JP3973175B2 - ペーストのスクリーン印刷方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田合金粉末と粘性フラックスとを練り合わせてクリーム状にした半田ペースト、接着剤等のペーストをメタル・スクリーン版を介してプリント回路基板等の基板に印刷するスクリーン印刷方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
印刷台上にセットされた基板に対し、複数個のパターン開口部を有するメタル・スクリーン版を使用してペーストを印刷するスクリーン印刷方法であって、該スクリーン版の各開口部にペーストを充填する充填工程と、それらの開口部に充填されたペーストを前記基板にそれぞれ転写すべく前記基板と前記スクリーン版とを引き離す版離れ工程とからなるスクリーン印刷方法において、前記充填工程完了後 、印刷台を前記充填工程における高さ位置より低い位置まで下降変位させて版離れさせることは従来公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
メタル・スクリーン版（以下、単にスクリーン版という）のパターン開口部（以下、単に開口部という）に、例えば、半田ペーストがきれいに充填された状態では、半田ペーストは開口部内側面の全面にわたって接着されていると共に、開口部下面において基板上に接着されている。この状態において基板を下降させることによって版離れが開始されると、粘性体としての半田ペーストは開口部内側面と基板との間で基板側下方へから引張られた状態となり、伸び、すなわち、せん断変形が始まる。この場合、開口部内側面の付近では大きなせん断変形が発生するけれども、開口部に対応する基板上の接着部ではせん断変形はほとんど発生することがない。そして、版離れ速度が速すぎると、開口部に充填された半田ペーストが基板によって急速かつ強く引張られるため、粘性せん断力によりせん断破壊が発生し、開口部内側面に比較的大量の半田ペーストを残留させた状態で版離れが終了し、基板上には量が減少しかつパターン形状が変形した半田ペーストが印刷される。他方、版離れ速度が遅いと、せん断変形時間が長くなり、せん断破壊をおこすことはないが、粘性せん断力は開口部内側面付近のペースト部分から中央部のペースト部分へ伝達され、ペーストの連続的挙動としての流動にブレーキが働くため、その転写速度が遅くなるばかりでなく、その転写性ないし抜け性も悪くなる。すなわち、版離れ速度を遅くすれば遅くするほど開口部に充填された半田ペーストの抜け性は悪くなるといってよい。
【０００４】
そこで、これらの問題を解決するために、版離れ速度を複数段にわたって可変とする速度制御方式の採用が提案されたが、半田ペーストのスクリーン印刷には、通常、高粘度の半田ペーストが使用されることに加えて、極小チップ部品をファインピッチで表面実装するための半田ペーストのスクリーン印刷においては、開口部の面積及びそのピッチが極めて小さなスクリーン版を使用する必要があり、しかも、その面積ないしピッチが狭小化すればするほど開口部につめられた半田ペーストをきれいに抜くことが困難となり、それに比例して半田ペーストの基板への転写率が低下し、良好な印刷精度が得られないのが実状であることにかんがみ、版離れの速度制御のみによって問題解決することは極めて困難であり、しかも多段速度制御方式の実施には複雑な制御機構が必要となり、その設備コストの増大が避け難いし、印刷の高速度化への制約要因となる等の不都合が存在する。
【０００５】
また、ペーストの充填工程完了後、印刷台を該充填工程における高さ位置より低い位置まで下降変位させて版離れさせる方法は、基板をスクリーン版から下方へ引き離すことによって開口部に充填されたペーストをその粘性力に抗して引き抜くものであるから、「プル方式」と呼ぶことが可能である。このようなプル方式によれば、版離れ工程の開始後、開口部に充填されたペーストは下方に引っ張られ、中央部が凹んだ状態で伸びてゆく（図６参照）が、ペーストを介して基板に接着されているスクリーン版もこれに伴って下方へ徐々に弾性変形せしめられ、復元エネルギーが蓄積されてゆく（図７のＢ参照）。そして、ペーストが開口部から引き抜かれて版離れすると、その瞬間、スクリーン版を下方へ引張って弾性変形させていた力が一気に解放されるので、スクリーン版は蓄積された復元エネルギーの弾発作用で急激に上方へ弾性変形せしめられると同時にその反動で下方へ弾性変形せしめられる（図７のＣ参照）。この上下方向への交互の弾性変形、すなわち、上下振動は復元エネルギーが消失するまで継続するが、初期の上下への振動は、急激でかつその振幅が大きいので、その振動によって、基板に転写されたペーストにスクリーン版が反覆的に接触し、基板に転写されたペーストのパターン形状を損傷させて了い易い（図６のＥ及び図７のＤ参照）。これでは、印刷精度の高い高品質のスクリーン印刷を得ることは期待できない。
【０００６】
本発明は、スクリーン版の各開口部へのペーストの充填工程完了後、印刷台を該充填工程における高さ位置より低い位置まで下降変位させて版離れさせる従来公知のスクリーン印刷方法の有する上述の如き欠点ないし不都合を除去改善すべくなされたものであって、ペーストのスクリーン印刷作業の高能率化、印刷精度ないし品質の格段の向上及び印刷の高密度化等を実現することのできる、特にプリント回路基板に対する高粘度半田ペーストのスクリーン印刷に適用して好適なスクリーン印刷方法を提供することをその主たる目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るペーストのスクリーン印刷方法は、印刷台上にセットされた基板に対し、複数個のパターン開口部を有するメタル・スクリーン版をスクリーン版支持台上セットしてペーストを印刷するスクリーン印刷方法であって、該スクリーン版の各開口部に、該スクリーン版上を摺動するスキージでペーストを充填する充填工程と、それらの開口部に充填されたペーストを前記基板にそれぞれ転写すべく前記基板と前記スクリーン版とを引き離す版離れ工程とからなるスクリーン印刷方法において、前記充填工程完了後、印刷台を前記充填工程における高さ位置より高い予め設定してある高さ位置まで上昇変位させることによって、該印刷台ないし基板で前記スクリーン版をその弾性に抗して下方から除々に押し上げて、該スクリーン版を強制的にほぼ弓状に弾性変形させ、この強制的弾性変形に伴って前記開口部に充填されたペーストが該開口部から引き抜かれ、前記基板上へ転写されるようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明に係るペーストのスクリーン印刷方法は、上記スクリーン印刷方法において、印刷台をペーストの充填工程における高さ位置より上昇変位させる位置は、印刷に使用されるスクリーン版の厚さの差異や弾性変形度の大小等に応じて版離れに必要かつ十分なクリアランスをとった位置に設定されることを特徴とするものである。
【０００９】
さらにまた、本発明に係るペーストのスクリーン印刷方法は、印刷台上にセットされた基板に対し、複数個のパターン開口部を有するメタル・スクリーン版をスクリーン版支持台上セットしてペーストを印刷するスクリーン印刷方法であって、該スクリーン版の各開口部に、該スクリーン版上を摺動するスキージでペーストを充填する充填工程と、それらの開口部に充填されたペーストを前記基板にそれぞれ転写すべく前記基板と前記スクリーン版とを引き離す版離れ工程とからなるスクリーン印刷方法において、前記充填工程完了後、印刷台を前記充填工程における高さ位置より高い予め設定してある高さ位置まで上昇変位させることによって、該印刷台ないし基板で前記スクリーン版をその弾性に抗して下方から除々に押し上げて、該スクリーン版を強制的にほぼ弓状に弾性変形させ、この強制的弾性変形に伴って前記開口部に充填されたペーストを引き抜いて版離れを実質的に完了させる工程と、この工程後、前記印刷台を前記充填工程における高さ位置より低い位置まで除々に下昇変位せて前記基板を前記スクリーン版から引き離すことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係るペーストのスクリーン印刷方法は、上記スクリーン印刷方法において、前記充填工程完了後、印刷台を前記充填工程における高さ位置より若干高い高さ位置まで上昇変位させることによって、該印刷台ないし基板でスクリーン版を下方から押し上げ、この押し上げ動作に伴って該スクリーン版をほぼ弓状に変形させて版離れさせることを特徴とするものであるから、前述した従来公知のスクリーン印刷方法が版離れ方式として前記した如き意味での「プル方式」を採用するのに対し、発想を全く異にするいわば「プッシュ方式」とも称すべき新規な版離れ方式を採用するものである。
【００１１】
このようなプッシュ方式の採用は、高粘度ペーストとしての半田ペーストの物性の研究分析及びスクリーン印刷の反覆的テストに基づいて着想されたもので、これによれば、後述するように、高粘度半田ペーストの有するチクソトロピー性を有効に利用することができ、これにより、スクリーン版開口部に充填されたペーストをきれいに抜くことが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図２及び４は、本発明に係る方法を実施するためのスクリーン印刷装置の要部をそれぞれ略示した側面図で、１はスキージ１′を有する昇降及び前後方向に移動可能なスキージユニット、２はプリント基板位置決め支持装置である。この位置決め支持装置２は、印刷台３上にプリント基板４を位置決めして支持すると共に、一定の距離にわたって垂直に昇降させる装置であって、可動台（図示してない。）上に高さ調節装置（図示してない。）を介して設置されている。図２及び４は、印刷台３が印刷位置、すなわち、スキージユニット１を図示の位置から下降させ、かつそのスキージ１′を摺動せながら半田ペーストをメタル・スクリーン版５のパターン開口部に充填する充填工程における高さ位置（以下、第１の高さ位置という）に保持されている状態を示しており、該印刷台３は、前記高さ調節装置を介して、前記第１の高さ位置を基準として上方及び下方へそれぞれ昇降変位させることができるようになっている（以下、前記上方位置を第２の高さ位置と、前記下方位置を第３の高さ位置という）。前記高さ調節装置は、多段シリンダ機構を介して作動させるようにすることもできるが、サーボモータを有するサーボ機構（図示してない）を介して作動させ得るように構成するとよい。図２に示した例と図４に示した例との差異は、前者にあっては、プリント基板４の被印刷面が印刷台３の表面より若干上方へ突出した態様で該基板を該印刷台にセットし得るように構成されているのに対し、後者にあっては、プリント基板４の被印刷面が印刷台３の表面と面一となる態様で該基板を該印刷台にセットし得るように構成されている点にある。
【００１３】
本発明に係るスクリーン印刷方法の実施に使用する半田ペーストとしては、チクソトロピー（thixotropy)、すなわち、静置状態では流動性をもたないゲルが、かきまぜたり、振動させたりすると流動性をもつゾルになり、これを放置しておくと再び元にもどる性質の良好なもの、例えば、Ｓｎ６３／Ｐｂ３７、Ｓｎ６０／Ｂｉ３／Ｐｂ３７等の如き成分比を有する合金粉末と、レジン等をベースとした高粘度フラックスとを練り合わせてなるＪＩＳ規格 Ｚ ３２８４に準拠する製品であることが望ましい。そして、いるゆるファインピッチ印刷の場合は、前記合金粉末の粒子は不定形ではなく、真球状であって、しかもその粒径が例えば、５０〜１５ミクロン、４０〜１０ミクロン程度のものを使用するのが好適である。次に、上記の如き物性ないし組成を有する半田ペーストを用いて実施する本発明方法について説明する。
【００１４】
図３は本発明方法における版離れ工程の実施の一例を、図５は本発明方法における版離れ工程の実施の他の一例を、図１はそれら版離れ工程における版離れの順序ないし態様をそれぞれ図解したものである。
【００１５】
図３に示す版離れ工程は、スクリーン印刷装置のスクリーン保持枠６に張設されたメタル・スクリーン版５（以下、スクリーン版という）の複数のパターン開口部（以下、開口部という）に、図３のＡに示すように、ペースト８を充填した後、印刷台３を前記第１の高さ位置から前記第２高さ位置まで上昇変位させることによって、印刷台３上にセットされたプリント基板４を介してスクリーン版５を下方から押し上げ、この押し上げ動作により、図３のＢに示すように、スクリーン版５を強制的にほぼ弓状に弾性変形させて版離れさせることを特徴としている。
【００１６】
図５に示す版離れ工程は、前記スクリーン版の開口部７に図５のＡに示すように、半田ペースト８をを充填した後、印刷台３を前記第１の高さ位置から前記第２高さ位置まで上昇変位させることによって、印刷台３でスクリーン版５を下方から押し上げ、この押し上げ動作により、図５のＢに示すように、スクリーン版５を強制的にほぼ弓状に弾性変形させて版離れさせることを特徴とするものである。
【００１７】
半田ペーストは粘性の高い流体であり、せん断力が働くと変形を続ける。即ち流動することになる。このときの変形速度はせん断力に比例する点で、個体から本質的に識別される。したがって、半田ペーストは、基本的には、流体力学ないし「流れ学」におけるニュートンの粘性方程式または粘性法則に従うものである
。
【００１８】
図８は、粘性力の働く流体が直管内を流れる場合における速度分布と流体微小部分の運動変形及びせん断力の大きさの関係を略示したもので、図中、ｖは速度、ｓはせん断力、ｆは微小部分を示す。流体の速度ｖは管壁際では０である。管壁から離れるに従って速度は増加し、あるところから先は一定となる。ところが、この速度勾配は、管壁の近くが大きく、管壁を離れるにつれて減少し、速度が一様なところでは０となる。そして、流体の微小部分ｆを変形させるせん断力ｓは、速度勾配に比例するので管壁の近くが大きい。この管壁付近の流体に大なるせん断変形力が働くと、エネルギーが消費されると同時に、このせん断変形力は流体微小部分ｆを回転させる働きをする。
【００１９】
かようにして、本発明方法において、開口部７に半田ペースト８が充填された状態（図１のＡ参照）において、スクリーン版を、前記の如く、印刷台３ないし基板４で押し上げることによって版離れを開始させると、スクリーン版５は、その保持枠６に張設されていて、水平方向のテンションがかかっているので、印刷台３ないし基板４は、その上面周縁部を介して、スクリーン版５をその弾性に抗して上方へ除々に弓状に弾性変形させてゆく（図３のＢ、図５のＢ、及び図１のＢ参照）。そうすると、この弾性変形に伴ってスクリーン版５がその弾性変形部分において基板４から上方へ引き離されてゆくので、開口部７の内側面の全面にわたって接着されていると共に、開口部７の下面において基板４上に接着されている半田ペースト８は、開口部７の内側面、すなわち開口部壁面と基板４との間で引っ張られた状態となり、伸び、すなわち、せん断変形が始まる（図１のＢ参照）。 この場合、開口部７壁面の付近では、前記したニュートン法則に従って、半田ペースト８に大きなせん断力が働くので、先ず、開口部７壁面付近のペースト部分に大きなせん断変形が発生するが、開口部７に対応する基板４上の接着部では殆ど発生することがない。そして、該開口部壁面付近の粘性せん断力は、その付近のペースト部分の大きなせん断変形による粘度低下に伴って急速に低下するが、前記基板上接着部におけるペースト部分の接着力は、その粘度が変化しないので、低下することはない。
【００２０】
前述したように、本発明方法における版離れ工程においては、前記従来公知の版離れ工程とは異なり、開口部７に半田ペースト８を充填した後、印刷台３を該ペーストの充填工程における高さ位置、すなわち、第１の高さ位置より若干高い高さ位置、すなわち、第２の高さ位置まで上昇変位させることによって、該印刷台３ないし基板４でスクリーン版５をその弾性に抗して下方から押し上げ、この押し上げ動作に伴って該スクリーン版を強制的にほぼ弓状に弾性変形させて版離れさせる点に特徴があるのであって、このようにしてスクリーン版５を強制的に変形させると、この強制的弾性変形に伴ってスクリーン版５の各開口部７の内側面、すなわち開口部壁面に圧縮波（compressional wave）が発生し、その波動が該開口部壁面に接している半田ペースト部分に波及するため、該ペースト部分は、該圧縮波の波動作用により流動化せしめられることになる。この流動化は、前記した半田ペーストのチクソトロピー性によるものであって、前記した粘性せん断力の働きによる流動化とは一応理論的根拠を異にするが、本発明方法にあっては、かような半田ペーストの有するチクソトロピー性を有効に利用し、ニュートン法則に従って働くせん断変形力と相俟って、高粘度半田ペースト８の流動化を促進させ、その抜け性を大幅に改善し、版離れを容易ならしめるものである。
【００２１】
かようにして、印刷台３を第１の高さ位置より若干高い位置、すなわち、図１のＣに示す位置まで上昇変位させてやると、その上昇過程においてスクリーン版５の弾性変形度が次第に大きくなり、これに伴って前記圧縮波の波動作用及びせん断変形力も大きくなり、開口部７の壁面際ないし壁面近くのペースト部分の流動化が促進される一方、前記基板上接着部におけるペースト部分の接着力ないし粘性力には変化がないので、半田ペースト８は、図１のＣに示すように、開口部７から容易に引き抜かれ、版離れが行われる。次いで、印刷台３を第１の高さ位置よりも低い位置、すなわち、図１のＥに示す第３の位置まで、図１のＤに示す高さ位置を経て、下降変位させて基板４をスクリーン版５から引き離してやることによって版離れ工程が終了する。この場合、版離れは第２の高さ位置で実質的に完了しているので、印刷台３の下降変位は印刷済みの基板４を次の表面実装工程へ搬送してやるために第３の高さ位置に復帰させると共に、次のスクリーン印刷工程に待機させるための過程にすぎないともいえる。そして、第２の高さ位置での版離れの瞬間において、スクリーン版５は弓状に変形した状態で印刷台３ないし基板４によって保持されているので、前記した従来公知のいわゆるプル方式による版離れの方法におけるにようなスクリーン版の急激な上下振動は発生しない。従って、本発明方法においては、スクリーン版の上下振動によって基板に転写されたペーストのパターン形状を損傷させて了うことはない。
【００２２】
基板４上にスクリーン印刷される半田ペーストの厚さは、印刷に使用されるスクリーン版５の厚さによって規定される。従って、印刷台３の第２の高さ位置は、使用されるスクリーン版５の厚さの差異や弾性変形度の大小等に応じて版離れに必要かつ十分なクリアランスをとった位置に設定されるようにする必要がある。そのためには、印刷台３の第１の高さ位置と第２の高さ位置との間のストロークを前記した高さ調節装置を介して複数段にわたって設定できるようにすればよい。これに対し、印刷台３の第３の高さ位置は、第１の高さ位置を基準として下方へ約５〜６ｍｍ離れた位置に設定するだけでよい。印刷台３の第２の高さ位置は、例えば、０．１５〜０．２５ｍｍの厚さのスクリーン版を使用すると仮定すると、第１の高さ位置を基準として上方へ約２．５〜３．５ｍｍ程度上方へ離れた位置に設定すれば十分である。版離れ速度については、開口部７に充填されたペースト８に粘性せん断力によるせん断破壊が発生しない範囲において、適宜、例えば数段にわたって制御できるようにすればよい。なお、本発明方法の実施に当たっては、基板ないし印刷台の寸法がスクリーン版の寸法より小さいことが前提条件となることはいうまでもない。
【００２３】
半田ペーストは温度の高低によってその粘度が変化する。粘度の比較的低い半田ペーストを使用してするスクリーン印刷は、いわゆるにじみやドリフトを発生させて印刷形状を損ない、印刷精度のバラツキを生じさせ易い。他方、粘度が８００ないし１,２００ｃｐｓといった高粘度の半田ペーストは、それ自体としてはダレにくく、ドリフトの発生が少ないので、高精度印刷に適する反面、スクリーン版の開口部の壁面からブレーキがかかって抜けにくくなる傾向があるため、例えば、０．１５ｍｍ程度の厚さの薄いスクリーン版を使用して０．３ｍｍ〜０．４ｍｍ程度のファインピッチ印刷を行う場合、前記した従来公知の版離れ方式をもってしては高い転写率及び印刷精度を得ることは容易でなかったが、本発明方法によれぱ、先に詳述した理由により、粘度が８００ないし１，２００ｃｐｓ程度の極めて粘性の高い半田ペーストを用いた場合でも、しかもこのような高粘度のペーストを用いて前記の如きファインピッチ印刷を遂行する場合においても、転写率及び印刷精度が極めて高く、しかも型くずれの少ないきれいな印刷を行うことが可能となる。
【００２４】
本発明に係るペーストのスクリーン印刷方法は、上記の如く構成されているので、先に述べた従来公知のスクリーン印刷方法の有する欠点ないし不都合が除去改善され、ペーストのスクリーン印刷作業の高能率化、印刷精度ないし品質の格段の向上及び印刷の高密度化等の要請にこたえることができる、特にプリント回路基板に対する高粘度半田ペーストのスクリーン印刷に適用して好適なものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係るペーストのスクリーン印刷方法における版離れ工程における版離れの順序ないし態様並びに印刷結果を（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）の順で順次概略的に図解した説明図である。
【図２】図２は、本発明に係るスクリーン印刷方法を実施するためのスクリーン印刷装置の要部の一例を略示した側面断面図である。
【図３】図３は、本発明方法における版離れ工程の実施の態様及び印刷結果を（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の順で順次略示した正面断面図である。
【図４】図４は、本発明に係るスクリーン印刷方法を実施するためのスクリーン印刷装置の要部の他の一例を略示した側面略図である。
【図５】図５は、本発明方法における版離れ工程の実施の他の態様及び印刷結果を（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の順で順次略示した正面断面図である。
【図６】図６は、従来公知のペーストのスクリーン印刷方法の版離れ工程における版離れの順序ないし態様並びに印刷結果を（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）の順で順次概略的に図解した説明図である。
【図７】図７は、従来公知のペーストのスクリーン印刷方法の版離れ工程の実施の態様及び印刷結果を段階的に略示した正面断面図で、そのうち、（Ａ）はスクリーン版の開口部にペーストが充填されている状態を、（Ｂ）は版離れ開始直後の状態を、（Ｃ）は版離れの瞬間におけるスクリーン版の振動状態を、（Ｄ）はバラツキのある印刷結果ないし印刷形状をそれぞれ示す。
【図８】図８は、粘性力の働く流体が直管内を流れる場合における速度分布と流体微小部分の運動変形及びせん断力の大きさの関係を略示した参考図である。
【符号の説明】
１ スキージユニツト
１′ スキージ
２ プリント基板位置決め支持装置
３ 印刷台
４ プリント基板
５ メタル・スクリーン版
６ スクリーン保持枠
７ パターン開口部
８ 半田ペースト
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田合金粉末と粘性フラックスとを練り合わせてクリーム状にした半田ペースト、接着剤等のペーストをメタル・スクリーン版を介してプリント回路基板等の基板に印刷するスクリーン印刷方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
印刷台上にセットされた基板に対し、複数個のパターン開口部を有するメタル・スクリーン版を使用してペーストを印刷するスクリーン印刷方法であって、該スクリーン版の各開口部にペーストを充填する充填工程と、それらの開口部に充填されたペーストを前記基板にそれぞれ転写すべく前記基板と前記スクリーン版とを引き離す版離れ工程とからなるスクリーン印刷方法において、前記充填工程完了後 、印刷台を前記充填工程における高さ位置より低い位置まで下降変位させて版離れさせることは従来公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
メタル・スクリーン版（以下、単にスクリーン版という）のパターン開口部（以下、単に開口部という）に、例えば、半田ペーストがきれいに充填された状態では、半田ペーストは開口部内側面の全面にわたって接着されていると共に、開口部下面において基板上に接着されている。この状態において基板を下降させることによって版離れが開始されると、粘性体としての半田ペーストは開口部内側面と基板との間で基板側下方へから引張られた状態となり、伸び、すなわち、せん断変形が始まる。この場合、開口部内側面の付近では大きなせん断変形が発生するけれども、開口部に対応する基板上の接着部ではせん断変形はほとんど発生することがない。そして、版離れ速度が速すぎると、開口部に充填された半田ペーストが基板によって急速かつ強く引張られるため、粘性せん断力によりせん断破壊が発生し、開口部内側面に比較的大量の半田ペーストを残留させた状態で版離れが終了し、基板上には量が減少しかつパターン形状が変形した半田ペーストが印刷される。他方、版離れ速度が遅いと、せん断変形時間が長くなり、せん断破壊をおこすことはないが、粘性せん断力は開口部内側面付近のペースト部分から中央部のペースト部分へ伝達され、ペーストの連続的挙動としての流動にブレーキが働くため、その転写速度が遅くなるばかりでなく、その転写性ないし抜け性も悪くなる。すなわち、版離れ速度を遅くすれば遅くするほど開口部に充填された半田ペーストの抜け性は悪くなるといってよい。
【０００４】
そこで、これらの問題を解決するために、版離れ速度を複数段にわたって可変とする速度制御方式の採用が提案されたが、半田ペーストのスクリーン印刷には、通常、高粘度の半田ペーストが使用されることに加えて、極小チップ部品をファインピッチで表面実装するための半田ペーストのスクリーン印刷においては、開口部の面積及びそのピッチが極めて小さなスクリーン版を使用する必要があり、しかも、その面積ないしピッチが狭小化すればするほど開口部につめられた半田ペーストをきれいに抜くことが困難となり、それに比例して半田ペーストの基板への転写率が低下し、良好な印刷精度が得られないのが実状であることにかんがみ、版離れの速度制御のみによって問題解決することは極めて困難であり、しかも多段速度制御方式の実施には複雑な制御機構が必要となり、その設備コストの増大が避け難いし、印刷の高速度化への制約要因となる等の不都合が存在する。
【０００５】
また、ペーストの充填工程完了後、印刷台を該充填工程における高さ位置より低い位置まで下降変位させて版離れさせる方法は、基板をスクリーン版から下方へ引き離すことによって開口部に充填されたペーストをその粘性力に抗して引き抜くものであるから、「プル方式」と呼ぶことが可能である。このようなプル方式によれば、版離れ工程の開始後、開口部に充填されたペーストは下方に引っ張られ、中央部が凹んだ状態で伸びてゆく（図６参照）が、ペーストを介して基板に接着されているスクリーン版もこれに伴って下方へ徐々に弾性変形せしめられ、復元エネルギーが蓄積されてゆく（図７のＢ参照）。そして、ペーストが開口部から引き抜かれて版離れすると、その瞬間、スクリーン版を下方へ引張って弾性変形させていた力が一気に解放されるので、スクリーン版は蓄積された復元エネルギーの弾発作用で急激に上方へ弾性変形せしめられると同時にその反動で下方へ弾性変形せしめられる（図７のＣ参照）。この上下方向への交互の弾性変形、すなわち、上下振動は復元エネルギーが消失するまで継続するが、初期の上下への振動は、急激でかつその振幅が大きいので、その振動によって、基板に転写されたペーストにスクリーン版が反覆的に接触し、基板に転写されたペーストのパターン形状を損傷させて了い易い（図６のＥ及び図７のＤ参照）。これでは、印刷精度の高い高品質のスクリーン印刷を得ることは期待できない。
【０００６】
本発明は、スクリーン版の各開口部へのペーストの充填工程完了後、印刷台を該充填工程における高さ位置より低い位置まで下降変位させて版離れさせる従来公知のスクリーン印刷方法の有する上述の如き欠点ないし不都合を除去改善すべくなされたものであって、ペーストのスクリーン印刷作業の高能率化、印刷精度ないし品質の格段の向上及び印刷の高密度化等を実現することのできる、特にプリント回路基板に対する高粘度半田ペーストのスクリーン印刷に適用して好適なスクリーン印刷方法を提供することをその主たる目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るペーストのスクリーン印刷方法は、印刷台上にセットされた基板に対し、複数個のパターン開口部を有するメタル・スクリーン版をスクリーン版支持台上セットしてペーストを印刷するスクリーン印刷方法であって、該スクリーン版の各開口部に、該スクリーン版上を摺動するスキージでペーストを充填する充填工程と、それらの開口部に充填されたペーストを前記基板にそれぞれ転写すべく前記基板と前記スクリーン版とを引き離す版離れ工程とからなるスクリーン印刷方法において、前記充填工程完了後、印刷台を前記充填工程における高さ位置より高い予め設定してある高さ位置まで上昇変位させることによって、該印刷台ないし基板で前記スクリーン版をその弾性に抗して下方から除々に押し上げて、該スクリーン版を強制的にほぼ弓状に弾性変形させ、この強制的弾性変形に伴って前記開口部に充填されたペーストが該開口部から引き抜かれ、前記基板上へ転写されるようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明に係るペーストのスクリーン印刷方法は、上記スクリーン印刷方法において、印刷台をペーストの充填工程における高さ位置より上昇変位させる位置は、印刷に使用されるスクリーン版の厚さの差異や弾性変形度の大小等に応じて版離れに必要かつ十分なクリアランスをとった位置に設定されることを特徴とするものである。
【０００９】
さらにまた、本発明に係るペーストのスクリーン印刷方法は、印刷台上にセットされた基板に対し、複数個のパターン開口部を有するメタル・スクリーン版をスクリーン版支持台上セットしてペーストを印刷するスクリーン印刷方法であって、該スクリーン版の各開口部に、該スクリーン版上を摺動するスキージでペーストを充填する充填工程と、それらの開口部に充填されたペーストを前記基板にそれぞれ転写すべく前記基板と前記スクリーン版とを引き離す版離れ工程とからなるスクリーン印刷方法において、前記充填工程完了後、印刷台を前記充填工程における高さ位置より高い予め設定してある高さ位置まで上昇変位させることによって、該印刷台ないし基板で前記スクリーン版をその弾性に抗して下方から除々に押し上げて、該スクリーン版を強制的にほぼ弓状に弾性変形させ、この強制的弾性変形に伴って前記開口部に充填されたペーストを引き抜いて版離れを実質的に完了させる工程と、この工程後、前記印刷台を前記充填工程における高さ位置より低い位置まで除々に下昇変位せて前記基板を前記スクリーン版から引き離すことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係るペーストのスクリーン印刷方法は、上記スクリーン印刷方法において、前記充填工程完了後、印刷台を前記充填工程における高さ位置より若干高い高さ位置まで上昇変位させることによって、該印刷台ないし基板でスクリーン版を下方から押し上げ、この押し上げ動作に伴って該スクリーン版をほぼ弓状に変形させて版離れさせることを特徴とするものであるから、前述した従来公知のスクリーン印刷方法が版離れ方式として前記した如き意味での「プル方式」を採用するのに対し、発想を全く異にするいわば「プッシュ方式」とも称すべき新規な版離れ方式を採用するものである。
【００１１】
このようなプッシュ方式の採用は、高粘度ペーストとしての半田ペーストの物性の研究分析及びスクリーン印刷の反覆的テストに基づいて着想されたもので、これによれば、後述するように、高粘度半田ペーストの有するチクソトロピー性を有効に利用することができ、これにより、スクリーン版開口部に充填されたペーストをきれいに抜くことが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図２及び４は、本発明に係る方法を実施するためのスクリーン印刷装置の要部をそれぞれ略示した側面図で、１はスキージ１′を有する昇降及び前後方向に移動可能なスキージユニット、２はプリント基板位置決め支持装置である。この位置決め支持装置２は、印刷台３上にプリント基板４を位置決めして支持すると共に、一定の距離にわたって垂直に昇降させる装置であって、可動台（図示してない。）上に高さ調節装置（図示してない。）を介して設置されている。図２及び４は、印刷台３が印刷位置、すなわち、スキージユニット１を図示の位置から下降させ、かつそのスキージ１′を摺動せながら半田ペーストをメタル・スクリーン版５のパターン開口部に充填する充填工程における高さ位置（以下、第１の高さ位置という）に保持されている状態を示しており、該印刷台３は、前記高さ調節装置を介して、前記第１の高さ位置を基準として上方及び下方へそれぞれ昇降変位させることができるようになっている（以下、前記上方位置を第２の高さ位置と、前記下方位置を第３の高さ位置という）。前記高さ調節装置は、多段シリンダ機構を介して作動させるようにすることもできるが、サーボモータを有するサーボ機構（図示してない）を介して作動させ得るように構成するとよい。図２に示した例と図４に示した例との差異は、前者にあっては、プリント基板４の被印刷面が印刷台３の表面より若干上方へ突出した態様で該基板を該印刷台にセットし得るように構成されているのに対し、後者にあっては、プリント基板４の被印刷面が印刷台３の表面と面一となる態様で該基板を該印刷台にセットし得るように構成されている点にある。
【００１３】
本発明に係るスクリーン印刷方法の実施に使用する半田ペーストとしては、チクソトロピー（thixotropy)、すなわち、静置状態では流動性をもたないゲルが、かきまぜたり、振動させたりすると流動性をもつゾルになり、これを放置しておくと再び元にもどる性質の良好なもの、例えば、Ｓｎ６３／Ｐｂ３７、Ｓｎ６０／Ｂｉ３／Ｐｂ３７等の如き成分比を有する合金粉末と、レジン等をベースとした高粘度フラックスとを練り合わせてなるＪＩＳ規格 Ｚ ３２８４に準拠する製品であることが望ましい。そして、いるゆるファインピッチ印刷の場合は、前記合金粉末の粒子は不定形ではなく、真球状であって、しかもその粒径が例えば、５０〜１５ミクロン、４０〜１０ミクロン程度のものを使用するのが好適である。次に、上記の如き物性ないし組成を有する半田ペーストを用いて実施する本発明方法について説明する。
【００１４】
図３は本発明方法における版離れ工程の実施の一例を、図５は本発明方法における版離れ工程の実施の他の一例を、図１はそれら版離れ工程における版離れの順序ないし態様をそれぞれ図解したものである。
【００１５】
図３に示す版離れ工程は、スクリーン印刷装置のスクリーン保持枠６に張設されたメタル・スクリーン版５（以下、スクリーン版という）の複数のパターン開口部（以下、開口部という）に、図３のＡに示すように、ペースト８を充填した後、印刷台３を前記第１の高さ位置から前記第２高さ位置まで上昇変位させることによって、印刷台３上にセットされたプリント基板４を介してスクリーン版５を下方から押し上げ、この押し上げ動作により、図３のＢに示すように、スクリーン版５を強制的にほぼ弓状に弾性変形させて版離れさせることを特徴としている。
【００１６】
図５に示す版離れ工程は、前記スクリーン版の開口部７に図５のＡに示すように、半田ペースト８をを充填した後、印刷台３を前記第１の高さ位置から前記第２高さ位置まで上昇変位させることによって、印刷台３でスクリーン版５を下方から押し上げ、この押し上げ動作により、図５のＢに示すように、スクリーン版５を強制的にほぼ弓状に弾性変形させて版離れさせることを特徴とするものである。
【００１７】
半田ペーストは粘性の高い流体であり、せん断力が働くと変形を続ける。即ち流動することになる。このときの変形速度はせん断力に比例する点で、個体から本質的に識別される。したがって、半田ペーストは、基本的には、流体力学ないし「流れ学」におけるニュートンの粘性方程式または粘性法則に従うものである
。
【００１８】
図８は、粘性力の働く流体が直管内を流れる場合における速度分布と流体微小部分の運動変形及びせん断力の大きさの関係を略示したもので、図中、ｖは速度、ｓはせん断力、ｆは微小部分を示す。流体の速度ｖは管壁際では０である。管壁から離れるに従って速度は増加し、あるところから先は一定となる。ところが、この速度勾配は、管壁の近くが大きく、管壁を離れるにつれて減少し、速度が一様なところでは０となる。そして、流体の微小部分ｆを変形させるせん断力ｓは、速度勾配に比例するので管壁の近くが大きい。この管壁付近の流体に大なるせん断変形力が働くと、エネルギーが消費されると同時に、このせん断変形力は流体微小部分ｆを回転させる働きをする。
【００１９】
かようにして、本発明方法において、開口部７に半田ペースト８が充填された状態（図１のＡ参照）において、スクリーン版を、前記の如く、印刷台３ないし基板４で押し上げることによって版離れを開始させると、スクリーン版５は、その保持枠６に張設されていて、水平方向のテンションがかかっているので、印刷台３ないし基板４は、その上面周縁部を介して、スクリーン版５をその弾性に抗して上方へ除々に弓状に弾性変形させてゆく（図３のＢ、図５のＢ、及び図１のＢ参照）。そうすると、この弾性変形に伴ってスクリーン版５がその弾性変形部分において基板４から上方へ引き離されてゆくので、開口部７の内側面の全面にわたって接着されていると共に、開口部７の下面において基板４上に接着されている半田ペースト８は、開口部７の内側面、すなわち開口部壁面と基板４との間で引っ張られた状態となり、伸び、すなわち、せん断変形が始まる（図１のＢ参照）。 この場合、開口部７壁面の付近では、前記したニュートン法則に従って、半田ペースト８に大きなせん断力が働くので、先ず、開口部７壁面付近のペースト部分に大きなせん断変形が発生するが、開口部７に対応する基板４上の接着部では殆ど発生することがない。そして、該開口部壁面付近の粘性せん断力は、その付近のペースト部分の大きなせん断変形による粘度低下に伴って急速に低下するが、前記基板上接着部におけるペースト部分の接着力は、その粘度が変化しないので、低下することはない。
【００２０】
前述したように、本発明方法における版離れ工程においては、前記従来公知の版離れ工程とは異なり、開口部７に半田ペースト８を充填した後、印刷台３を該ペーストの充填工程における高さ位置、すなわち、第１の高さ位置より若干高い高さ位置、すなわち、第２の高さ位置まで上昇変位させることによって、該印刷台３ないし基板４でスクリーン版５をその弾性に抗して下方から押し上げ、この押し上げ動作に伴って該スクリーン版を強制的にほぼ弓状に弾性変形させて版離れさせる点に特徴があるのであって、このようにしてスクリーン版５を強制的に変形させると、この強制的弾性変形に伴ってスクリーン版５の各開口部７の内側面、すなわち開口部壁面に圧縮波（compressional wave）が発生し、その波動が該開口部壁面に接している半田ペースト部分に波及するため、該ペースト部分は、該圧縮波の波動作用により流動化せしめられることになる。この流動化は、前記した半田ペーストのチクソトロピー性によるものであって、前記した粘性せん断力の働きによる流動化とは一応理論的根拠を異にするが、本発明方法にあっては、かような半田ペーストの有するチクソトロピー性を有効に利用し、ニュートン法則に従って働くせん断変形力と相俟って、高粘度半田ペースト８の流動化を促進させ、その抜け性を大幅に改善し、版離れを容易ならしめるものである。
【００２１】
かようにして、印刷台３を第１の高さ位置より若干高い位置、すなわち、図１のＣに示す位置まで上昇変位させてやると、その上昇過程においてスクリーン版５の弾性変形度が次第に大きくなり、これに伴って前記圧縮波の波動作用及びせん断変形力も大きくなり、開口部７の壁面際ないし壁面近くのペースト部分の流動化が促進される一方、前記基板上接着部におけるペースト部分の接着力ないし粘性力には変化がないので、半田ペースト８は、図１のＣに示すように、開口部７から容易に引き抜かれ、版離れが行われる。次いで、印刷台３を第１の高さ位置よりも低い位置、すなわち、図１のＥに示す第３の位置まで、図１のＤに示す高さ位置を経て、下降変位させて基板４をスクリーン版５から引き離してやることによって版離れ工程が終了する。この場合、版離れは第２の高さ位置で実質的に完了しているので、印刷台３の下降変位は印刷済みの基板４を次の表面実装工程へ搬送してやるために第３の高さ位置に復帰させると共に、次のスクリーン印刷工程に待機させるための過程にすぎないともいえる。そして、第２の高さ位置での版離れの瞬間において、スクリーン版５は弓状に変形した状態で印刷台３ないし基板４によって保持されているので、前記した従来公知のいわゆるプル方式による版離れの方法におけるにようなスクリーン版の急激な上下振動は発生しない。従って、本発明方法においては、スクリーン版の上下振動によって基板に転写されたペーストのパターン形状を損傷させて了うことはない。
【００２２】
基板４上にスクリーン印刷される半田ペーストの厚さは、印刷に使用されるスクリーン版５の厚さによって規定される。従って、印刷台３の第２の高さ位置は、使用されるスクリーン版５の厚さの差異や弾性変形度の大小等に応じて版離れに必要かつ十分なクリアランスをとった位置に設定されるようにする必要がある。そのためには、印刷台３の第１の高さ位置と第２の高さ位置との間のストロークを前記した高さ調節装置を介して複数段にわたって設定できるようにすればよい。これに対し、印刷台３の第３の高さ位置は、第１の高さ位置を基準として下方へ約５〜６ｍｍ離れた位置に設定するだけでよい。印刷台３の第２の高さ位置は、例えば、０．１５〜０．２５ｍｍの厚さのスクリーン版を使用すると仮定すると、第１の高さ位置を基準として上方へ約２．５〜３．５ｍｍ程度上方へ離れた位置に設定すれば十分である。版離れ速度については、開口部７に充填されたペースト８に粘性せん断力によるせん断破壊が発生しない範囲において、適宜、例えば数段にわたって制御できるようにすればよい。なお、本発明方法の実施に当たっては、基板ないし印刷台の寸法がスクリーン版の寸法より小さいことが前提条件となることはいうまでもない。
【００２３】
半田ペーストは温度の高低によってその粘度が変化する。粘度の比較的低い半田ペーストを使用してするスクリーン印刷は、いわゆるにじみやドリフトを発生させて印刷形状を損ない、印刷精度のバラツキを生じさせ易い。他方、粘度が８００ないし１,２００ｃｐｓといった高粘度の半田ペーストは、それ自体としてはダレにくく、ドリフトの発生が少ないので、高精度印刷に適する反面、スクリーン版の開口部の壁面からブレーキがかかって抜けにくくなる傾向があるため、例えば、０．１５ｍｍ程度の厚さの薄いスクリーン版を使用して０．３ｍｍ〜０．４ｍｍ程度のファインピッチ印刷を行う場合、前記した従来公知の版離れ方式をもってしては高い転写率及び印刷精度を得ることは容易でなかったが、本発明方法によれぱ、先に詳述した理由により、粘度が８００ないし１，２００ｃｐｓ程度の極めて粘性の高い半田ペーストを用いた場合でも、しかもこのような高粘度のペーストを用いて前記の如きファインピッチ印刷を遂行する場合においても、転写率及び印刷精度が極めて高く、しかも型くずれの少ないきれいな印刷を行うことが可能となる。
【００２４】
本発明に係るペーストのスクリーン印刷方法は、上記の如く構成されているので、先に述べた従来公知のスクリーン印刷方法の有する欠点ないし不都合が除去改善され、ペーストのスクリーン印刷作業の高能率化、印刷精度ないし品質の格段の向上及び印刷の高密度化等の要請にこたえることができる、特にプリント回路基板に対する高粘度半田ペーストのスクリーン印刷に適用して好適なものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係るペーストのスクリーン印刷方法における版離れ工程における版離れの順序ないし態様並びに印刷結果を（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）の順で順次概略的に図解した説明図である。
【図２】図２は、本発明に係るスクリーン印刷方法を実施するためのスクリーン印刷装置の要部の一例を略示した側面断面図である。
【図３】図３は、本発明方法における版離れ工程の実施の態様及び印刷結果を（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の順で順次略示した正面断面図である。
【図４】図４は、本発明に係るスクリーン印刷方法を実施するためのスクリーン印刷装置の要部の他の一例を略示した側面略図である。
【図５】図５は、本発明方法における版離れ工程の実施の他の態様及び印刷結果を（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の順で順次略示した正面断面図である。
【図６】図６は、従来公知のペーストのスクリーン印刷方法の版離れ工程における版離れの順序ないし態様並びに印刷結果を（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）の順で順次概略的に図解した説明図である。
【図７】図７は、従来公知のペーストのスクリーン印刷方法の版離れ工程の実施の態様及び印刷結果を段階的に略示した正面断面図で、そのうち、（Ａ）はスクリーン版の開口部にペーストが充填されている状態を、（Ｂ）は版離れ開始直後の状態を、（Ｃ）は版離れの瞬間におけるスクリーン版の振動状態を、（Ｄ）はバラツキのある印刷結果ないし印刷形状をそれぞれ示す。
【図８】図８は、粘性力の働く流体が直管内を流れる場合における速度分布と流体微小部分の運動変形及びせん断力の大きさの関係を略示した参考図である。
【符号の説明】
１ スキージユニツト
１′ スキージ
２ プリント基板位置決め支持装置
３ 印刷台
４ プリント基板
５ メタル・スクリーン版
６ スクリーン保持枠
７ パターン開口部
８ 半田ペースト
Claims (3)
- 印刷台上にセットされた基板に対し、複数個のパターン開口部を有するメタル・スクリーン版をスクリーン版支持台上にセットしてペーストを印刷するスクリーン印刷方法であって、該スクリーン版の各開口部に、該スクリーン版上を摺動するスキージでペーストを充填する充填工程と、それらの開口部に充填されたペーストを前記基板にそれぞれ転写すべく前記基板と前記スクリーン版とを引き離す版離れ工程とからなるスクリーン印刷方法において、前記充填工程完了後、印刷台を前記充填工程における高さ位置より高い予め設定してある高さ位置まで上昇変位させることによって、該印刷台ないし基板で前記スクリーン版をその弾性に抗して下方から除々に押し上げて、該スクリーン版を強制的にほぼ弓状に弾性変形させ、この強制的弾性変形に伴って前記開口部に充填されたペーストが該開口部から引き抜かれ、前記基板上へ転写されるようにしたことを特徴とするスクリーン印刷方法。
- 印刷台をペーストの充填工程における高さ位置より上昇変位させる位置は、印刷に使用されるスクリーン版の厚さの差異や弾性変形度の大小等に応じて版離れに必要かつ十分なクリアランスをとった位置に設定されることを特徴とする請求項１に記載のスクリーン印刷方法。
- 印刷台上にセットされた基板に対し、複数個のパターン開口部を有するメタル・スクリーン版をスクリーン版支持台上にセットしてペーストを印刷するスクリーン印刷方法であって、該スクリーン版の各開口部に、該スクリーン版上を摺動するスキージでペーストを充填する充填工程と、それらの開口部に充填されたペーストを前記基板にそれぞれ転写すべく前記基板と前記スクリーン版とを引き離す版離れ工程とからなるスクリーン印刷方法において、前記充填工程完了後、印刷台を前記充填工程における高さ位置より高い予め設定してある高さ位置まで上昇変位させることによって、該印刷台ないし基板で前記スクリーン版をその弾性に抗して下方から除々に押し上げて、該スクリーン版を強制的にほぼ弓状に弾性変形させ、この強制的弾性変形に伴って前記開口部に充填されたペーストを引き抜いて版離れを実質的に完了させる工程と、この工程後、前記印刷台を前記充填工程における高さ位置より低い位置まで除々に下降変位せて前記基板を前記スクリーン版から引き離すことを特徴とするスクリーン印刷方法。
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