するのに不適切である（例えば、図中の「Ｘ」で示されている）ことが判明する場合がある。次いで、このデータにアクセスするコントローラ（例示せず）は、ピックアンドプレースマシン４４を動作させて、電気部品３４の不適切なドットを基材３８に転写するのを省くことができる。画像化システムはまた、電気部品３４の配置の後に含められて、それらの部品の配置が適切に行われたことを確実にすることができる。本発明の一実施形態では、画像化システムは、印刷ユニット３２に位置決めされ、印刷ユニットの電気部品３４および／またはレーザチャネル５２の表面から画像を取得するために採用されるミラーまたは他の光学素子を使用して、ドットの寸法、および電気部品の両方を画像化することができる。

図３は、本発明に従って構成されたシステム６０の一例を示す。このシステム６０は、上述した、システム２０ａおよび２０ｂの態様を例示している。特に、システム６０は、リザーバ、例えば、シリンジ６４からドナー基材２８上にはんだペースト６２を移動させるための空気または機械ポンプ（図示せず）を使用して、ドナー基材２８上にはんだペースト（および／または他の材料）６２の均一な層２６を作成するコーティングシステム２２を含む。次いで、ドナー基材２８は、ローラーまたはギヤ６６を使用して、ローラーまたはナイフ７２間の、明確に画定されたギャップ７０に向かって移動され、ギャップ７０によって画定される厚さを伴うドナー基材２８上にはんだペーストの均一な層２６を作成する。

システム６０はまた、電気部品３４上にはんだペースト６２のドット２４を生成するように構成されたレーザベースの印刷ユニット３２も含む。この例では、ドナー基材２８は、透明フィルムであってもよく、レーザベースの印刷ユニット３２は、ドナー基材２８から、コーティングされた材料２６の層の部分を噴出させるように配置されて、材料２６の層間の境界上にレーザビーム７６を集束させることによって電気部品３４上にドット２４を形成するように構成された高周波レーザを収容するレーザモジュール７４を含む。入射レーザビームは、電気部品３４上にはんだペースト６２の噴出を移動させる、相変化および高い局所圧力の後に続く局所加熱を引き起こす。電気部品３４に印刷した後、印刷された電気部品は、必要に応じて、または所望に応じて、はんだペースト６２の第２の（または追加の）層の印刷のために戻すことができる。

あるいは、ドナー基材２８は、スクリーンまたはグリッドであってもよく、そこでは、はんだペースト６２が、コーター７２によってスクリーンの穴の中に導入され、そのコーターは、ローラーまたはブレードであってもよい。そのような場合、レーザモジュール７４からの入射レーザビーム７６は、はんだペーストを、スクリーン内の穴から電気部品３４上に移動させることができる。

ドット２４が電気部品３４上に印刷されると、部品３４は、例えば、ピックアンドプレースマシン４４によって、画像化システム５０の検査領域に向かって移動され、その画像化システムは、はんだペーストの印刷されたドット２４の写真を撮影し、２次元または３次元でそのドットを測定するように構成された１つ以上の３Ｄおよび／または２Ｄ画像化部品を含む。この測定データは、ピックアンドプレースマシン４４によって使用されて、最終基材３８上の部品３４の正確な堆積を確実にし、かつ／または新規もしくは追加のはんだペーストドット２４の塗布のためのはんだペースト印刷領域に部品を戻すことができる。

画像化システム５０のよる検査の後、既存のはんだドット２４が許容可能と見なされる場合、部品３４は、ピックアンドプレースマシン４４によって移動されて、その部品が配置される予定のＰＣＢ基材３８の領域にわたって位置決めされる。ＰＣＢ基材３８は、２次元ステージ９０を使用して正確に位置決めされ、その結果、部品３４を受容するように適切に配向することができる。次いで、部品３４は、その部品をＰＣＢ基材上に所定の位置に取り付けるように、それらの間にあるはんだドット２４でＰＣＢ基材３８上に配置される。

略図には図示されていないが、追加の検査ユニット（検査ユニット５０と同様の）は、部品３４がＰＣＢ基材３８上に配置される領域に関連付けることができる。そのような検査ユニットは、ＰＣＢ基材の表面から画像を取得して、ステージ９０を介して電子部品３４の下方にＰＣＢ基材の位置調整を支援し、ならびにＰＣＢ基材上の電気部品の配置を同期させるのに役立つように採用されるミラーまたは他の光学素子を含むことができる。

レーザベースの印刷ユニット３２の代替配置は、はんだペースト６２が、空気または機械ポンプを使用して、ローラー上のリザーバ、例えば、シリンジ６４から移動されるコーティングシステム２２を含むことができる。ローラー上の材料層は、ローラーの表面の上方に所定の距離を移動する１つ以上のナイフを使用して、厚さを均一に保つことができる。ローラーは、凹部を作成されるか、またはそれ以外の方法で凹部とともに形成されて、印刷される材料の所定の量を含むことができ、その量は、２つのローラーが材料転写領域内で互いに接触するときに、印刷ローラーに転写される。あるいは、ローラーは、はんだペーストが中に導入される穴を有するスクリーンまたは格子状の表面を有してもよい。ローラーが印刷領域を通って回転を完了すると、そのローラーは、ドットの形態ではんだペーストを電気部品上に転写する。材料がローラーから転写された後、そのローラーは、検査領域を通過することができ、任意の残りのはんだペーストは、新しいはんだペーストを塗布する前に、ナイフまたは他の器具を使用して除去することができる。

例えば、上述の技術のうちの１つを使用して、ドナー基材２８から電子部品３４にはんだペーストを転写すると、非常に明確に画定されたギャップ１１２は、ローラー６６および／または電子部品３４を位置決めして、はんだペーストを受容することによって、コーティングされたドナー基材２８と、電子部品３４との間に維持することができる。ギャップの幅は、１つ以上の検査ユニット（図示せず）によってモニタリングされ、適切な制御システム（図示せず）によって維持され得る。また、図３は、電子部品３４上のはんだペーストドット２４と、基材３８上の電子部品３４との堆積に対して垂直に配向されたシステムを示しているが、これらの動作のうちのいずれかまたは両方は、そのシステム６０が位置する重力場に対して９０度（または任意の他の配向）で行うことができる。例として、図において、重力場が本ページの上部から本ページの下部にあると仮定すると、レーザベースの印刷ユニットは、その重力場に対して直交する角度で、ドナー基材２８から電子部品３４にはんだペーストドット２４を印刷するように構成することができる。このような配置は、図に示されているよりもコンパクトな構成を提供することができる。

図４ａおよび図４ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、シリンジ６４を使用してフィルム基材２８上に材料６２のある量を配置することによって（図４ａ）、およびその材料を、明確に画定されたギャップ１２６を通過させて、はんだペーストの均一な層２６を作成することによって（図４ｂ）、はんだペーストの均一な層２６をドナー基材２８上に作成することをさらに示す。その明確に画定されたギャップ１２６は、適切な制御ユニット（例えば、ステッピングモータまたは圧電トランスデューサ）を使用して、一対のローラー１２８ａ、１２８ｂまたはナイフをともに近づけることによって作成される。

図５は、本発明のいくつかの実施形態による、電子部品３４上のはんだペーストドット２４を画像化するためのメインレーザチャネルを使用する態様を示す。この例では、はんだペーストのドット２４は、電子部品３４上に印刷され、カメラ１９６を使用し、メインレーザチャネルを介してそのドットを画像化する。あるいは、カメラ１９６は、ドット２４の画像をカメラに向かって反射させるように、メインレーザチャネルおよびその中に挿入された半透明ミラー１９８からオフセットされてもよい。この種類の画像化を使用して、材料ドットを電子部品上に最適に配置することを確実にすることができる。カメラおよびミラーを使用する同様の画像化システムを使用して、ＰＣＢ基材上の電子部品の配置を上部および／または側面からモニタリングすることができるが、レーザは、その転写点には存在しない。

このように、コーティングされたフィルムからはんだペーストを電子部品上に印刷し、電子部品を、両者間にあるはんだペーストで基材上に配置するためのシステムおよび方法が説明されてきた。様々な実施形態では、これらのシステムおよび方法は、はんだペーストがドナー基材上に吐き出され、次いで、電子部品が基材に最終的に取り付けられる前に、はんだペーストが、その電子部品上に印刷される、マルチステップ手順を採用する。はんだペーストおよび／または電子部品は、全体的なプロセスの中で、様々なステップを通って進行するときに、１つ以上の画像化ステップを経ることができる。電子部品に印刷する際に非常に狭いドットサイズ分布を達成するために、コーティングされたドナー基材と、電子部品との間の、非常に明確に画定された距離を制御することが重要である。その目的のために、いくつかの機械的な解決策のいずれかを使用することができる。例えば、コーティングされたドナー基材（フィルムまたはホイルであってもよい）と、電子部品との間の距離は、機械的で、明確に画定されたホイル、または互いに隣接する２つのローラーを使用することによって、制御されてもよい。または、コーティングされたドナー基材と、電子部品との間の距離は、同じ機械上に両方を有することによって、決定的に画定されてもよい。

印刷中の噴出させる配置および解像度を向上させるために、画像化システムを追加して、電子部品および最終基材の上に印刷されたドットの寸法および配置をモニタリングすることができる。その目的のために、１つ以上の画像化システムを追加して、電子部品をモニタリングすること、および最終基材をモニタリングすることの両方を行うことができる。このような画像化システムは、ＣＣＤ、顕微鏡、または３Ｄ顕微鏡およびコンピュータソフトウェアを使用して、電子部品上のドットサイズおよび／またはドットの高さを、電子部品の平面に対して垂直な角度でモニタリングすることができる。このモニタリングは、部品が最終基材上に配置される前および／または後で行うことができる。

詳細には例示されていないが、本明細書に記載のシステムの様々な部品は、１つ以上のコントローラの制御下で動作し、そのコントローラは、有形の機械可読媒体上に記憶された機械実行可能命令の命令下で動作するプロセッサベースのコントローラであることが好ましいことを理解されたい。このようなコントローラは、情報を伝達するためのバスまたは他の通信機構によって互いに通信可能に結合されたマイクロプロセッサおよびメモリを含み得る。このメモリには、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）または他の静的記憶デバイスなどのプログラム記憶メモリ、ならびにランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または他の動的記憶デバイスなどの動的メモリが含まれ得、それぞれは、マイクロプロセッサによって実行される情報および命令を提供および記憶するために、バスに結合することができる。この動的メモリはまた、マイクロプロセッサによる命令の実行中に、一時的な変数または他の中間情報を記憶するために使用することもできる。あるいは、またはさらに、半導体メモリ、磁気ディスク、または光ディスクなどの記憶デバイスが提供され、情報および命令を記憶するために、そのバスに結合され得る。コントローラはまた、印刷システムのためのユーザインターフェースの一部として、情報をユーザに表示するためのディスプレイだけでなく、英数字のキーボード、ならびにマウスおよび／またはトラックパッドなどのカーソル制御デバイスを含む様々な入力デバイスを含むこともできる。さらに、１つ以上の通信インターフェースを含めて、印刷システムとの間の双方向データ通信を提供することができる。例えば、有線および／または無線モデムを含むネットワークインターフェースを使用して、そのような通信を提供されてもよい。

次いで、様々な実施形態において、本発明は、以下を提供する。

レーザベースの印刷ユニットを使用し、かつＰＣＢボードまたは他の基材上に部品を配置するための「ピックアンドプレース」技術を使用して、はんだペーストまたは他の粘性材料、例えば、高粘性ポリマー、アクリル樹脂、エポキシ、接着剤（例えば、ウレタン系接着剤）、ペースト、もしくはワックスを、高解像度かつ高速で、電子部品上に直接印刷することを可能にするシステムおよび方法。

印刷ユニットを含み、任意選択的に、はんだペーストなどの粘性材料、または上記に特定された材料のうちのいずれかを電子部品上に印刷し、その後、その部品を最終基材上に配置するコーティングユニットを含む、システムまたは方法。

その印刷ユニットは、高精度であり、デブリをあまり、まったく生成せず、かつ非常に高速である、先行実施形態のうちのいずれかに記載のシステムまたは方法。

その印刷ユニットは、基材上に粘性材料の均一な層を作成するコーティングシステムを含み、そのコーティングシステムは、粘性材料のシリンジ、およびキャリア基材上にその粘性材料を移動させる空気または機械ポンプを含み、その粘性材料は、その後、例えば、モータまたはローラーなどを使用して、ローラーまたはナイフ間の、明確に画定されたギャップに向かって移動されて、キャリア基材上に、ギャップによって画定された厚さを有する粘性材料の均一な層を形成する、先行実施形態のうちのいずれかに記載のシステムまたは方法。

そのコーティングシステムは、スクリーン印刷モジュール、ディスペンサーもしくはインクジェットヘッド、グラビアもしくはマイクログラビアシステム、スロットダイシステム、またはローラーコーティングシステムを含み、それらは、制御環境を有する密閉箱内に収容されて粘性材料のポットライフを延ばす、先行実施形態のうちのいずれかに記載のシステムまたは方法。

そのコーティングシステムは、２つ以上の材料を含み、それによって、制御された順番で複数の材料を電子部品上に印刷する可能性を作り出す、先行実施形態のうちのいずれかに記載のシステムまたは方法。

そのキャリア基材は、コーターローラー間のギャップを開放しながら、ローラーを汚染することなく粘性材料でキャリア基材の同じ領域を複数回再コーティングする可能性を作り出して、無駄を軽減する制御された方法で、双方向に並進することができる、先行実施形態のうちのいずれかに記載のシステムまたは方法。

粘性材料は、はんだペースト、金属ペースト、印刷される電子機器に使用される接着剤、または他の粘性材料である、先行実施形態のうちのいずれかに記載のシステムまたは方法。

その印刷ユニットは、コーティングされた基材から電子部品への、粘性材料の噴出を可能にするための高周波レーザを含むレーザベースのシステムであり、その印刷ユニットは、そのシステムが位置する重力場の主軸から０～９０度、または９０～１８０度だけ回転されるレーザアシスト堆積／レーザ吐出システムである、先行実施形態のうちのいずれかに記載のシステムまたは方法。

その印刷ユニットは、コーティングされた基材と、電子部品との間の、非常に明確に画定されたギャップ制御ユニットを含み、ギャップ制御は、並進および回転の両方を可能にする、ギャップ制御ユニットのコーナーにある３つのアクチュエータの平面によって、または、コーティングされた基材および電子部品の両方のための、ギャップ制御ユニットのコーナーにある３つのアクチュエータの平面を作成して、両方の平面における並進および回転の両方を可能にすることによって達成され、２つの平面は、独立しているか、もしくは互いに乗っているか、または固定された機械的ギャップの作成による平面である、先行実施形態のうちのいずれかに記載のシステムまたは方法。

連続的な透明フィルム基材が、システムのコーティングされた基材として使用され、その透明フィルム基材は、金属層、または金属および誘電体層によってコーティングされる、先行実施形態のうちのいずれかに記載のシステムまたは方法。

電子部品の配置は、画像化システムの有無にかかわらず、「ピックアンドプレースマシン」によって行われる、先行実施形態のうちのいずれかに記載のシステムまたは方法。

画像化システムのいずれかの１つは、電子部品上のはんだペーストの写真を撮影して２次元でそのドットを測定する顕微鏡もしくはＣＣＤであるか、または、電子部品上の印刷されたはんだペーストの写真を撮影して３次元でそのドットを測定する３Ｄ顕微鏡であるか、または、一方が電子部品上の印刷されたはんだペーストの写真を撮影して２次元でそのドットを測定することができ、これに対して他方が他の２次元に対して直交する３次元ではんだペーストを測定しているように配置された２つの顕微鏡もしくはＣＣＤであり、あるいは、画像化システムは、印刷ユニット自体に存在して電子部品の表面を画像化するためのミラーを採用するか、または、メインレーザチャネルを使用して印刷されたはんだ領域の寸法、および電子部品の両方を同時に画像化する、先行実施形態のうちのいずれかに記載のシステムまたは方法。

Claims (14)

1. システムであって、粘性材料の個々のドット様部分を電子部品上に印刷するように構成された印刷ユニットと、材料の前記ドット様部分が前記電子部品と基材との間に存在するように、上に印刷された材料の前記ドット様部分を有する前記電子部品を前記基材上に配置するように構成されたピックアンドプレースユニットと、を備える、システム。
2. 前記印刷ユニットが、ドナー基材上に前記粘性材料の均一な層を作成するように構成されたコーティングシステムを含み、前記印刷ユニットが、前記個々のドット様部分の前記粘性材料を前記ドナー基材から前記電子部品上に転写するようにさらに構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記コーティングシステムは、（ａ）前記粘性材料のシリンジ、および前記粘性材料を前記ドナー基材上に移動させるように配置された空気または機械ポンプであって、前記コーティングシステムが、ローラーまたはナイフの間の、明確に画定されたギャップに向かってかつ前記ギャップを通して、前記粘性材料を上に有する前記ドナー基材を輸送して、前記ドナー基材上に前記粘性材料の均一な層を作成するようにさらに構成され、前記粘性材料の前記均一な層が、前記ギャップによって画定された厚さを有する、シリンジおよび機械ポンプ、（ｂ）明確に画定された穴を有するフィルムのスクリーンまたはステンシルを前記粘性材料でコーティングするように構成されたスクリーン印刷モジュールであって、前記コーティングシステムが、ブレードまたはスクイージーを使用して、フィルムの前記スクリーンまたはステンシルから前記粘性材料を前記電子部品に転写するようにさらに構成されている、スクリーン印刷モジュール、あるいは（ｃ）前記粘性材料を前記ドナー基材上に印刷するように構成されたディスペンサーもしくはインクジェットヘッド、前記ドナー基材を前記粘性材料の前記均一な層でコーティングするように構成されたグラビアもしくはマイクログラビアシステム、前記ドナー基材を前記粘性材料の前記均一な層でコーティングするように構成されたスロットダイシステム、または前記ドナー基材を前記粘性材料の前記均一な層でコーティングするように構成されたローラーコーティングシステムを含み、かつ／あるいは制御環境内に密閉されている、請求項２に記載のシステム。
4. 前記コーティングシステムが、複数の印刷手順において２つ以上の材料を前記ドナー基材上に塗布するように構成されている、請求項２または３に記載のシステム。
5. 前記粘性材料が、はんだペースト、金属ペースト、セラミックペースト、ワックス材料、ポリマー材料、アクリル樹脂、エポキシ、または接着剤のうちの１つである、先行請求項のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記印刷ユニットが、粘性材料の前記ドット様部分を前記ドナー基材から前記電子部品に噴出させるように構成された高周波レーザを含むレーザベースのシステム；（ｂ）粘性材料の前記ドット様部分を前記電子部品に直接噴出させるように構成されたインクジェットヘッドシステム；（ｃ）粘性材料の前記ドット様部分を前記電子部品に直接印刷するように構成されたディスペンサーヘッドシステム；（ｄ）オフセットプリンタモジュール、（ｅ）グラビア印刷モジュール、または（ｆ）粘性材料の前記ドット様部分を前記電子部品に直接印刷するように構成された別の印刷モジュール；あるいは（ｇ）レーザアシスト堆積／レーザ吐出システムであって、前記レーザアシスト堆積／レーザ吐出システムが位置する重力場の主軸から０～９０度または９０～１８０度だけ回転される、レーザアシスト堆積／レーザ吐出システム、を備える、先行請求項のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記印刷ユニットが、前記ドナー基材と前記電子部品との間の明確に画定されたギャップを維持するように構成されている、先行請求項のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記システムが、前記印刷ユニットから前記基材への前記電子部品の移動の間に、前記電子部品上に印刷された粘性材料の前記ドット様部分、前記基材への転写後の前記電子部品、またはそれらの両方、を画像化するように配置された１つ以上の画像化システムをさらに備える、先行請求項のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記画像化システムのうちの少なくとも１つが、前記印刷ユニットから前記基材への前記電子部品の移動中に、前記電子部品上に印刷された粘性材料の前記ドット様部分を２次元または３次元で測定するように構成されている、先行請求項のいずれか一項に記載のシステム。
10. 方法であって、印刷ユニットによって、電子部品上に粘性材料の個々のドット様部分を印刷し、ピックアンドプレースマシンによって、粘性材料の前記ドット様部分が上に印刷された前記電子部品を基材に転写することを含む、方法。
11. 前記印刷ユニットが、コーティングシステムを含み、前記コーティングシステムが、ドナー基材上に前記粘性材料の均一な層を作成し、前記印刷ユニットが、前記個々のドット様部分の前記粘性材料を前記ドナー基材から前記電子部品上に転写する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記コーティングシステムは、（ａ）前記粘性材料のシリンジであって、前記粘性材料が、前記シリンジから前記ドナー基材上に移動され、前記コーティングシステムが、ローラーまたはナイフの間の、明確に画定されたギャップに向かってかつ前記ギャップを通して、前記粘性材料を上に有する前記ドナー基材を輸送して、前記ドナー基材上に前記粘性材料の均一な層を作成し、前記粘性材料の前記均一な層が、前記ギャップによって画定された厚さを有する、シリンジを含み、あるいは（ｂ）スクリーン印刷モジュールであって、前記スクリーン印刷モジュールが、明確に画定された穴を有するフィルムのスクリーンもしくはステンシルを前記粘性材料でコーティングし、前記コーティングシステムが、ブレードもしくはスクイージーを使用して、フィルムの前記スクリーンもしくはステンシルから前記粘性材料を前記電子部品に転写し、かつ／または複数の印刷手順で２つ以上の材料を前記ドナー基材上に塗布する、スクリーン印刷モジュール、を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記印刷ユニットが、レーザを使用して、前記ドナー基材から前記電子部品に材料の前記ドット様部分を噴出させる、請求項１０～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記電子部品上に印刷された粘性材料の前記ドット様部分、材料のドット様部分が上に印刷された前記電子部品の転写後の前記基材、またはそれらの両方が、１つ以上の画像化システムを使用して画像化される、請求項１０～１３のいずれか一項に記載の方法。

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